[发明专利]智能超表面辅助大规模MIMO相关信道的容量分析与优化方法

权利要求书

1.智能超表面辅助大规模MIMO相关信道的容量分析与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、部署具有N个反射单元的智能超表面建立辅助链路，协助K个单天线用户与多天线基站间的上行通信，所述基站具有M根天线；分别获取用户到智能超表面、智能超表面到基站的信道均值、空间相关矩阵；获取用户到基站直达径的空间相关矩阵；

步骤2、假设相干符号数为τ_c，预留其中的τ_p个符号用于信道估计；K个用户同时发射相互正交的导频序列，其中导频序列长度为τ_p，满足τ_p≥K，由基站做信道估计，获取每个用户到基站总的信道状态信息；

步骤3、在上行数据传输阶段，用户发射数据信号，分别经过直达链路和智能超表面辅助链路到达基站，基站利用估计的信道，采用最大比合并算法对接收信号进行处理；

步骤4、利用“使用然后忘记信道状态信息”定界方法，获取上行遍历容量下界的闭合表达式；

步骤5、以最大化用户和速率为准则，利用信道的统计信息，使用交叉熵方法计算最优的智能超表面的反射系数矩阵。

2.根据权利要求1所述智能超表面辅助大规模MIMO相关信道的容量分析与优化方法，其特征在于，步骤1中，采用相关的瑞利信道模型，第k个用户到基站的直达径信道向量d_k可表示成：

其中R_d,k分别表示第k个用户到基站直达径的信道均值向量与基站侧相关矩阵；表示具有零均值、协方差矩阵为∑的循环对称复高斯分布；

采用相关的莱斯信道模型，第k个用户到智能超表面的信道向量f_k与智能超表面到基站的信道矩阵G分别表示成：

其中R_f,k分别表示第k个用户到智能超表面的信道均值向量和智能超表面接收侧相关矩阵；分别表示智能超表面到基站的信道均值、智能超表面发射侧相关矩阵、基站侧相关矩阵；其中表示计算矩阵的克罗内尔积；

智能超表面的反射系数矩阵Φ为：

θ_n表示智能超表面的第n个反射单元的相移，n∈[1,2,…,N],其取值集合为S_θ＝{0,Δθ,…,(2^B-1)Δθ},B是智能超表面相位量化的比特数，相位间隔表示为其中diag(·)表示对向量创建对角矩阵。

3.根据权利要求2所述智能超表面辅助大规模MIMO相关信道的容量分析与优化方法，其特征在于，步骤2中，在每一个相干块内，智能超表面的反射系数矩阵保持不变，基站接收到的导频信号Y^p为：

其中，表示第k个用户到基站总的信道，h_k＝d_k+GΦf_k，p_k为第k个用户的发射功率，为第k个用户发射的导频序列，满足为独立同分布的噪声矩阵，每个元素服从均值为0、方差为的高斯分布；(·)^T表示计算矩阵的转置；

为了让表达式更加简洁，定义下面四个辅助矩阵T_1,k、T_2,k、T₃和T_4,k：

信道h_k的均值向量和协方差矩阵的计算公式分别为：

其中，tr(·)、(·)^H分别表示计算计算矩阵的迹和共轭转置；

定义以下三个辅助矩阵W_1,k、W_2,k和Z_k：

定义下面两个辅助标量c_1,k和c_2,k：

基站获得信道h_k的观测向量为：

其中(·)^*表示取向量或矩阵的共轭转置；

然后，基站使用LMMSE估计器获得信道h_k的估计值其计算公式为：

其中，I_M表示M阶的单位矩阵，(·)^-1表示对矩阵求逆。