CN111294095B - 基于统计csi的irs辅助大规模mimo无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法，其方法按以下步骤进行：1）针对IRS辅助大规模MIMO无线通信***，令反射面相移矩阵固定不变，利用统计CSI，设计发送信号协方差矩阵；2）根据上一步骤得到的发送信号协方差矩阵，设计反射相移矩阵，本方法操作简单，贴合实际，可以在仅知统计CSI前提下，对基站发送信号协方差矩阵和IRS的反射相移矩阵进行设计，在额外增加能耗较少的情况下，获得更高的通信速率，对IRS辅助大规模MIMO无线通信***的发展具有重要现实意义。

Description

基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线传输方法，具体的说是一种基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着入网移动设备数量持续增加，超清视频流和虚拟现实、增强现实等移动应用***式增长，第五代移动通信以及未来通信需要提高频谱效率，增大无线传输速率，以保证大量用户的服务质量。为了实现这一目标，近年来提出了许多技术，例如大规模MIMO(Multiple-input Multiple-output)、毫米波通信和超密集网络等。然而，尽管上述技术能够显著提高无线网络的频谱利用效率，但是需要安装大量的有源天线或者射频单元，势必会带来能源消耗增大和硬件成本增加的问题。IRS(Intelligent Reflecting Surface)可以看做由许多低能耗反射单元组成的平面结构，能够灵活的布置在建筑物表面、室内墙壁等位置，通过合适的位置安排以及反射相位设置，改变信号传输路径以辅助通信，同时获得可观的波束成型增益。IRS技术作为一种新技术可以达到满足5G及未来通信中为大数量用户服务、低能耗、高频谱效率、高能量效率的要求。但是IRS技术的应用存在难点，其中一个难点问题就是发送信号协方差矩阵与反射面矩阵的设计问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CSI(Channel State Information)的IRS(Intelligent Reflecting Surface)辅助大规模MIMO(Multiple-input Multiple-output)无线传输方法，在基站发送功率受限的情况下，以“***速率最大”为目标，基于IRS无能量消耗的原则，利用统计CSI优化设计发送信号协方差矩阵与IRS反射相移矩阵，使***速率达到最大，同时提高能量效率与频谱利用率。

本发明的目的是这样实现的：一种基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法，该方法针对IRS辅助大规模MIMO无线通信***，所述***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***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***，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；

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。

作为本发明的进一步限定，步骤一中，设计发送信号协方差矩阵的具体步骤如下：

1.1)假设***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；***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(Lineof Sight,LOS)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***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***速率

收敛，得到最优发送协方差矩阵Q^opt＝Q^*。

作为本发明的进一步限定，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***速率对IRS反射相移矩阵的梯度方向向量

表示***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^*。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本方法考虑对发送信号协方差矩阵和IRS反射相移矩阵的联合设计，通过迭代优化获得了两个矩阵的最优解，使得信号沿着最优特征方向传输，***速率能够得到最大程度的提升；

(2)本方法提出的发送信号协方差矩阵和IRS反射相移矩阵设计方案，仅利用到统计CSI；由于统计CSI相对瞬时CSI更容易获取，能有效降低***开销，使得本方法具有很强的现实可行性，能应用于实际通信场景。

附图说明

图1为IRS辅助大规模MIMO无线传输***的示意图。

图2为基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，IRS辅助大规模MIMO无线传输***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。

图2所示为基于统计CSI的IRS辅助大规模MIMO无线传输方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤201：假设***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；***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(Line of Sight,LOS)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；

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)表示智能反射面对信号的调整角度；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。

步骤202：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***统计CSI的等效信道参数；令Q＝Q^*，更新等效信道参数

重复更新等效信道参数

与Q^*，直到***速率

收敛，得到最优发送协方差矩阵Q^opt＝Q^*。

步骤203：发送信号协方差矩阵为Q^opt，设计IRS相移矩阵，计算***速率对相位矩阵的梯度方向向量，即***速率对求偏导；取步长Δ＝0.1，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，令Θ＝Θ^*，更新信道等效参数

重复更新信道等效参数

与Θ^*，直至速率

收敛，得到最优IRS反射相移矩阵Θ^opt＝Θ^*；

步骤204：重复步骤202-203，直至***速率

收敛，得到最优设计的发送信号协方差矩阵与IRS反射相移矩阵。

综上所述，本方法考虑对发送信号协方差矩阵和IRS反射相移矩阵的联合设计，通过迭代方法获取两个矩阵的最优值，使得信号沿着最优的统计特征模式传输，确保***速率能够得到最大程度的提升。并且本方法的设计过程中仅利用统计CSI，相对于瞬时CSI，统计CSI较容易获取，能有效降低***开销，因此本方法具有较强现实可行性，能应用于实际通信场景。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

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***，所述***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***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***，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***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；***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***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***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***速率对IRS反射相移矩阵的梯度方向向量

表示***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^*。

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