[发明专利]基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法

权利要求书

1.一种基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，该方法针对IRS辅助大规模MIMO无线通信系统，所述系统包括一个多天线基站、一个多天线用户和一个多反射单元的IRS，基站到用户有两条通信路径分别为直连路径和经过IRS的反射路径；在基站总发送功率受限的前提下，利用统计CSI，设计基站处发送信号协方差矩阵和IRS处反射面相移矩阵，最终实现系统速率的最大化，具体步骤如下：

步骤一、针对IRS辅助大规模MIMO无线通信系统，令反射面相移矩阵固定不变，根据统计CSI，设计基站发送信号协方差矩阵，方法如下：

1.1)假设系统包括一个N天线基站、一个K天线用户，以及一个集成L个低功耗反射单元的IRS；系统中含有三条信道，分别是：基站到用户的直连信道H₀，基站到IRS的信道H₁，IRS到用户的信道H₂；三条信道具体表达式可以统一表示为：其中，T_i表示发送天线相关矩阵，R_i表示接收天线相关矩阵，表示信道的确定性视距分量，T₀，T₁，T₂，R₀，R₁，R₂，分别是N×N，N×N，L×L，K×K，L×L，K×K，K×N，N×L，L×K的确定性非负矩阵，表示包含大尺度衰落、莱斯因子在内的统计CSI；X₀，X₁，X₂分别是K×N，N×L，L×K的矩阵，其中元素服从零均值、单位方差的独立同分布；表示矩阵的平方根运算；发送信号s是N×1的列向量，协方差矩阵为Q＝ss^H，trQ≤NP表示基站发送功率受限；反射面矩阵为θ_l∈[0,2π)表示IRS对信号的调整角度；

1.2)给定初始反射面矩阵Θ＝I_L，I_L表示L×L的单位对角矩阵，设计发送信号协方差矩阵：

Q^*＝U_FΛ_QU_F^H

其中，U_F是对矩阵F进行奇异值分解得到的酉矩阵，Λ_F为对矩阵F进行奇异值分解得到的对角矩阵，μ是使Q^*满足trQ^*≤NP的参数，I_N表示N×N的单位对角矩阵，F具体表达式为：

其中，Φ₂＝σ²(I_K+e₂R₂)，是基于系统统计CSI的等效信道参数；

1.3)令Q＝Q^*，更新等效信道参数

1.4)重复步骤1.2)、1.3)直到系统速率收敛，得到最优发送协方差矩阵Q^opt＝Q^*；

步骤二、根据步骤一得到的发送信号协方差矩阵，设计反射面相移矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法，其特征在于，步骤二中，给定发送信号协方差矩阵为步骤一所得Q^opt，设计IRS相移矩阵步骤如下：

2.1)计算系统速率对IRS反射相移矩阵的梯度方向向量表示系统速率对θ_l求偏导；

2.2)取步长Δ＝0.1；

2.3)Θ^*＝diag(j×(θ+Δ·p))，其中θ＝[θ₁，θ₂，...，θ_L]^T是由矩阵Θ对角线元素组成的列向量；

2.4)令Θ＝Θ^*，更新信道等效参数

2.5)重复步骤2.1)-2.4)，直至速率收敛，得到最优反射面矩阵Θ^opt＝Θ^*。