CN116015503A - 一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法 - Google Patents

一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116015503A
CN116015503A CN202211684662.6A CN202211684662A CN116015503A CN 116015503 A CN116015503 A CN 116015503A CN 202211684662 A CN202211684662 A CN 202211684662A CN 116015503 A CN116015503 A CN 116015503A
Authority
CN
China
Prior art keywords
irs
base station
user
wireless communication
communication system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211684662.6A
Other languages
English (en)
Inventor
宋康
苗圃
蔺晋祥
卞玉莹
向雅华
董丹丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qingdao University
Original Assignee
Qingdao University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qingdao University filed Critical Qingdao University
Priority to CN202211684662.6A priority Critical patent/CN116015503A/zh
Publication of CN116015503A publication Critical patent/CN116015503A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法，系统在相位误差、用户位置、聚合干扰、通信信道随机的情况下设计利用可重构智能表面(Intelligent Reflection Surface，IRS)进行辅助通信，通过IRS合理的选择的方案，适应不同条件，节省时间和能量资源，提高通信质量。系统在运行时，首先根据信道状态信息选定IRS，然后发送端给选定IRS发送信号，并由IRS反射给接收端。利用本发明，可以有效的提升系统的中断概率或系统容量。

Description

一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法
技术领域
本发明涉及一种基于可重构智能表面的信号传输方法，尤其考虑在有聚合干扰下的传输。
背景技术
可重构智能表面(IRS)是由大量低成本的被动反射元件集合而成的电磁超表面，被认为是6G的关键技术之一。IRS可以通过软件编程实现对入射信号相位和幅度的调整，进而能够智能地控制无线传播环境，且不需要额外能耗，在下一代移动通信中具有十分广阔的应用前景。IRS的一个重要应用是在基站(BS)和用户之间创建额外的视线(LoS)链路，以提高系统可实现的数据速率，同时，在6G网络中，IRS可以进行大量的部署，如可布置在高层建筑的玻璃上，车辆，或者无人机上，极大的解决了通信信道存在障碍物导致的能量损耗问题。由于实际应用中IRS信道相位估计不准确、用户位置随机性等原因，需要进一步考虑了相位误差、用户随机分布对系统性能的影响。
发明内容
本发明的目的在于给定一种能够实现IRS辅助无线通信系统特定性能(中断概率、系统容量)的IRS选择方法。本发明要解决的技术问题为：为了提升IRS辅助无线通信系统特定性能(中断概率、系统容量)，以特性的准则进行IRS选择。和传统方法相比，该方法能够有效提升系统的特性性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法，该无线通信系统由基站、IRS和用户三部分组成。若干个具有N个反射单元的IRS位于基站和用户之间，用于辅助通信。基站和用户都配有单天线，在基站距离用户较远或者有障碍的情况下，只能通过中间的IRS辅助进行传输。
用户端除了接收噪声，同时受到周围同频率小区的共道干扰。为了最大化所述无线通信系统特定性能，根据给定准则对于若干个备选的IRS进行选择，通过选定的IRS辅助传输，提升无线通信系统的特定性能，具体包括以下步骤
步骤一，基站、IRS、用户三者进行协作信道估计，估计三者之间的信道情况；
步骤二，根据基站、IRS、用户的位置关系以及三者之间的信道，根据特定性能对应的准则，选择特定的IRS；
步骤三，调整选定IRS的反射角度，使得IRS每个单元的角度刚好等于其两端信道复平面角度的相反数；
步骤四，基站向选定IRS发送信号，选定IRS的每个单元根据设定角度对信号进行反射，用户接收来自IRS反射的信号。
假设系统中IRS唯一，则用户D处的瞬时接收信号可以表示为：
Figure BDA0004020504790000021
其中，等式右端依次代表的是期望信号，聚合干扰和高斯噪声，其中s是BS的发射信号，P是BS的平均发射功率，δ是路径衰减指数，N是IRS反射单元的个数，dSR和dRD分别代表基站BS到IRS和IRS到用户D的距离，n是D处产生的均值为零功率为
Figure BDA0004020504790000022
的高斯白噪声。
Figure BDA0004020504790000023
是IRS第i个反射单元产生的可调相位，hi和gi分别表示BS到第i个IRS反射单元的信道和第i个IRS反射单元到用户D的信道，其中
Figure BDA0004020504790000024
各自的αi，βi表示服从独立分布的瑞利衰落信道幅度，φi、θi表示相应的衰落信道相位，hL是聚合干扰信道，sI表示聚合干扰信号，为了便于分析，假设hL服从0均值和方差为σ2的复高斯分布。理想情况下，IRS反射单元的可调相位
Figure BDA0004020504790000025
设定为信道hi的相位φi、信道gi的相位θi之和的相反数，这样可以抵消信道相位影响，得到最优的IRS传输效果。但由于信道相位估计误差，按照估计得到的相位选取的IRS反射单元的可调相位
Figure BDA0004020504790000026
信道hi的相位φi、信道gi的相位θi在抵消IRS反射单元的可调相位
Figure BDA0004020504790000027
后仍残余一个均匀分布在(-π,π]的随机误差ωi。基于用户D处的瞬时接收信号公式，可以得到在D处瞬时信干噪比(SINR)为
Figure BDA0004020504790000031
其中
Figure BDA0004020504790000032
Y＝|hL|2，
Figure BDA0004020504790000039
为一个常数。由于接收噪声与聚合干扰相比，其能量相对较小，因此可以把噪声部分忽略，即
Figure BDA0004020504790000033
此处X的概率密度函数为
Figure BDA0004020504790000034
其中R是小区半径，
Figure BDA0004020504790000035
是MeijerG函数。
由于聚合干扰hL服从均值为0方差为σ2的复高斯分布，Y的概率密度(PDF)函数可以表示为
Figure BDA0004020504790000036
根据概率论知识可以得到D处SINR的PDF为
Figure BDA0004020504790000037
根据概率密度函数和累计密度函数(CDF)之间的关系，可以得到D处SINR的累计密度函数为
Figure BDA0004020504790000038
无线通信系统中中断概率定义为r小于给定中断阈值rth的概率，当r＜rth可认为无线通信系统处于中断状态，因此给定中断阈值为rth则中断概率的数学表达式可以写为
Figure BDA0004020504790000041
系统容量指的是单位时间内有扰信道传输的最大信息量，在考虑含有一个含有N个反射单元的IRS辅助的通信系统中，根据香农公式服从信道分布的系统容量可以表示为
C＝BΞ[log2(1+SINR)]
其中B是系统的带宽，Ξ代表平均期望，根据SINR的概率密度函数可以得到系统容量的表达式为
Figure BDA0004020504790000042
当无线通信系统中存在多余一个IRS的情况，将上述结论进行拓展，不难得到无线通信系统中每个IRS工作时对应的中断概率和系统容量。因此可以得到两种具体的IRS选择方法。
(1)基于中断概率的多可重构智能表面选择方法
对于每个IRS，计算对应下述中断概率的值，选择中断概率最小时对应的IRS进行传输
Figure BDA0004020504790000043
其中
Figure BDA0004020504790000044
rth为中断概率的阈值，σ2为用户端聚合干扰复高斯分布方差，N是IRS反射单元的个数，R是以小区半径，δ是路径衰减指数，
Figure BDA0004020504790000045
是MeijerG函数，
Figure BDA0004020504790000046
P为基站发射信号的功率，dSR代表基站BS到IRS的距离。
(2)基于系统容量的多可重构智能表面选择方法
对于每个IRS，计算对应下述系统容量的值，选择系统容量最大值对应的IRS进行传输
Figure BDA0004020504790000051
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3为当备选IRS数量为3时基于中断概率的IRS选择方法与随机选择方法性能对比图；
图4为当备选IRS数量为3时基于系统的IRS选择方法与随机选择方法性能对比图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
如图1所示，一种考虑聚合干扰的多可重构智能表面选择方法，该无线通信系统由基站、IRS和用户三部分组成。若干个具有N个反射单元的IRS位于基站和用户之间，用于辅助通信。基站和用户都配有单天线，在基站距离用户较远或者有障碍的情况下，只能通过中间的IRS辅助进行传输。
用户端除了接收机噪声，同时受到周围同频率小区的共道干扰。为了最大化系统特定性能，根据给定准则对于若干个备选的IRS进行选择，通过选定的IRS辅助传输，提升系统的特定性能，具体包括如图2所示以下步骤
步骤一，基站、IRS、用户三者进行协作信道估计，估计三者之间的信道情况；
步骤二，根据基站、IRS、用户的位置关系以及三者之间的信道，根据特定性能对应的准则，选择特定的IRS；
步骤三，调整选定IRS的反射角度，使得IRS每个单元的角度刚好等于其两端信道复平面角度的相反数；
步骤四，基站向选定IRS发送信号，选定IRS的每个单元根据设定角度对信号进行反射，用户接收来自IRS反射的信号。
假设系统中IRS唯一，则用户D处的瞬时接收信号可以表示为：
Figure BDA0004020504790000061
其中1的等式右端依次代表的是期望信号，聚合干扰和高斯噪声，其中s是BS的发射信号，p是BS的平均发射功率，δ是路径衰减指数，N是IRS反射单元的个数，dSR和dRD分别代表基站BS到IRS和IRS到用户D的距离，n是D处产生的均值为零功率为
Figure BDA0004020504790000062
的高斯白噪声。
Figure BDA0004020504790000063
是IRS第i个反射单元产生的可调相位，hi和gi分别表示BS到第i个IRS反射单元的信道和第i个IRS反射单元到用户D的信道，其中
Figure BDA0004020504790000064
各自的αi，βi表示服从独立分布的瑞利衰落信道幅度，φi、θi表示相应的衰落信道相位，hL是聚合干扰信道，sI表示聚合干扰信号，为了便于分析，假设hL服从0均值和方差为σ2的复高斯分布。理想情况下，信道hi的相位φi、信道gi的相位θi和IRS反射单元的可调相位
Figure BDA0004020504790000065
三者之和为0可以得到最优的IRS传输效果。但由于信道相位估计误差，按照估计得到的相位选取的IRS反射单元的可调相位
Figure BDA0004020504790000066
信道hi的相位φi、信道gi的相位θi和IRS反射单元的可调相位
Figure BDA0004020504790000067
三者之和为一个均匀分布在(-π,π]的随机误差ωi。基于用户D处的接收信号公式，可以得到在D处瞬时信干噪比(SINR)为
Figure BDA0004020504790000068
其中
Figure BDA0004020504790000069
Y＝|hL|2，
Figure BDA00040205047900000610
为一个常数。此处X的概率密度函数为
Figure BDA0004020504790000071
其中R是以小区半径，
Figure BDA0004020504790000072
是MeijerG函数。
由于聚合干扰hL服从均值为0方差为σ2的复高斯分布，Y的概率密度(PDF)函数可以表示为
Figure BDA0004020504790000073
根据概率论知识可以得到D处SINR的PDF为
Figure BDA0004020504790000074
根据概率密度函数和累计密度函数(CDF)之间的关系，可以得到D处SINR为
Figure BDA0004020504790000075
系统中中断概率定义为r小于给定中断阈值rth的概率，当r＜rth可认为系统处于中断状态，因此给定中断阈值为rth则中断概率的数学表达式可以写为
Figure BDA0004020504790000076
系统容量指的是单位时间内有扰信道传输的最大信息量，在考虑含有一个含有N个反射单元的IRS辅助的通信系统中，根据香农公式服从信道分布的系统容量可以表示为
C＝BΞ[log2(1+γD)]
其中B是系统的带宽，Ξ代表平均期望，根据SINR的概率密度函数可以得到系统容量的表达式为
Figure BDA0004020504790000081
当系统中存在多余一个IRS的情况，将上述结论进行拓展，不难得到系统中每个IRS工作时对应的中断概率和系统容量。因此可以得到两种具体的IRS选择方法。
(1)基于中断概率的多可重构智能表面选择方法
对于每个IRS，计算对应下述中断概率的值，选择值最小的IRS进行传输
Figure BDA0004020504790000082
其中
Figure BDA0004020504790000083
rth为中断概率的阈值，σ2为用户端聚合干扰复高斯分布方差，N是IRS反射单元的个数，R是以小区半径，δ是路径衰减指数，
Figure BDA0004020504790000084
是MeijerG函数，
Figure BDA0004020504790000085
P为基站发射信号的功率，dSR代表基站BS到IRS的距离。
(2)基于系统容量的多可重构智能表面选择方法
对于每个IRS，计算对应下述系统容量的值，选择值最大的IRS进行传输
Figure BDA0004020504790000086
图3和图4分别给出了随机IRS选择方法和本发明所提IRS选择方法在基于中断概率的选择下和基于系统容量的选择下的系统性能对比图，其中系统中备选的IRS为3个，从图中可以看出，本方法能够有效的提升系统的性能。

Claims (1)

1.一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法，其特征在于，无线通信系统由基站、IRS和用户三部分组成，若干个具有N个反射单元的IRS位于基站和用户之间，用于辅助通信，基站和用户都配有单天线，在基站距离用户较远或者有障碍的情况下，只能通过中间的IRS辅助进行传输，
用户端除了接收机噪声，同时受到周围同频率小区的共道干扰，为了最大化系统特定性能，根据给定准则对若干个备选的IRS进行选择，通过选定的IRS辅助传输，提升系统的特定性能，具体包括以下步骤
步骤一，基站、IRS、用户三者进行协作信道估计，估计三者之间的信道情况；
步骤二，根据基站、IRS、用户的位置关系以及三者之间的信道，根据特定性能对应的准则，选择特定的IRS；
步骤三，调整选定IRS的反射角度，使得IRS每个单元的角度刚好等于其两端信道复平面角度的相反数；
步骤四，基站向选定IRS发送信号，选定IRS的每个单元根据设定角度对信号进行反射，用户接收来自IRS反射的信号；
步骤二中，当最大化的特定性能为系统中断概率，给定的选择准则是对于每个IRS，计算对应下述中断概率的值，选择中断概率最小时对应的IRS进行传输
Pout＝FγD(rth)
其中
Figure FDA0004020504780000011
rth为中断概率的阈值，σ2为用户端聚合干扰复高斯分布方差，N是IRS反射单元的个数，R是小区半径，δ是路径衰减指数，
Figure FDA0004020504780000012
是MeijerG函数，
Figure FDA0004020504780000013
P为基站发射信号的功率，dSR代表基站BS到IRS的距离。
步骤二中，当最大化的特定性能为系统容量，给定的选择准则是对于每个IRS，计算对应下述表达式的值，选择系统容量最大值对应的IRS进行传输
Figure FDA0004020504780000021
CN202211684662.6A 2022-12-27 2022-12-27 一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法 Pending CN116015503A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211684662.6A CN116015503A (zh) 2022-12-27 2022-12-27 一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211684662.6A CN116015503A (zh) 2022-12-27 2022-12-27 一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116015503A true CN116015503A (zh) 2023-04-25

Family

ID=86032111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211684662.6A Pending CN116015503A (zh) 2022-12-27 2022-12-27 一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116015503A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116633423A (zh) * 2023-07-24 2023-08-22 成都本原星通科技有限公司 一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116633423A (zh) * 2023-07-24 2023-08-22 成都本原星通科技有限公司 一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法
CN116633423B (zh) * 2023-07-24 2023-10-13 成都本原星通科技有限公司 一种基于可重构智能表面的低轨卫星辅助通信方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110266352B (zh) 一种大规模mimo系统中智能反射面相移矩阵自适应设计方法
CN111162823B (zh) 双向mimo通信系统中预编码矩阵和相移矩阵优化方法
CN112073107A (zh) 基于智能反射面的多组、多播联合波束赋形算法设计
CN111787558A (zh) 一种mimome系统及其安全速率优化方法
RU2256266C2 (ru) Способ улучшения зоны обслуживания интеллектуальной антенной решетки
CN115278707B (zh) 基于智能反射面辅助的noma太赫兹网络能效优化方法
CN101867401A (zh) 一种遮挡躲避的60GHz多天线系统及其信号处理方法
CN114286312A (zh) 一种基于可重构智能表面增强无人机通信的方法
CN114826450B (zh) 一种基于统计信道的star-ris辅助noma系统中遍历速率分析方法和相位优化方法
CN103002560A (zh) 基于mimo动态信道的水声网络自适应功率控制方法
CN112272418A (zh) 一种ris辅助的d2d通信传输模式选择方法
CN116015503A (zh) 一种考虑聚合干扰的无线通信系统中多可重构智能表面选择方法
CN113905441A (zh) 一种波束选择测量上报方法和设备
CN114124258A (zh) 一种最大化安全传输速率的方法
CN108449122A (zh) 一种最小化基站发射功率的mmWave多小区干扰抑制方法
Shaddad et al. Channel estimation for intelligent reflecting surface in 6G wireless network via deep learning technique
CN114039706A (zh) 一种基于新型可重构智能表面的空时编码发送方法
CN117081636A (zh) 可重构智能表面辅助主动干扰的发射功率优化方法及装置
CN110191476B (zh) 一种基于可重构天线阵列的非正交多址接入方法
CN115987358A (zh) 有源ris中的一种基于部分信道状态信息的波束赋形方法
CN114828151A (zh) 一种硬件损伤下star-ris辅助noma系统的中断概率和遍历容量性能分析方法
CN114765785B (zh) 一种基于最大信噪比的多智能反射面选择方法
CN114337902A (zh) 一种irs辅助的毫米波多小区间干扰的抑制方法
CN100473236C (zh) 期望信号初始doa估计及智能天线新方法
CN116074163A (zh) 一种基于公平性的智能反射表面选择辅助传输系统用户选择方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination