CN114978263A - 一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置及方法 - Google Patents

一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置及方法，其装置包括期望发射机、期望发射机通过智能反射面控制器与智能反射面双向通信连接；回环干扰抑制方法为期望发射机利用智能反射面对来自干扰发射机并直接入射至智能反射面的入射干扰与期望接收机转发至智能反射面的转发干扰之间的相位差进行探测，并根据该相位差计算期望接收机所受干扰的相位差；期望发射机利用所述测得的期望接收机所受干扰的相位差对智能反射面的反射系数进行设计，智能反射面将来自干扰发射机的干扰反射至期望接收机；期望接收机收到来自智能反射面反射的回环干扰，该回环干扰对期望接收机受到的来自干扰发射机的直接干扰进行抑制，可以改善期望接收机的频谱效率。

Description

一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置及方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置及方法。
背景技术
随着无线技术的飞速发展，一方面，密集的设备部署以及海量的用户接入，使得能耗和信令开销达到前所未有的水平；另一方面，由于无线信道的广播与开放特性，大量传输信号相互叠加，使得通信系统面临严重的干扰问题，制约了系统频谱效率(SpectralEfficiency,SE)的改善。
智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是一种由无源反射元件组成的，可以利用软件编程控制其表面反射/传输信号的幅度、相位的6G新兴技术。一方面，智能反射面IRS可以保留原有无线通信系统硬件架构，无需引入额外的有源射频器件，因此没有额外的功率开销，具有低功耗、低硬件部署成本的优势；另一方面，智能反射面IRS经由与期望发射机相连接的IRS控制器对其进行控制，即通过软件编程灵活地调整智能反射面IRS的反射单元的相位和/或幅度，可以实现反射信号的强度和方向的智能动态调整。目前，传统的干扰管理(Interference Management,IM)方法的设计思路是通过增强发射机和/或终端设备的处理能力以实现对干扰的抑制/消除，导致开销(例如信令开销、硬件开销以及计算开销)过大；另外，当前大多数干扰管理IM仍然将干扰作为影响通信的消极因素，忽略了通过某些手段对干扰本身加以利用的可能。
肖丽媛等人在其申请的专利文献“一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法”(申请号：CN201811362697.1公开日：2018.07.09申请公布号：CN109450506A)中公开了一种基于双路干扰信号调整的多干扰协作干扰对齐方法，该方法的步骤是，第一步：发射机之间共享信道状态信息(Channel State Information,CSI)和数据信息；第二步：目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道矩阵设计发射预编码向量与接收滤波向量；第三步：干扰通信发射机随机选取两路干扰信号进行调整，以将多个干扰等效成的有效干扰信号调整至与目标期望信号正交为设计目标，计算出两个复数域调整系数，分别与上述随机选取的两路干扰信号向量相乘；第四步：干扰通信发射机向其接收机发送经复数域系数调整后的信号，目标通信发射机向其接收机发送期望信号；第五步：干扰通信接收机和目标通信接收机分别用各自的滤波向量对各自的期望数据进行恢复。该方法存在的不足之处是，期望发射机与干扰发射机之间需要高度协作，即期望发射机需要准确获知关于干扰发射机的信道状态信息CSI以及干扰所携带的数据信息，导致信令开销过大；由于干扰发射机需要向期望发射机共享自身的数据信息，导致干扰通信对隐私泄露等问题；没有对干扰进行有效利用，仍然以消除干扰为设计目的。
Shlezinger N等人在其发表论文“Dynamic Metasurface Antennas for 6GExtreme Massive MIMO Communications”(IEEE Wireless Communications 28(2021)2,106-113)中提出了一种利用大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)增强期望传输的方法。该方法的实现步骤是，第一步：在期望发射机配置大规模天线阵列，增加天线数量，使得不同接收机的信道矩阵趋于相互正交；第二步：在期望发射机处调节各天线的权重(影响发射信号的相位和振幅)进行波束成形，使信号在期望接收机处形成叠加，从而提高接收信干噪比(SINR)，改善期望信号的接收质量。该方法存在的不足之处是，虽然通过增加天线数可以改善期望信号的接收质量，但是大规模天线阵列的部署及其硬件成本控制在实际应用中均面临挑战，制约了该方法的应用。
杭州电子科技大学在其申请的专利文献“一种智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法”(申请号：CN202111262623.2公开日：2022.01.04申请公布号：CN113890634A)中公开了一种智能反射面辅助的干扰抵消波束设计方法，该方法的步骤是，第一步：场景假设和信道模型；第二步：利用波束分裂方法设计部分发射波束；第三步：设计智能反射面反射系数；第四步：根据设计的智能反射面反射系数，执行用户干扰抵消发射波束设计方法及功率分配系数设计方法。该方法存在的不足之处是，期望发射机与干扰发射机之间需要协作，以获取期望发射机、智能反射面IRS关于干扰发射机的信道状态信息CSI，导致信令开销过大，制约了方法的应用性；期望发射机的需要复杂的波束成形设计，导致计算开销过大。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制(IRS-Aided Loopback Interference Suppression,IRS-LIS)方法，解决了现有技术存在的依赖于期望发射机与干扰发射机之间的高度协作，即期望发射机需要准确获知关于干扰发射机的信道状态信息CSI以及干扰所携带的数据信息而造成的信令开销的增加，以及由于干扰发射机需要向期望发射机共享自身的数据信息，导致对干扰通信对的数据传输隐私造成威胁的问题；同时，能够对干扰加以利用，借助智能反射面IRS对信号的反射，消除干扰对期望通信的影响，是对传统的干扰管理IM方法的补充。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，包括期望发射机PBS1，所述期望发射机PBS1通过IRS控制器2与智能反射面IRS3双向通信连接；期望接收机PUE4的信号输入端分别与期望发射机PBS1、智能反射面IRS3、干扰发射机MBS5信号输出端连接，期望接收机PUE4的信号输出端与智能反射面IRS3的信号输入端连接，将期望接收机PUE4接收到的信号转发至智能反射面IRS3；干扰发射机MBS5信号输出端分别与智能反射面IRS3及接收机MUE6的信号输入端连接。
所述智能反射面IRS3上集成设置有信号检测器7，能够检测入射干扰和转发干扰的相位差。
所述期望发射机PBS1与IRS控制器2之间设有独立的IRS控制链路8，用于向智能反射面IRS3发送调整智能反射面IRS3反射系数r的控制指令。
所述期望接收机PUE4与期望发射机PBS1之间设有第一反馈链路9，将期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息CSI和期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息CSI反馈给期望发射机PBS1。
所述接收机MUE6与干扰发射机MBS5之间设有第二反馈链路10，将干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息CSI反馈给干扰发射机MBS5。
所述智能反射面IRS3的信号检测器7与期望发射机PBS1之间设有第三反馈链路11，将智能反射面IRS3处的入射干扰和转发干扰的相位差反馈给期望发射机PBS1。
一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，期望发射机PBS1利用智能反射面IRS3对来自干扰发射机MBS5并直接入射至智能反射面IRS3的入射干扰以及期望接收机PUE4转发至智能反射面IRS的转发干扰之间的相位差
Figure BDA0003655026860000051
进行探测，并根据该相位差
Figure BDA0003655026860000052
计算期望接收机PUE4所受干扰的相位差
Figure BDA0003655026860000053
步骤2，期望发射机PBS1利用步骤1测得的期望接收机PUE4所受干扰相位差
Figure BDA0003655026860000054
对智能反射面IRS3的反射系数进行设计，智能反射面IRS3将来自干扰发射机MBS5的直接干扰反射至期望接收机PUE4；期望接收机PUE4收到来自智能反射面IRS3反射的回环干扰，智能反射面IRS3反射的回环干扰对期望接收机PUE4受到的来自干扰发射机MBS5的直接干扰进行抑制，改善期望接收机PUE4的接收信干噪比。
进一步，所述步骤1具体方法为：
期望发射机PBS1处于静默状态，即不向期望接收机PUE4发送直传期望信号
Figure BDA0003655026860000061
干扰发射机MBS5向对应的接收机MUE6发送信号，期望接收机PUE4受到来自干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA0003655026860000062
并将其直接转发给智能反射面IRS3；将入射至智能反射面IRS3的由期望接收机PUE4转发而来的干扰称为转发干扰
Figure BDA0003655026860000063
智能反射面IRS3部署与期望接收机PUE4相接近，智能反射面IRS3会收到来自干扰发射机MBS5的入射干扰
Figure BDA0003655026860000064
通过在智能反射面IRS3上集成设置的信号检测器7能够检测入射干扰
Figure BDA00036550268600000610
和转发干扰
Figure BDA0003655026860000065
的相位差
Figure BDA0003655026860000066
根据
Figure BDA0003655026860000067
可以得到期望接收机PUE4所受干扰的相位差
Figure BDA0003655026860000068
包括：
步骤1.1，通过期望接收机PUE4能够估计期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息g以及期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息HPp，接收机MUE6能够估计出干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息HMm，智能反射面IRS3通过IRS控制器2与PBS相连接，IRS控制器2通过独立的IRS控制链路8与期望发射机PBS1进行通信，用于向智能反射面IRS3发送调整智能反射面IRS3反射系数r的控制指令，智能反射面IRS3在IRS控制器2的控制下对其入射信号进行反射；
步骤1.2，期望接收机PUE4使用第一反馈链路9，将期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息HPp和期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息g反馈给期望发射机PBS1；接收机MUE6使用第二反馈链路10，将干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息HMm反馈给干扰发射机MBS5；智能反射面IRS3的信号检测器7使用第三反馈链路11将智能反射面IRS3处的入射干扰
Figure BDA0003655026860000071
和转发干扰
Figure BDA0003655026860000072
的相位差
Figure BDA0003655026860000073
反馈给期望发射机PBS1；
步骤1.3，通过期望发射机PBS1对期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息HPp进行奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)，得到
Figure BDA0003655026860000074
通过干扰发射机MBS5对干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息HMm进行奇异值分解SVD，得到
Figure BDA0003655026860000075
期望发射机PBS1设计预编码向量
Figure BDA0003655026860000076
干扰发射机MBS5设计预编码向量
Figure BDA0003655026860000077
其中，
Figure BDA0003655026860000078
表示右奇异矩阵VPp第一列向量，
Figure BDA0003655026860000079
表示右奇异矩阵VMm第一列向量；
步骤1.4，计算期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的等效信道系数
Figure BDA00036550268600000710
Figure BDA00036550268600000711
和
Figure BDA00036550268600000712
分别表示
Figure BDA00036550268600000713
的幅度和相位；计算干扰发射机MBS5到期望接收机PUE4的等效信道系数
Figure BDA00036550268600000714
Figure BDA00036550268600000715
和
Figure BDA00036550268600000716
分别表示
Figure BDA00036550268600000717
的幅度和相位；计算干扰发射机MBS5到智能反射面IRS3的等效信道系数
Figure BDA00036550268600000718
Figure BDA00036550268600000719
和
Figure BDA00036550268600000720
分别表示
Figure BDA00036550268600000721
的幅度和相位；
步骤1.5，将步骤1.1至步骤1.4所得，通过智能反射面IRS3配备的信号检测器7检测出入射到智能反射面IRS3的入射干扰
Figure BDA00036550268600000722
和转发干扰
Figure BDA00036550268600000723
的相位差
Figure BDA00036550268600000724
其中PM表示干扰发射机MBS5的发射功率，|g|和
Figure BDA0003655026860000081
分别表示g的幅度和相位，xM表示干扰发射机MBS5发送给接收机MUE6的信号携带的干扰数据；智能反射面IRS3的信号检测器7通过第三反馈链路将相位差
Figure BDA0003655026860000082
反馈给期望发射机PBS1；
步骤1.6，期望接收机PUE4受到干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA0003655026860000083
和来自智能反射面IRS3反射的回环干扰
Figure BDA0003655026860000084
相位差为
Figure BDA0003655026860000085
Figure BDA0003655026860000086
和
Figure BDA0003655026860000087
满足
Figure BDA0003655026860000088
因此，利用步骤1.5得到的
Figure BDA0003655026860000089
可以计算出期望接收机PUE4所受直接干扰
Figure BDA00036550268600000810
和回环干扰
Figure BDA00036550268600000811
的相位差
Figure BDA00036550268600000812
进一步，所述步骤2具体方法为：
期望发射机PBS1向期望接收机PUE4发送直传期望信号
Figure BDA00036550268600000813
期望接收机PUE4不再向智能反射面IRS3转发直接干扰
Figure BDA00036550268600000814
而是对直传期望信号
Figure BDA00036550268600000815
进行接收；期望发射机PBS1根据智能反射面IRS3集成的信号检测器7检测到的入射干扰
Figure BDA00036550268600000816
和转发干扰
Figure BDA00036550268600000817
的所述相位差
Figure BDA00036550268600000818
对智能反射面IRS3的反射系数r进行设计：基于反射系数r的设计，智能反射面IRS3将入射干扰
Figure BDA00036550268600000819
反射至期望接收机PUE4；期望接收机PUE4收到智能反射面IRS3反射的干扰，称为期望接收机PUE4处的回环干扰
Figure BDA00036550268600000820
回环干扰
Figure BDA00036550268600000821
作用于直接干扰
Figure BDA00036550268600000822
可以对后者进行抑制，包括：
步骤2.1，根据期望发射机PBS1对智能反射面IRS3的反射系数
Figure BDA00036550268600000823
进行设计，其中βr和θr分别表示反射系数r的幅度系数和相移系数；设置βr＝1实现对智能反射面IRS3入射信号最大程度的反射，即没有能量损失的完全反射；
步骤2.2，根据入射干扰
Figure BDA0003655026860000091
和转发干扰
Figure BDA0003655026860000092
的相位差
Figure BDA0003655026860000093
以及期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息g，期望发射机PBS1构造出智能反射面IRS3的相移系数
Figure BDA0003655026860000094
Figure BDA0003655026860000095
表示整数集合，根据期望发射机PBS1对智能反射面IRS3的相移系数θr进行设置，智能反射面IRS3将入射干扰
Figure BDA0003655026860000096
反射至期望接收机PUE4；
步骤2.3，期望接收机PUE4收到来自智能反射面IRS3反射的回环干扰
Figure BDA0003655026860000097
来自干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA0003655026860000098
以及来自期望发射机PBS1的直传期望信号
Figure BDA0003655026860000099
其中PP表示期望发射机PBS1的发射功率，xP表示期望发射机PBS1发送给期望接收机PUE4的信号携带的期望数据；
步骤2.4，通过步骤2.2中得到的相移系数θr，期望接收机PUE4处的回环干扰
Figure BDA00036550268600000910
对其受到的来自干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA00036550268600000911
进行抑制，即这两路信号相互抵消，以改善期望接收机PUE4的频谱效率SE。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，由于本发明无需期望发射机PBS1准确估计与干扰发射机MBS5有关的信道状态信息CSI，无需干扰发射机MBS5将干扰携带的数据信息共享给期望发射机PBS1，克服了现有干扰管理IM技术依赖于期望发射机PBS1与干扰发射机MBS5之间的高度协作(即期望发射机需要准确获知关于干扰发射机MBS5的信道状态信息CSI以及干扰所携带的数据信息)的不足，使得本发明的信令开销降低，也避免了额外的硬件设备部署和发射功率消耗，以及对干扰通信对(干扰发射机MBS5和对应接收机MUE6)数据传输的私密性的破坏。
第二，由于本发明利用了智能反射面IRS3的低功耗、易配置，以及对信号处理简单灵活的特点，同时实现额对干扰的利用，即通过智能反射面IRS3对干扰的反射实现期望接收机PUE4处干扰的抑制，克服了现有的干扰管理IM方法仍然将干扰作为影响通信的消极因素的不足，是对现有干扰管理IM方法的补充。
附图说明
图1是本发明的简要实现流程示意图。
图2是本发明的系统模型示意图。
图3是本发明的具体实现示意图。
图4是本发明提供的所提方法的期望接收机的频谱效率SE示意图；其中，图4(a)为在ζM＝10dB情况下微微用户设备期望接收机PUE4的频谱效率SE仿真，图4(b)为在ζM＝20dB情况下微微用户设备期望接收机PUE4的频谱效率SE仿真。
图中：1、期望发射机PBS；2、IRS控制器；3、智能反射面IRS；4、期望接收机PUE；5、干扰发射机MBS；6、接收机MUE；7、信号检测器；8、独立的IRS控制链路；9、第一反馈链路；10、第二反馈链路；11、第三反馈链路。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细的描述。
参见图2，一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，包括期望发射机PBS1，所述期望发射机PBS1通过智能反射面IRS3控制器2与智能反射面IRS3双向通信连接；期望接收机PUE4的信号输入端分别与期望发射机PBS1、智能反射面IRS3、干扰发射机MBS5信号输出端连接，期望接收机PUE4的信号输出端与智能反射面IRS3的信号输入端连接，将期望接收机PUE4接收到的信号转发至智能反射面IRS3；干扰发射机MBS5信号输出端分别与智能反射面IRS3及接收机MUE6的信号输入端连接。
所述智能反射面IRS3上集成设置有信号检测器7，能够检测入射干扰和转发干扰的相位差。
所述期望发射机PBS1与IRS控制器2之间设有独立的IRS控制链路8，用于向智能反射面IRS3发送调整智能反射面IRS3反射系数r的控制指令。
所述期望接收机PUE4与期望发射机PBS1之间设有第一反馈链路9，将期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息CSI和期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息CSI反馈给期望发射机PBS1。
所述接收机MUE6与干扰发射机MBS5之间设有第二反馈链路10，将干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息CSI反馈给干扰发射机MBS5。
所述智能反射面IRS3的信号检测器7与期望发射机PBS1之间设有第三反馈链路11，将智能反射面IRS3处的入射干扰和转发干扰的相位差反馈给期望发射机PBS1。
参照图1，一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，期望发射机PBS1利用智能反射面IRS3对来自干扰发射机MBS5并直接入射至智能反射面IRS3的入射干扰以及期望接收机PUE4转发至智能反射面IRS3的转发干扰之间的相位差进行探测，并根据该相位差
Figure BDA0003655026860000121
计算期望接收机PUE4所受干扰的相位差；
步骤2，期望发射机PBS1利用步骤1测得的期望接收机PUE4所受干扰相位差
Figure BDA0003655026860000122
对智能反射面IRS3的反射系数进行设计，智能反射面IRS3将来自干扰发射机MBS5的直接干扰反射至期望接收机PUE4；期望接收机PUE4收到来自智能反射面IRS3反射的回环干扰，智能反射面IRS3反射的回环干扰对期望接收机PUE4受到的来自干扰发射机MBS5的直接干扰进行抑制，改善期望接收机PUE4的接收信干噪比。
需要说明的是，本实施例中的期望发射机是指在向其对应的接收机进行信号发送时，其对应的接收机会受到其它信号发射设备干扰的发射机。
参照图3，对本发明实现的具体步骤做进一步描述：
步骤1，期望发射机PBS1处于静默状态，即不向期望接收机PUE4发送直传期望信号
Figure BDA0003655026860000123
干扰发射机MBS5向对应的接收机MUE6发送信号，期望接收机PUE4受到来自干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA0003655026860000124
并将其直接转发给智能反射面IRS3；将入射至智能反射面IRS3的由期望接收机PUE4转发而来的干扰称为转发干扰
Figure BDA0003655026860000125
智能反射面IRS3部署与期望接收机PUE4相接近，智能反射面IRS3会收到来自干扰发射机MBS5的入射干扰
Figure BDA0003655026860000131
通过在智能反射面IRS3上集成设置的信号检测器7能够检测入射干扰
Figure BDA0003655026860000132
和转发干扰
Figure BDA0003655026860000133
的相位差
Figure BDA0003655026860000134
根据
Figure BDA0003655026860000135
可以得到期望接收机PUE4所受干扰的相位差
Figure BDA0003655026860000136
本发明的实施例构建的通信系统可以为混合蜂窝通信系统如图2所示，系统中包括1个宏蜂窝基站(干扰发射机MBS5)，1个微微基站(期望发射机PBS1)，多个宏用户设备，多个微微用户设备，以及1个受控于微微基站(期望发射机PBS1)的智能反射面IRS3。由于微微蜂窝间的干扰可以通过运营商合理的部署进行规避，并且一个宏/微微蜂窝内，一个资源块仅分配给一个用户设备，可以将系统模型等效简化为仅包含1个宏用户设备接收机MUE6，1个微微用户设备(期望接收机PUE4)的情况。宏基站(干扰发射机MBS5)、微微基站(期望发射机PBS1)、宏用户设备(接收机MUE6)、微微用户设备(期望接收机PUE4)配备的天线数分别为NM、NP、Nm和Np。智能反射面IRS3的反射单元数为Nr。微微基站期望发射机PBS1发送期望信号至微微用户设备(期望接收机PUE4)处，宏基站(干扰发射机MBS5)发送给宏用户设备(接收机MUE6)的信号会对微微用户设备(期望接收机PUE4)产生干扰。微微基站(期望发射机PBS1)工作在开放接入模式下。
需要说明的是，图2所示的实施例场景是本发明实施例的适用场景之一，本发明实施例的适用场景不以此为限。
步骤1.1，通过期望接收机PUE4能够估计期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息g以及期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息HPp，接收机MUE6能够估计出干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息HMm，智能反射面IRS3通过IRS控制器2与期望发射机PBS1相连接，IRS控制器2通过独立的IRS控制链路8与期望发射机PBS1进行通信，用于向智能反射面IRS3发送调整智能反射面IRS3反射系数r的控制指令，智能反射面IRS3在IRS控制器2的控制下对其入射信号进行反射；
步骤1.2，期望接收机PUE4使用第一反馈链路9，将期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息HPp和期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息g反馈给期望发射机PBS1；接收机MUE6使用第二反馈链路10，将干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息HMm反馈给干扰发射机MBS5；智能反射面IRS3的信号检测器7使用第三反馈链路11将智能反射面IRS3处的入射干扰
Figure BDA0003655026860000141
和转发干扰
Figure BDA0003655026860000142
的相位差
Figure BDA0003655026860000143
反馈给期望发射机PBS1；
步骤1.3，期望发射机PBS1对期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的信道状态信息HPp进行奇异值分解SVD，得到
Figure BDA0003655026860000144
干扰发射机MBS5对干扰发射机MBS5到接收机MUE6的信道状态信息HMm进行奇异值分解SVD，得到
Figure BDA0003655026860000145
期望发射机PBS1设计预编码向量
Figure BDA0003655026860000146
干扰发射机MBS5设计预编码向量
Figure BDA0003655026860000147
其中，
Figure BDA0003655026860000148
表示右奇异矩阵VPp第一列向量，
Figure BDA0003655026860000149
表示右奇异矩阵VMm第一列向量；
步骤1.4，计算期望发射机PBS1到期望接收机PUE4的等效信道系数
Figure BDA00036550268600001410
Figure BDA00036550268600001411
和
Figure BDA00036550268600001412
分别表示
Figure BDA00036550268600001413
的幅度和相位；计算干扰发射机MBS5到期望接收机PUE4的等效信道系数
Figure BDA0003655026860000151
Figure BDA0003655026860000152
和
Figure BDA0003655026860000153
分别表示
Figure BDA0003655026860000154
的幅度和相位；计算干扰发射机MBS5到智能反射面IRS3的等效信道系数
Figure BDA0003655026860000155
Figure BDA0003655026860000156
和
Figure BDA0003655026860000157
分别表示
Figure BDA0003655026860000158
的幅度和相位；
步骤1.5，利用智能反射面IRS3配备的信号检测器7检测出入射到IRS的入射干扰
Figure BDA0003655026860000159
和转发干扰
Figure BDA00036550268600001510
的相位差
Figure BDA00036550268600001511
其中PM表示干扰发射机MBS5的发射功率，|g|和
Figure BDA00036550268600001512
分别表示g的幅度和相位，xM表示干扰发射机MBS5发送给接收机MUE6的信号携带的干扰数据；IRS的信号检测器7通过第三反馈链路11将相位差
Figure BDA00036550268600001513
反馈给期望发射机PBS1；
步骤1.6，期望接收机PUE4受到干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA00036550268600001514
和来自智能反射面IRS3反射的回环干扰
Figure BDA00036550268600001515
相位差为
Figure BDA00036550268600001516
Figure BDA00036550268600001517
和
Figure BDA00036550268600001518
满足
Figure BDA00036550268600001519
因此，利用步骤1.5得到的
Figure BDA00036550268600001520
可以计算出期望接收机PUE4所受直接干扰
Figure BDA00036550268600001521
和回环干扰
Figure BDA00036550268600001522
的相位差
Figure BDA00036550268600001523
步骤2，期望发射机PBS1向期望接收机PUE4发送直传期望信号
Figure BDA00036550268600001524
期望接收机PUE4不再向智能反射面IRS3转发直接干扰
Figure BDA00036550268600001525
而是对直传期望信号
Figure BDA00036550268600001526
进行接收；期望发射机PBS1根据智能反射面IRS3集成的信号检测器7检测到的入射干扰
Figure BDA00036550268600001527
和转发干扰
Figure BDA00036550268600001528
的所述相位差
Figure BDA00036550268600001529
对智能反射面IRS3的反射系数r进行设计：基于反射系数r的设计，智能反射面IRS3将入射干扰
Figure BDA00036550268600001530
反射至期望接收机PUE4；期望接收机PUE4收到智能反射面IRS3反射的干扰，称为期望接收机PUE4处的回环干扰
Figure BDA0003655026860000161
回环干扰
Figure BDA0003655026860000162
作用于直接干扰
Figure BDA0003655026860000163
可以对后者进行抑制。
步骤2.1，根据期望发射机PBS1对智能反射面IRS3的反射系数
Figure BDA0003655026860000164
进行设计，其中βr和θr分别表示反射系数r的幅度系数和相移系数；设置βr＝1实现对智能反射面IRS3入射信号最大程度的反射，即没有能量损失的完全反射；
步骤2.2，根据入射干扰
Figure BDA0003655026860000165
和转发干扰
Figure BDA0003655026860000166
的相位差
Figure BDA0003655026860000167
以及期望接收机PUE4到智能反射面IRS3的信道状态信息g，期望发射机PBS1构造出智能反射面IRS3的相移系数
Figure BDA0003655026860000168
Figure BDA0003655026860000169
表示整数集合，根据期望发射机PBS1对智能反射面IRS3的相移系数θr进行设置，智能反射面IRS3将入射干扰
Figure BDA00036550268600001610
反射至期望接收机PUE4；
步骤2.3，期望接收机PUE4收到来自智能反射面IRS3反射的回环干扰
Figure BDA00036550268600001611
来自干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA00036550268600001612
以及来自期望发射机PBS1的直传期望信号
Figure BDA00036550268600001613
其中PP表示期望发射机PBS1的发射功率，xP表示期望发射机PBS1发送给期望接收机PUE4的信号携带的期望数据；
步骤2.4，通过步骤2.2中得到的相移系数θr，期望接收机PUE4处的回环干扰
Figure BDA00036550268600001614
对其受到的来自干扰发射机MBS5的直接干扰
Figure BDA00036550268600001615
进行抑制，即这两路信号相互抵消，以改善期望接收机PUE4的频谱效率SE。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 11操作系统和Matlab R2018b。
本发明的仿真对象：本发明提出的基于智能反射面辅助的回环干扰抑制方法，将微微基站(期望发射机PBS1)与微微用户设备(期望接收机PUE4)存在期望信号反射链路(IRS-Aided Loopback Interference Suppression with Desired Signal Reflection,IRS-LIS w/DSR)，以及微微基站(期望发射机PBS1)与微微用户设备(期望接收机PUE4)不存在期望信号反射链路(IRS-Aided Loopback Interference Suppression withoutDesired Signal Reflection,IRS-LIS w/o DSR)，与考虑干扰经智能反射面IRS3反射后影响微微用户设备(期望接收机PUE4)的应用智能反射面IRS3增强期望信号传输(IRS-AidedTransmission Enhancement with Interference Reflection,IRS-TE w/IR)方法进行比较。通过MATLAB仿真获得微微用户设备(期望接收机PUE4)的频谱效率SE。
本发明的仿真参数：宏基站(干扰发射机MBS5)的噪声归一化发射功率
Figure BDA0003655026860000171
微微基站(期望发射机PBS1)的噪声归一化发射功率
Figure BDA0003655026860000172
宏基站(干扰发射机MBS5)和微微基站(期望发射机PBS1)分别向宏用户设备(接收机MUE6)和微微用户设备(期望接收机PUE4)发送信号，
Figure BDA0003655026860000173
表示噪声功率。微微基站(期望发射机PBS1)与宏基站(干扰发射机MBS5)的功率比为
Figure BDA0003655026860000181
其取值范围为η∈[1,10]。设置NM＝NP＝2，Nm＝Np＝Nr＝1，其中NM是宏基站(干扰发射机MBS5)的发射天线数，NP是微微基站(期望发射机PBS1)的发射天线数，Nm是宏用户设备(接收机MUE6)的接收天线数，Np是微微用户设备(期望接收机PUE4)的接收天线数，Nr是智能反射面IRS3的反射单元数。采用空间不相关的瑞利平坦衰落信道模型，即信道矩阵的元素为独立同分布的均值为0、单位方差的复高斯随机变量。所有用户设备都经历块衰落，即信道参数在由若干个连续时隙组成的块中保持稳定，而在相邻块之间随机变化。
2.仿真内容与结果分析：
下面结合图4的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
当NM＝NP＝2，Nm＝Np＝Nr＝1时，分别在ζM＝10dB(如图4(a)所示)，ζM＝20dB(如图4(b)所示)情况下对微微用户设备(期望接收机PUE4)的频谱效率SE进行仿真，其结果如图4所示，其中，纵轴表示频谱效率SE，横轴表示微微基站(期望发射机PBS1)与宏基站(干扰发射机MBS5)的功率比η。可以看到，无论是否考虑智能反射面IRS3对期望信号的反射，本发明的性能均优于传统的应用智能反射面IRS3增强期望信号传输的方法IRS-TE w/IR。尤其是当直接干扰
Figure BDA0003655026860000182
非常强(即ζM＝20dB，如图4(b)所示)时，本发明对期望接收机PUE4的SE性能的改善尤为显著。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，包括期望发射机PBS(1)，其特征在于：所述期望发射机PBS(1)通过IRS控制器(2)与智能反射面IRS(3)双向通信连接；期望接收机PUE(4)的信号输入端分别与期望发射机PBS(1)、智能反射面IRS(3)、干扰发射机MBS(5)信号输出端连接，期望接收机PUE(4)的信号输出端与智能反射面IRS(3)的信号输入端连接，将期望接收机PUE(4)接收到的信号转发至智能反射面IRS(3)；干扰发射机MBS(5)信号输出端分别与智能反射面IRS(3)及接收机MUE(6)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，其特征在于：所述智能反射面IRS(3)上集成设置有信号检测器(7)，能够检测入射干扰和转发干扰的相位差。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，其特征在于：所述期望发射机PBS(1)与IRS控制器(2)之间设有独立的IRS控制链路(8)，用于向智能反射面IRS(3)发送调整智能反射面IRS(3)反射系数r的控制指令。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，其特征在于：所述期望接收机PUE(4)与期望发射机PBS(1)之间设有第一反馈链路(9)，将期望发射机PBS(1)到期望接收机PUE(4)的信道状态信息和期望接收机PUE(4)到智能反射面IRS(3)的信道状态信息反馈给期望发射机PBS(1)。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，其特征在于：所述接收机MUE(6)与干扰发射机MBS(5)之间设有第二反馈链路(10)，将干扰发射机MBS(5)到接收机MUE(6)的信道状态信息反馈给干扰发射机MBS(5)。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制装置，其特征在于：所述智能反射面IRS(3)的信号检测器(7)与期望发射机PBS(1)之间设有第三反馈链路(11)，将智能反射面IRS(3)处的入射干扰和转发干扰的相位差反馈给期望发射机PBS(1)。
7.基于权利要求1至6任一项所述抑制装置的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1，期望发射机PBS(1)利用智能反射面IRS(3)对来自干扰发射机MBS(5)并直接入射至智能反射面IRS(3)的入射干扰以及期望接收机PUE(4)转发至智能反射面IRS(3)的转发干扰之间的相位差
Figure FDA0003655026850000021
进行探测，并根据该相位差
Figure FDA0003655026850000022
计算期望接收机PUE(4)所受干扰的相位差
Figure FDA0003655026850000023
步骤2，期望发射机PBS(1)利用步骤1测得的期望接收机PUE(4)所受干扰相位差
Figure FDA0003655026850000024
对智能反射面IRS(3)的反射系数进行设计，智能反射面IRS(3)将来自干扰发射机MBS(5)的直接干扰反射至期望接收机PUE(4)；期望接收机PUE(4)收到来自智能反射面IRS(3)反射的回环干扰，智能反射面IRS(3)反射的回环干扰对期望接收机PUE(4)受到的来自干扰发射机MBS(5)的直接干扰进行抑制，改善期望接收机PUE(4)的接收信干噪比。
8.根据权利要求7所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制方法，其特征在于：所述步骤1具体方法为：
期望发射机PBS(1)处于静默状态，即不向期望接收机PUE(4)发送直传期望信号
Figure FDA0003655026850000031
干扰发射机MBS(5)向对应的接收机MUE(6)发送信号，期望接收机PUE(4)受到来自干扰发射机MBS(5)的直接干扰
Figure FDA0003655026850000032
并将其直接转发给智能反射面IRS(3)；将入射至智能反射面IRS(3)的由期望接收机PUE(4)转发而来的干扰称为转发干扰
Figure FDA0003655026850000033
智能反射面IRS(3)部署与期望接收机PUE(4)相接近，智能反射面IRS(3)会收到来自干扰发射机MBS(5)的入射干扰
Figure FDA0003655026850000039
通过在智能反射面IRS(3)上集成设置的信号检测器(7)能够检测入射干扰
Figure FDA0003655026850000034
和转发干扰
Figure FDA0003655026850000035
的相位差
Figure FDA0003655026850000036
根据
Figure FDA0003655026850000037
可以得到期望接收机PUE(4)所受干扰的相位差
Figure FDA0003655026850000038
包括：
步骤1.1，通过期望接收机PUE(4)能够估计期望接收机PUE(4)到智能反射面IRS(3)的信道状态信息g以及期望发射机PBS(1)到期望接收机PUE(4)的信道状态信息HPp，接收机MUE(6)能够估计出干扰发射机MBS(5)到接收机MUE(6)的信道状态信息HMm，智能反射面IRS(3)通过IRS控制器(2)与PBS(1)相连接，IRS控制器(2)通过独立的IRS控制链路(8)与期望发射机PBS(1)进行通信，用于向智能反射面IRS(3)发送调整智能反射面IRS(3)反射系数r的控制指令，智能反射面IRS(3)在IRS控制器(2)的控制下对其入射信号进行反射；
步骤1.2，期望接收机PUE(4)使用第一反馈链路(9)，将期望发射机PBS(1)到期望接收机PUE(4)的信道状态信息HPp和期望接收机PUE(4)到智能反射面IRS(3)的信道状态信息g反馈给期望发射机PBS(1)；接收机MUE(6)使用第二反馈链路(10)，将干扰发射机MBS(5)到接收机MUE(6)的信道状态信息HMm反馈给干扰发射机MBS(5)；IRS的信号检测器(7)使用第三反馈链路(11)将智能反射面IRS(3)处的入射干扰
Figure FDA0003655026850000041
和转发干扰
Figure FDA0003655026850000042
的相位差
Figure FDA0003655026850000043
反馈给期望发射机PBS(1)；
步骤1.3，通过期望发射机PBS(1)对期望发射机PBS1到期望接收机PUE(4)的信道状态信息HPp进行奇异值分解SVD，得到
Figure FDA0003655026850000044
通过干扰发射机MBS(5)对干扰发射机MBS(5)到接收机MUE(6)的信道状态信息HMm进行奇异值分解SVD，得到
Figure FDA0003655026850000045
期望发射机PBS(1)设计预编码向量
Figure FDA0003655026850000046
干扰发射机MBS(5)设计预编码向量
Figure FDA0003655026850000047
其中，
Figure FDA0003655026850000048
表示右奇异矩阵VPp第一列向量，
Figure FDA0003655026850000049
表示右奇异矩阵VMm第一列向量；
步骤1.4，计算期望发射机PBS(1)到期望接收机PUE(4)的等效信道系数
Figure FDA00036550268500000410
Figure FDA00036550268500000411
和
Figure FDA00036550268500000412
分别表示
Figure FDA00036550268500000413
的幅度和相位；计算干扰发射机MBS(5)到期望接收机PUE(4)的等效信道系数
Figure FDA00036550268500000414
Figure FDA00036550268500000415
和
Figure FDA00036550268500000416
分别表示
Figure FDA00036550268500000417
的幅度和相位；计算干扰发射机MBS(5)到智能反射面IRS(3)的等效信道系数
Figure FDA00036550268500000418
Figure FDA00036550268500000419
和
Figure FDA00036550268500000420
分别表示
Figure FDA00036550268500000421
的幅度和相位；
步骤1.5，将步骤1.1至步骤1.4所得，通过智能反射面IRS(3)配备的信号检测器(7)检测出入射到智能反射面IRS(3)的入射干扰
Figure FDA00036550268500000422
和转发干扰
Figure FDA00036550268500000423
的相位差
Figure FDA0003655026850000051
其中PM表示干扰发射机MBS(5)的发射功率，|g|和
Figure FDA0003655026850000052
分别表示g的幅度和相位，xM表示干扰发射机MBS(5)发送给接收机MUE(6)的信号携带的干扰数据；IRS的信号检测器(7)通过第三反馈链路(11)将相位差
Figure FDA0003655026850000053
反馈给期望发射机PBS(1)；
步骤1.6，期望接收机PUE(4)受到干扰发射机MBS(5)的直接干扰
Figure FDA0003655026850000054
和来自智能反射面IRS(3)反射的回环干扰
Figure FDA0003655026850000055
相位差为
Figure FDA0003655026850000056
Figure FDA0003655026850000057
和
Figure FDA0003655026850000058
满足
Figure FDA0003655026850000059
因此，利用步骤1.5得到的
Figure FDA00036550268500000510
可以计算出期望接收机PUE(4)所受直接干扰
Figure FDA00036550268500000511
和回环干扰
Figure FDA00036550268500000512
的相位差
Figure FDA00036550268500000513
9.根据权利要求7所述的一种基于智能反射面辅助的回环干扰抑制方法，其特征在于：
进一步，所述步骤2具体方法为：
期望发射机PBS(1)向期望接收机PUE(4)发送直传期望信号
Figure FDA00036550268500000514
期望接收机PUE(4)不再向智能反射面IRS(3)转发直接干扰
Figure FDA00036550268500000515
而是对直传期望信号
Figure FDA00036550268500000516
进行接收；期望发射机PBS(1)根据智能反射面IRS(3)集成的信号检测器(7)检测到的入射干扰
Figure FDA00036550268500000517
和转发干扰
Figure FDA00036550268500000518
的所述相位差
Figure FDA00036550268500000519
对智能反射面IRS(3)的反射系数r进行设计：基于反射系数r的设计，智能反射面IRS(3)将入射干扰
Figure FDA00036550268500000520
反射至期望接收机PUE(4)；期望接收机PUE(4)收到智能反射面IRS(3)反射的干扰，称为期望接收机PUE(4)处的回环干扰
Figure FDA00036550268500000521
回环干扰
Figure FDA00036550268500000522
作用于直接干扰
Figure FDA00036550268500000523
可以对后者进行抑制，包括：
步骤2.1，根据期望发射机PBS(1)对智能反射面IRS(3)的反射系数
Figure FDA0003655026850000061
进行设计，其中βr和θr分别表示反射系数r的幅度系数和相移系数；设置βr＝1实现对智能反射面IRS(3)入射信号最大程度的反射，即没有能量损失的完全反射；
步骤2.2，根据入射干扰
Figure FDA0003655026850000062
和转发干扰
Figure FDA0003655026850000063
的相位差
Figure FDA0003655026850000064
以及期望接收机PUE(4)到智能反射面IRS(3)的信道状态信息g，期望发射机PBS(1)构造出智能反射面IRS(3)的相移系数
Figure FDA0003655026850000065
Figure FDA0003655026850000066
Figure FDA0003655026850000067
表示整数集合，根据PBS(1)对智能反射面IRS(3)的相移系数θr进行设置，智能反射面IRS(3)将入射干扰
Figure FDA00036550268500000613
反射至期望接收机PUE(4)；
步骤2.3，期望接收机PUE(4)收到来自智能反射面IRS(3)反射的回环干扰
Figure FDA0003655026850000068
来自干扰发射机MBS(5)的直接干扰
Figure FDA0003655026850000069
以及来自期望发射机PBS(1)的直传期望信号
Figure FDA00036550268500000610
其中PP表示期望发射机PBS(1)的发射功率，xP表示PBS(1)发送给期望接收机PUE(4)的信号携带的期望数据；
步骤2.4，通过步骤2.2中得到的相移系数θr，期望接收机PUE(4)处的回环干扰
Figure FDA00036550268500000611
对其受到的来自干扰发射机MBS(5)的直接干扰
Figure FDA00036550268500000612
进行抑制，即这两路信号相互抵消，以改善期望接收机PUE(4)的频谱效率SE。
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