[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

说明书

本发明公开了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，包括：部署智能超表面协助用户与基站间的上行通信，获取信道均值和空间相关矩阵；用户同时发射正交的导频序列，基站做信道估计，获取每个用户到基站间总的信道状态信息；在数据传输阶段，用户发射数据信号，基站利用估计的信道，采用最大比合并算法对接收的数据信号进行处理；采用“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；以最大化用户和速率为准则，使用交叉熵方法优化智能超表面的反射系数矩阵；本发明专利充分考虑了信道的空间相关性与智能超表面的离散相位约束，给出了遍历容量的闭合表达式，并优化了智能超表面反射系数矩阵。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，涉及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。

背景技术

大规模MIMO技术作为第5代移动通信系统的关键技术，能够提高千倍以上的系统吞吐量。通过在基站端配置大规模天线，能够在空间上复用多条数据流，且保持准正交性，能够显著提高用户的传输速率。

智能超表面，作为新涌现的一项技术，最近，吸引了国内外学术界、产业界的广泛关注。智能超表面由大量准无源、低成本的反射单元组成，每个反射单元能够独立地调节入射电磁波的幅度和相位。通过调节智能超表面的反射系数，可以提高接收到的有用信号功率、削弱多用户干扰。

现有文献基于空间不相关衰落信道模型分析了智能超表面辅助大规模MIMO通信系统的遍历容量，然而，实际的信道衰落具有空间相关性；另外，由于智能超表面硬件上的限制，智能超表面反射系数的相位仅仅是有限的取值。

基于以上两方面的考虑，本发明考虑的信道模型是空间相关的衰落模型，智能超表面的反射系数的相位是离散的取值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是，提供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，用以解决现有遍历容量分析方法局限于信道模型是空间不相关的衰落模型，也提出了适用于反射系数具有离散相位取值的优化方法，该方法具有非常低的计算复杂度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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，所述设计方法包括如下步骤：

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；

进一步地，在所述步骤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；