CN112383332A - 一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信*** - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信***。本发明提出一种新型基于智能反射表面的蜂窝基站通信***架构，智能反射表面不仅用于辅助宏基站用户的通信，也用以传输信息给多个用户，同时避免了干扰的产生，极大地提高了频谱利用效率，并且智能反射表面消耗能量更少，能量效率更高。智能反射表面通过被动波束成形，可以进一步优化该通信***。方案实施简单，且可证明能实现高于为各自***分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。

Description

一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信***

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信***。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，通信设备数与业务量在过去十年间以指数级增长，也带来了蜂窝容量需求的激增。提高通信***容量的方法一般包括：部署更多小区、增加可用带宽以及提高频谱效率。众所周知，减小小区的尺寸、部署更多小区是增加***容量的最简单，最有效的方法。小型蜂窝网络通过紧密地部署自组织、低功耗、低成本的微基站，用来覆盖盲区以及分担流量压力。在多用户网络中，一个小区覆盖范围内的用户共享可用带宽，因此，减小小区大小并部署更多小区会减少每个小区的用户数量，进而增加每个用户可用的带宽。同时，小区尺寸减少使得用户与微基站的距离减小，提高了用户的信噪比，从而进一步提升了用户的传输速率。在部署小区方面有两大挑战，一是需要设计有效的干扰管理策略以控制多种干扰，主要包括微小区与宏基站的相互干扰、相邻微小区之间的干扰、宏基站终端用户对微基站接收的干扰，二是需要减少小区部署的能量消耗与成本。

近年来，随着射频微机电***(MEMS)与超材料方面的研究取得突破性进展，使得基于超材料反射的低成本，高效电磁空间重构技术成为可能，进而学界提出了智能反射表面(RIS)的概念。智能反射表面利用高度可控的信号反射特性，能够做到实时控制幅度与相位的变化来适应不同信道环境的动态需求。智能反射表面相较于放大转发中继等通信技术，不需要主动地产生新的信号而只是被动地反射入射信号，不需要额外的能量源。智能反射表面利用反射已有信号，精简了发射所需要的射频链路与器件，并能在短时间内实现类似大规模多输入多输出(MIMO)的反射波束成型。智能反射表面能够在实现可控成本与低能耗同时不引入额外干扰的前提下密集且迅速地进行部署。智能反射表面将成为未来无线通信当中引人注目的一项新技术，尤其以用户高密度聚集的室内通信应用场景为主(如体育场、大型商城、展览中心、机场等场所的通信应用)。目前已有的关于智能反射表面的研究工作，大部分是将其应用在传统的通信***，如多用户下行通信、双向中继网络等，用以改善覆盖率、提供安全性、提高能量效率和频谱效率等。

发明内容

本发明的主要内容是提出一种新型的基于智能反射表面的蜂窝基站通信***，简称为智能反射通信***，涉及到***组成结构及工作原理、以及被动式波束成形设计方法，利用智能反射表面替代传统小型蜂窝网络的微基站，解决小型蜂窝网络中多用户通信问题。

智能反射表面除了可以作为被动的中继来辅助其他传统通信***，也可以利用将信息调制到基站的信号上用于传递信息。具体来说，假设智能反射表面采用BPSK调制方式，则当发送的符号为+1时，它利用+Φ^*来反射信号，当发送的符号为-1时，利用-Φ^*来反射信号，这里Φ^*是优化后的相位偏移矩阵。由于智能反射表面优良的反射特性以及具有发送信息的能力，我们将其引入到小型蜂窝网络中替代微基站，利用可实时调整的相位偏移，将多个用户的信息加载到宏基站的信号之上，实现多用户的信息传递。这里智能反射表面与传统的微基站类似，发送的信息由有线的回程线路得到。但智能反射表面相较于微基站消耗的能量较少，能量效率更高。同时，智能反射表面是通过被动地反射信号来传递信息，而非产生新的信号，可以使得智能反射表面的信号对宏基站服务的用户不再是干扰而是一条多径，从而提高宏基站用户的传输速率，也解决了传统小型蜂窝网络中的干扰管理问题

本发明的技术方案是：一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信***，其特征在于，包括一个配置单根天线的宏基站、一个具有N个反射单元的智能反射表面(RIS)、一个宏基站服务的单天线用户user 0以及K个单天线用户user 1～K；宏基站发送主信号，RIS接收宏基站发送的主信号，通过调节每个反射单元的系数，将需要发送给K个用户的信息加载到宏基站的主信号上，实现被动的波束成形，对应于每个用户的预编码矩阵为Φ_k＝diag{θ_k,1,θ_k,2,...,θ_k,N}，其中θ_k,i对应于第i个反射单元对第k个用户的相位偏移且满足

实现多个用户的信息传递。

进一步的，RIS端被动式波束赋形矩阵的设计方法为：假设宏基站发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t，RIS采用BPSK的调制方法，即c_k＝{+1,-1}，c_k表示发送给用户k的信息且来自于有线的回程线路，对应的相位偏移矩阵是

RIS发送信息符号的周期是宏基站端发送信息符号的周期的Q倍，Q为正整数，记C＝{c₁,c₂,...,c_K}为所有用户符号的集合，RIS引入到信道的相位偏移矩阵为

在保证宏基站服务的用户的最低通信速率需求

的前提下，以最大化所有用户最小的通信速率为目标，优化RIS端被动式波束赋形矩阵

建立优化问题如下：

|Φ_n,n|≤1,n＝1,2,...,N

其中R_k是用户k解c_k的速率，R₀是用户0的平均速率的上界，R_k,s是用户k解s(n)的平均速率上界，向量符号

第一个约束是宏基站服务的用户通信速率的QoS要求，第二个约束保证小型蜂窝网络中各用户能实现串行干扰消除，最后一个约束为RIS的被动式反射约束，优化问题详细表达式为：

|Φ_n,n|≤1,n＝1,2,...,N

其中，l为宏基站与智能反射表面之间的信道，h_k为智能反射表面与微小区中用户k间的信道，h₀为智能反射表面与宏用户0之间的信道，g₀为宏基站与宏用户0之间的信道，g_k为宏基站与微小区中用户k间的信道，

为用户0处的加性高斯白噪声功率，

为用户k处的加性高斯白噪声功率。

通过求解上述优化问题即可得到

本发明的有益效果是：本发明提出一种新型基于智能反射表面的蜂窝基站通信***架构，智能反射表面不仅用于辅助宏基站用户的通信，也用以传输信息给多个用户，同时避免了干扰的产生，极大地提高了频谱利用效率，并且智能反射表面消耗能量更少，能量效率更高。智能反射表面通过被动波束成形，可以进一步优化该通信***。方案实施简单，且可证明能实现高于为各自***分配专用通信资源的频谱效率，具有很强的应用价值。

附图说明

图1示出了智能反射通信***应用场景示意图；

图2示出了智能反射通信***结构图；

图3示出了智能反射通信帧结构示意图；

图4为算法验证***位置设置图；

图5为本发明***多用户最小信噪比性能图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，为智能反射通信***在小型蜂窝网络的应用场景示意图，由一个宏基站实现广域覆盖，多个智能反射表面实现小型蜂窝网络的精确覆盖，与宏基站共同形成一体化立体覆盖。考虑不同的微小区内采用不同的频谱资源块，则他们之间不存在干扰，图1示意图可退化为如图2所示的***结构图。本发明采用的技术方案为智能反射通信***，***由一个配置单根天线的宏基站、一个具有N个反射单元的智能反射表面(RIS)、一个宏基站服务的单天线用户user 0以及K个单天线用户user 1～K组成。记宏基站与智能反射表面之间的信道为l，智能反射表面与微小区中用户k间的信道为h_k，智能反射表面与宏用户0之间的信道为h₀，宏基站与宏用户0之间的信道为g₀，宏基站与微小区中用户k间的信道为g_k。假定宏基站发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t。智能反射表面接收到宏基站发送的信号，通过调节它的每个反射单元的系数，将需要发送给微小区中K个用户的信息加载到宏基站的主信号上，实现被动的波束成形，对应于每个用户的预编码矩阵为Φ_k＝diag{θ_k,1,θ_k,2,...,θ_k,N}，其中θ_k,i对应于第i个反射单元对第k个用户的相位偏移且满足

从而实现微小区中多个用户的信息传递。假设智能反射表面采取BPSK的调制方案，即c_k＝{+1,-1}，这里c_k表示发送给用户k的信息且来自于有线的回程线路。我们可以设计的相位偏移矩阵是

而智能反射表面引入到信道的相位偏移矩阵为

微小区中的用户利用联合检测，同时接收宏基站的信息s(n)以及它们各自的信息。微小区中的用户k处收到的信号表达式为：

其中u_k(n)是均值为0、功率为

的加性高斯白噪声(Additive White GaussianNoise,AWGN)。这里假设智能反射表面发送信息符号的周期是宏基站端发送信息符号的周期的整数倍，即：T_c＝QT_s，其中T_c是RIS信号的符号周期，T_s是宏基站信号的符号周期，Q为正整数，***的帧结构图如图3所示。

记C＝{c₁,c₂,...,c_K}为所有微小区用户符号的集合。用户k在收到RIS反射的信号之后，联合检测来自宏基站的主链路信号s(n)以及自己的信号c_k，先检测s(n)，再做串行干扰抵消(Successive Interference Cancellation,SIC)消除主链路信号的干扰，再检测c_k。检测s(n)时的信噪比(signal to noise ratio，SNR)为：

对应的平均速率为：

R_k,s＝E_C{log₂(1+γ_k,s(C)}≤log₂{1+E_C[γ_k,s(C)]} (3)

记m_i＝h_kΦ_il，则

所以，平均速率的上界为：

做完SIC消除主链路干扰后，用户k检测自己的信号c_k,做完SIC的信号为：

由于RIS的符号周期是宏基站符号周期的Q倍，因此用于求解c_k的信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)为使用最大比合并(maximal ratiocombining，MRC)后的信干噪比，合并后的SINR表达式为：

对应的速率为：

对于宏基站服务的宏用户0，它的接收信号为：

其中u₀(n)是均值为0、功率为

的加性高斯白噪声。用户0注重的是主链路的信息s(n)，并不需要信息c_k，但是它也可以做联合接收来获得c_k的信息并拿到多径增益，代价则是提高了接收机的复杂度。用户0检测s(n)的信噪比为:

平均信噪比可以表达为：

则用户0的平均速率的上界为：

本发明针对服务于小型蜂窝网络的智能反射通信***，利用智能反射表面来替代原本的微基站，服务于小型蜂窝网络中的多个用户，提出了智能反射表面端被动式波束赋形的优化设计方法。在保证宏基站服务的用户的最低通信速率需求

的前提下，以最大化小型蜂窝网络中所有用户最小的通信速率为目标，优化智能反射表面端被动式波束赋形矩阵

具体优化问题如下：

第一个约束是宏基站服务的用户通信速率的QoS要求，第二个约束保证小型蜂窝网络中各用户能实现串行干扰消除，最后一个约束为智能反射表面的被动式反射约束。该优化问题可详细表达为：

下面给出求解上述优化问题的两类可行方案，以供验证智能反射通信***的性能。

有Φ_i＝diag(θ_i,1,θ_i,2,...,θ_i,N)，记

c＝(c₁,c₂,...,c_K)，

因此，第三个约束可以变为：

|cΨe_j|≤1,j＝1,...,N, (15)

其中e_j＝(0,0,...,1,0,...,0)^T。同时有：

问题可以转化为：

引入辅助变量T，问题转化为：

解决方案一：SDP算法。记vec(Ψ)＝υ，υυ^H＝Ξ则问题(18)可以转化为：

其中

此问题可以采用两步流程将优化变量T和Ξ分开，同时由于秩为1的约束较难处理，这里放松该约束。具体的步骤为：首先找到T_up和T_low，T_up使得问题不可行，T_low使得问题可行。计算一个新的

并用T_new代替问题中的T并求解该问题，如果问题是可行的，则更新值T_low＝T_new，并得到问题的解Ξ，如果问题不可行，则更新值T_up＝T_new，重复此过程直至T_up-T_low小于一个门限值。对于一个确定的T，该问题是一个SDP问题，可以通过文献“Grant M,Boyd S.CVX:Matlab software for disciplined convex programming,version 2.1[J].2014”中标准优化求解工具CVX来进行求解。求解得到Ξ之后，需要得到秩为1的解，利用文献“Sidiropoulos N D,Davidson T N,Luo Z Q.Transmit beamformingfor physical-layer multicasting[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2006,54(6):2239-2251”中的高斯随机方法对Ξ进行处理，获得υ，再通过υ得到矩阵Ψ，从而得到

SDP算法具体的步骤如下：

步骤S11.给定T_up和T_low，其中T_up使得问题(19)不可行，T_low使得问题(19)可行；

步骤S12.当T_up-T_low大于给定门限值ε，执行下面的步骤S13-S15，否则跳出循环；

步骤S13.计算

步骤S14.用T_new代替问题(19)中的T并求解该问题；

步骤S15.若问题(19)可行，则更新T_low＝T_new以及Ξ，否则更新T_up＝T_new；

步骤S16.循环结束获得求解的最优解Ξ^*；

步骤S17.对解Ξ^*利用高斯随机方法获得秩1解υ^*；

步骤S18.通过υ^*产生Ψ^*，通过Ψ^*产生

步骤S19.返回最优解

由于采用高斯随机方法的算法会受到优化问题约束过多限制的影响，这里给出一种采用连续凸近似的算法，利用泰勒展开进行近似从而避免了利用高斯随机方法来求得秩一解，记为SCA算法。问题(18)可转化为：

对函数在υ_t处展开，利用文献“Sun Y,Babu P,Palomar D P.Majorization-minimization algorithms in signal processing,communications,and machinelearning[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2016,65(3):794-816”中的泰勒展开性质可得以下优化问题：

其中M_k＝λ_k,maxI，λ_k,max是F_k的最大特征值。问题(22)类似于问题(19)，可以采用

两步流程进行求解。SCA算法具体的步骤为：

步骤S21.初始化υ_t为υ₀；

步骤S22.利用两步流程方法求解优化问题(22)获得最优解T；

步骤S23.给定T与υ_t-1，迭代求解优化问题(22)直至计算t次得到的解与t-1次得到的解的差的二范数小于某一门限值；

步骤S24.循环结束获得求解的最优解υ^*；

步骤S25.通过υ^*产生Ψ^*，通过Ψ^*产生

步骤S26.返回最优解

如下将给出仿真结果验证上述***在传输效率上的优越性以及上述优化算法方案的可能性。如图4所示，我们考虑如下仿真位置设计，宏基站位于坐标原点(0m,0m)，智能反射表面位于(50m,0m)，主用户位于(0m,40m)，两个次用户分布于以(50m,15m)为圆心半径为10m的圆内。智能反射表面的反射单元数为16×4。考虑如下大尺度衰落

其中ρ²表示信道的大尺度衰落系数，d表示传输距离，β表示在1m情况下信道衰落系数，η表示空间衰落指数。具体仿真参数设置如下，β＝-30dB，信道g₀,h₁～h_K,l的空间衰落指数η＝2，h₀的空间衰落指数η＝2.5，g₁～g_K的空间衰落指数η＝3.6。信道h₀,g₁～g_K服从瑞利分布，所有元素服从小尺度衰落为

信道g₀,h₁～h_K,l服从莱斯因子为10的莱斯分布，非直射径设置为

LoS径采用导向矢量产生。次用户与主用户的周期倍数之差Q＝10，接收机噪声

信道实现次数为1000次。

图5比较了在不同智能反射表面反射策略下，智能反射通信***多用户最小信噪比的性能。其中的基准算法为将每个用户的相位偏移矩阵对准智能反射表面到每个用户的信道。特别地，结果显示，本发明所提出来的小型蜂窝网络的智能反射通信***能实现多用户信息的有效传输，且性能明显优于所给的基准算法。

Claims (2)

1.一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信***，其特征在于，包括一个配置单根天线的宏基站、一个具有N个反射单元的智能反射表面(RIS)、一个宏基站服务的单天线用户user 0以及K个单天线用户user 1～K；宏基站发送主信号，RIS接收宏基站发送的主信号，通过调节每个反射单元的系数，将需要发送给K个用户的信息加载到宏基站的主信号上，实现被动的波束成形，对应于每个用户的预编码矩阵为Φ_k＝diag{θ_k,1,θ_k,2,...,θ_k,N}，其中θ_k,i对应于第i个反射单元对第k个用户的相位偏移且满足|θ_k,i|＝1,

i，实现多个用户的信息传递。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射表面的蜂窝基站通信***，其特征在于，RIS端被动式波束赋形矩阵的设计方法为：假设宏基站发送机传输信号s(n)为零均值方差为1的信号，发射功率为p_t，RIS采用BPSK的调制方法，即c_k＝{+1,-1}，c_k表示发送给用户k的信息且来自于有线的回程线路，对应的相位偏移矩阵是

RIS发送信息符号的周期是宏基站端发送信息符号的周期的Q倍，Q为正整数，记C＝{c₁,c₂,...,c_K}为所有用户符号的集合，RIS引入到信道的相位偏移矩阵为

在保证宏基站服务的用户的最低通信速率需求

的前提下，以最大化所有用户最小的通信速率为目标，优化RIS端被动式波束赋形矩阵

建立优化问题如下：

|Φ_n,n|≤1,n＝1,2,...,N

其中R_k是用户k解c_k的速率，R₀是用户0的平均速率的上界，R_k,s是用户k解s(n)的平均速率上界，向量符号

第一个约束是宏基站服务的用户通信速率的QoS要求，第二个约束保证小型蜂窝网络中各用户能实现串行干扰消除，最后一个约束为RIS的被动式反射约束，优化问题详细表达式为：

|Φ_n,n|≤1,n＝1,2,...,N

其中，l为宏基站与智能反射表面之间的信道，h_k为智能反射表面与微小区中用户k间的信道，h₀为智能反射表面与宏用户0之间的信道，g₀为宏基站与宏用户0之间的信道，g_k为宏基站与微小区中用户k间的信道，

为用户0处的加性高斯白噪声功率，

为用户k处的加性高斯白噪声功率；

通过求解上述优化问题即可得到

Images