CN115549733B - 一种非对称通信阵列、系统及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对称通信阵列、系统及信号处理方法，其包括：非规则子阵，将ARIS划分成多个非对称子连接ARIS，每个非对称子连接ARIS作为一个非规则子阵；各个非规则子阵中包含不同数量的ARIS单元；每个非规则子阵服务一个用户。本发明能够在使用子连接架构节省ARIS功耗的基础上进一步提升阵列设计自由度。同时，能实现多用户系统频谱效率的最大化。本发明能在无线移动通信领域中应用。

Description

一种非对称通信阵列、系统及信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种无线移动通信技术领域，特别是关于一种非对称通信阵列、系统及信号处理方法。

背景技术

通信技术指标进一步提升的标准主要围绕着高速率、低延时、大连接展开，其中6G无线通信对速率的要求将比5G进一步提升20倍，达到Gbps量级。香农公式表明，提升速率的最有效手段之一是提升带宽，因此首先需要提高传输信号的频率。然而，高频信号非常容易受到遮挡，使得克服遮挡变为下一代通信急需关注的场景之一。为了能够有效克服遮挡，近年出现了一项名为ARIS(Active Reconfigurable Intelligent Surface，有源智能超表面)的新技术。ARIS是一种平面反射阵列，构成此阵列的大量单元独立工作，其每个单元由一个放大电路和一个相移电路构成，可以对入射信号反射的过程中主动控制改变信号的幅度和相位，进而调整信号的反射方向，实现一种对信号的灵活控制，被公认是6G无线通信的新范式。

然而，在ARIS的传统全连接架构下，每个单元都要使用一个放大电路和一个相移电路，其中放大电路是一种有源电路，除了需要外部提供放大信号本身所需要的动态功耗外还需要提供其工作的静态功耗，使得ARIS需要较大的功耗。为此，有研究提出使用ARIS的子连接架构，其中ARIS被划分为了对称的子阵，每个子阵中的单元共用放大电路、分用相移电路，使得每个子阵不同ARIS单元可以实现对入射信号相同的信号放大、不同的信号相移，以此有效减少了放大电路数量，进而减少ARIS功耗。

但是，由于子连接架构中对ARIS子阵的划分减小了ARIS调控自由度，而且子连接ARIS全部采用了对称的结构，即每个子阵的大小和形状都一致，这降低了ARIS设计的自由度，使得子连接ARIS相比传统全连接ARIS在频谱效率上有较大性能损失。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种非对称通信阵列、系统及信号处理方法，其能够在使用子连接架构节省ARIS功耗的基础上进一步提升阵列设计自由度。同时，能实现多用户系统频谱效率的最大化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种非对称通信阵列，其包括：非规则子阵，将ARIS划分成多个非对称子连接ARIS，每个非对称子连接ARIS作为一个非规则子阵；各个非规则子阵中包含不同数量的ARIS单元；每个非规则子阵服务一个用户。

进一步，每个所述非规则子阵中所有ARIS单元共用一个放大电路，各ARIS单元都具有独立的相移电路。

进一步，所述非规则子阵的划分方式根据用户的分布情况进行设定。

一种基于上述非对称通信阵列的通信系统，其包括：非对称通信阵列，包括多个非规则子阵；用于将接收到的信号进行幅度和相位调节后反射至用户；基站，通过控制器与非规则子阵连接，并向非规则子阵传输入射信号的幅度和相位；非规则子阵对信号的放大和相移由基站根据基站、非规则子阵和用户三者之间的信道状态信息确定，并由控制器实现对非规则子阵的放大电路和相移电路的控制。

一种基于上述通信系统的信号处理方法，其包括：求解预先构建的非规则子阵辅助的多用户系统的频谱效率最大化问题，得到最优基站预编码、最优相移矩阵、最优放大向量和最优非对称划分方式，由得到的四个最优结果构成多用户系统波束赋形方案。

进一步，所述非规则子阵辅助的多用户系统的频谱效率最大化问题为：

s.t.C₁:|w|²≤P_BS

C₂:|θ_n|＝1

C₃:

C₄:N₁+…+N_L＝N

其中，优化问题的变量为基站预编码w、相移矩阵Θ、放大向量a、子阵划分方式N₁,…,N_L；目标函数为最大化多用户系统所有用户频谱效率之和；约束C₁为基站发射功率约束，约束C₂为ARIS各个单元对信号相移的约束，约束C₃为ARIS的功率约束，P_ARIS表示ARIS最大功率，它由放大信号所需要提供的能量和放大噪声所需要提供的能量两部分构成，/>表示ARIS引入的噪声能量，Ψ为ARIS预编码矩阵；约束C₄为非对称子连接划分所需要满足的约束。

进一步，所述最优基站预编码为：

其中，w为最优基站预编码，P_BS为基站的最大功率。

进一步，所述最优相移矩阵为：

其中，表示ARIS和用户U_l之间的信道，[·]^H表示矩阵的共轭转置；/> 表示基站和ARIS之间的信道；/>为非对称子连接ARIS子阵S_l在服务用户U_l过程中对信号的作用；a_l为表示第l个子阵S_l中放大电路对信号的放大向量，N_l表示第l个ARIS单元，u_l表示ARIS和用户之间信道的路损，v_l表示ARIS和基站之间信道的路损。

进一步，所述最优放大向量为：

其中，a为表示最优放大向量，P表示ARIS总功耗，u_l表示ARIS和用户之间信道的路损，v_l表示ARIS和基站之间信道的路损；L为非规则子阵的数量。

进一步，所述非对称子连接ARIS划分方式为：

其中，N_l为非对称子连接ARIS划分方式，N为ARIS单元的总数。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用的非对称子连接ARIS硬件结构，通过对ARIS的非对称设计来提升调控自由度，并基于此提出了非对称子连接ARIS辅助的系统信号模型。

2、本发明建模了非对称子连接ARIS多用户系统频谱效率最大化问题，通过求解此问题提出了一种多用户系统波束赋形方案。

综上，通过仿真结果表明，相比传统没有部署非对称子连接ARIS的通信系统，本发明能有效提高系统的频谱效率，为下一代通信系统提供了一种高速率、低功耗的参考方案。

附图说明

图1是本发明一实施例中非对称子连接ARIS结构示意图；

图2是本发明一实施例中非对称子连接ARIS辅助的安全传输通信系统图；

图3是本发明一实施例中非对称子连接ARIS系统的性能仿真结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

由于子连接架构中对ARIS(Active Reconfigurable Intelligent Surface，有源智能超表面)子阵的划分减小了ARIS调控自由度，而且子连接ARIS全部采用了对称的结构，即每个子阵的大小和形状都一致，这降低了ARIS设计的自由度，使得子连接ARIS相比传统全连接ARIS在频谱效率上有较大性能损失。为此，本发明要解决的问题是：1、提出非对称子连接ARIS硬件结构；2、在此非对称子连接ARIS硬件结构下，提出一种多用户系统波束赋形方案。

为解决上述技术问题，本发明提出一种非对称子连接ARIS结构，其特点是能够在使用子连接架构节省ARIS功耗的基础上进一步提升阵列设计自由度。在传统的ARIS结构基础之上，将若干ARIS单元组成子连接的非规则子阵，每个非规则子阵服务一个用户，从而提高多用户系统的频谱效率。具体而言，本发明所提结构中，所有ARIS单元首先被划分为多个非规则子阵，每个子阵中不同ARIS单元采用共用放大电路、分用相移电路的子连接架构，使得每个非规则子阵不同ARIS单元可以实现对入射信号相同的信号放大、不同的信号相移，进而服务对应用户。针对该结构，本发明还设计了相应的多用户系统下的波束赋形方案，通过合适的非规则子阵划分方法以及每个子阵的放大电路和相移电路的控制实现了多用户系统频谱效率的最大化。

本发明能够提升系统波束赋形自由度，进而有效提升系统频谱效率，为下一代系统频谱效率的进一步提升提供方案。

实施例一：在本实施例中，提供一种非对称通信阵列。本实施例中，如图1所示，该非对称通信阵列包括：

非规则子阵，将ARIS划分成多个非对称子连接ARIS，每个非对称子连接ARIS作为一个非规则子阵；其中，各个非规则子阵中包含不同数量的ARIS单元；

每个非规则子阵服务一个用户。

上述实施例中，每个非规则子阵中所有ARIS单元共用一个放大电路，各ARIS单元都具有独立的相移电路。使得每个非规则子阵不同ARIS单元可以实现对入射信号相同的信号放大、不同的信号相移，进而服务对应用户。

使用时，每个非规则子阵通过共用的放大电路实现对入射信号的放大，放大系数可以灵活调节；通过各ARIS单元独立的相移电路实现对入射信号的相移，相移系数可以灵活调节，因此有效提升了调控自由度。

上述实施例中，将ARIS划分成多个非规则子阵，划分方式根据用户的分布情况进行设定。

上述实施例中，放大电路的实现方式可以为多种，包括但不限于基于功放的反射式放大电路等。相移电路的实现方式也为多种，包括但不限于基于PIN管、液晶、LC振荡电路的相移电路等。

实施例二：在本实施例中，提供一种基于非对称通信阵列的通信系统。本实施例中，该通信系统基于上述实施例一中的非对称通信阵列实现，如图2所示，该通信系统包括：

非对称通信阵列，包括多个非规则子阵；用于将接收到的信号进行幅度和相位调节后反射至用户；

基站，通过控制器与非规则子阵连接，并向非规则子阵传输入射信号的幅度和相位；

非规则子阵对信号的放大和相移由基站根据基站、非规则子阵和用户三者之间的信道状态信息确定，并由控制器实现对非规则子阵的放大电路和相移电路的控制。

在本实施例中，控制器的实现方式有多种，包括但不限于有线连接的CPU、无线连接的控制单元等。

为了能够进一步详细介绍非对称子连接ARIS的原理，以通信系统具体实施例进行说明。本实施例中的通信系统包括一个单天线的基站、L个单天线用户U₁,…,U_L、一个部署了N个单元的ARIS。为了能够使用这个包含N个单元的ARIS服务L个用户，ARIS被划分为了L个非规则子阵S₁,…,S_L，分别包含N₁,…,N_L个ARIS单元(每个非规则子阵中L的取值不同)，满足N₁+…+N_L＝N，子阵S_l用于服务用户U_l。非对称子连接ARIS对信号的放大与相移由基站根据系统的信道状态信息确定，通过与非对称子连接ARIS相连的控制器实现对其的控制。

ARIS可以对入射信号的幅度和相位进行调节，其中对幅度的调节可以表示为矩阵(/>表示复数集合)，其中第l个元素a_l表示第l个子阵S_l中放大电路对信号的放大倍数，对相位的调节可以表示为矩阵/>(diag(·)表示对角化算符)，其中向量θ第n个元素θ_n表示第n个ARIS单元中相移电路对信号的相移，满足|θ_n|＝1(|·|表示复数的模长)，且向量θ可以拆分表示为/>([·]^T表示矩阵的转置)，其中表示第l个子阵中各个单元相移电路对信号的相移。因此，非对称子连接ARIS对信号的作用表示为对角阵/>满足：

Ψ＝diag(ψ)＝ΘΓa,

其中，是一个表示每个单元所处的子阵编号的矩阵，其中第n行第l列的元素表示第n个ARIS单元是否属于第l个子阵，1表示属于，0表示不属于，此矩阵Γ各个元素完全由N₁,…,N_L的取值确定。同时，非对称子连接ARIS子阵S_l在服务用户U_l过程中对信号的作用可以表示为对角阵/>满足

Ψ_l＝diag(ψ_l)＝Θ_la_l,

进一步，假设基站发送归一化符号为s，满足表示期望运算，[·]^*表示复数的共轭)，基站对符号的预编码可以表示为复数/>满足功率约束|w|²≤P_BS，P_BS为基站的最大功率；则用户U_l接收到的信号y_l可以表示为：

其中，表示ARIS和用户U_l之间的信道([·]^H表示矩阵的共轭转置)， 表示基站和ARIS之间的信道，w为基站预编码，/>表示ARIS引入的噪声，满足/>(/>表示高斯分布，0表示全为0的向量，I表示单位矩阵，/>表示ARIS引入的噪声能量)，/>表示用户接收信号引入的噪声，满足/> 表示噪声功率。因此，用户U_l接收信号频谱效率可以表示为(‖·‖²表示矩阵的Frobenius范数)：

实施例三：在本实施例中，提供一种基于非对称通信阵列的信号处理方法，该信号处理方法具体为多用户系统波束赋形方法。本实施例中，该多用户系统波束赋形方法基于上述实施例一、实施例二中的非对称通信阵列及通信系统实现，包括：

求解预先构建的非规则子阵辅助的多用户系统的频谱效率最大化问题，得到最优基站预编码、最优相移矩阵、最优放大向量和最优非对称划分方式，由得到的四个最优结果构成多用户系统波束赋形方案。

上述实施例中，构建的非规则子阵辅助的多用户系统的频谱效率最大化问题为：

s.t.C₁:|w|²≤P_BS

C₂:|θ_n|＝1

C₃:

C₄:N₁+…+N_L＝N

其中，优化问题的变量为基站预编码w、相移矩阵Θ、放大向量a、子阵划分方式N₁,…,N_L；目标函数为最大化多用户系统所有用户频谱效率之和；约束C₁为基站发射功率约束，约束C₂为ARIS各个单元对信号相移的约束，约束C₃为ARIS的功率约束，其中P_ARIS表示ARIS最大功率，它由放大信号所需要提供的能量和放大噪声所需要提供的能量/>两部分构成，/>表示ARIS引入的噪声能量，Ψ为ARIS预编码矩阵；约束C₄为非对称子连接划分所需要满足的约束。

上述实施例中，为了求解这一优化问题，将优化问题逐步解耦，以计算各个变量的最优解。其中：

(1)最优基站预编码w为：

对于用户U_l的频谱效率，由|w|²≤P_BS可得

即每一个用户最大的频谱效率均在|w|²＝P_BS时去到，因此最优基站预编码为

(2)最优相移矩阵Θ为：

可以看出相移矩阵Θ对目标函数的作用仅在这一项上。假设信道f_l与g_l均为远场视距信道，则向量每一元素的模长均相同，可以写为：

f_l＝u_l1_N⊙exp(jargf_l),g_l＝v_l1_N⊙exp(jargg_l),

其中，1_N表示一个N维全为1的向量，⊙表示两个向量对应元素乘积，exp(jargx)表示由向量x各个元素的复数相位构成的向量，u_l表示ARIS和用户之间信道的路损，v_l表示ARIS和基站之间信道的路损；j表示复数虚部单位。因此有：

其中等号成立条件为θ_l＝exp(jarg(f_l-g_l))，再根据即可获得最优相移矩阵Θ：

(3)最优放大向量a与非对称子连接ARIS划分方式N_l为：

代入已经获得的最优基站预编码w和最优相移矩阵Θ，可以将问题转化为：

s.t.C₃:

C₄:N₁+…+N_L＝N

由柯西不等式可得：

其中等号成立条件为：

P表示ARIS总功耗；u_l表示ARIS和用户之间信道的路损，v_l表示ARIS和基站之间信道的路损；L为非规则子阵的数量。由于信道参数u_l和v_l完全确定，故此即为最优放大向量a与非对称子连接ARIS划分方式N_l。

至此，已获得优化问题的变量基站预编码w、相移矩阵Θ、放大向量a、子阵划分方式N₁,…,N_L的最优值，它们即共同构成非对称子连接ARIS的多用户系统波束赋形方案。

综上，本发明将非对称子连接ARIS以及相应的多用户系统波束赋形方案性能进行性能仿真验证。仿真中，假设用户数量为L＝8，ARIS单元数为N＝256，基站和ARIS位置固定，用户位置在以基站和ARIS为圆心的圆内随机生成，本发明考虑对比在传统对称子连接架构下和在所提非对称子连接架构下用户的频谱效率。如图3所示，结果表明，非对称子连接架构下绝大多数用户的频谱效率以及总频谱效率都有所提升，且二者功耗相同，验证了非对称子连接架构的优势。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于非对称通信阵列的通信系统的信号处理方法，其特征在于，非对称通信阵列包括：

非规则子阵，将ARIS划分成多个非对称子连接ARIS，每个非对称子连接ARIS作为一个非规则子阵；各个非规则子阵中包含不同数量的ARIS单元；

每个非规则子阵服务一个用户；

每个所述非规则子阵中所有ARIS单元共用一个放大电路，各ARIS单元都具有独立的相移电路；使得每个非规则子阵不同ARIS单元能实现对入射信号相同的信号放大、不同的信号相移，进而服务对应用户；

所述非规则子阵的划分方式根据用户的分布情况进行设定；

所述通信系统包括：

非对称通信阵列，包括多个非规则子阵；用于将接收到的信号进行幅度和相位调节后反射至用户；

基站，通过控制器与非规则子阵连接，并向非规则子阵传输入射信号的幅度和相位；

非规则子阵对信号的放大和相移由基站根据基站、非规则子阵和用户三者之间的信道状态信息确定，并由控制器实现对非规则子阵的放大电路和相移电路的控制；

所述信号处理方法包括：

求解预先构建的非规则子阵辅助的多用户系统的频谱效率最大化问题，得到最优基站预编码、最优相移矩阵、最优放大向量和最优非对称划分方式，由得到的四个最优结果构成多用户系统波束赋形方案；

所述非规则子阵辅助的多用户系统的频谱效率最大化问题为：

s.t.C₁:|w|²≤P_BS

C₂:|θ_n|＝1

C₄:N₁+…+N_L＝N

其中，优化问题的变量为基站预编码w、相移矩阵Θ、放大向量a、子阵划分方式N₁,…,N_L；目标函数为最大化多用户系统所有用户频谱效率之和；约束C₁为基站发射功率约束，约束C₂为ARIS各个单元对信号相移的约束，约束C₃为ARIS的功率约束，P_ARIS表示ARIS最大功率，它由放大信号所需要提供的能量和放大噪声所需要提供的能量两部分构成，/>表示ARIS引入的噪声能量，Ψ为ARIS预编码矩阵；约束C₄为非对称子连接划分所需要满足的约束；L为非规则子阵的数量，/>表示基站和ARIS之间的信道。

2.如权利要求1所述信号处理方法，其特征在于，所述最优相移矩阵为：

其中，表示ARIS和用户U_l之间的信道，[·]^H表示矩阵的共轭转置；/> 为非对称子连接ARIS子阵S_l在服务用户U_l过程中对信号的作用；a_l为表示第l个子阵S_l中放大电路对信号的放大向量，N_l表示第l个ARIS单元的数量，u_l表示ARIS和用户之间信道的路损，v_l表示ARIS和基站之间信道的路损。

3.如权利要求1所述信号处理方法，其特征在于，所述最优放大向量为：

其中，P表示ARIS总功耗，u_l表示ARIS和用户之间信道的路损，v_l表示ARIS和基站之间信道的路损。

4.如权利要求1所述信号处理方法，其特征在于，第l个所述ARIS单元的数量为：

其中，N为ARIS单元的总数。