一种基于可重构像素天线阵列的多用户广播通信方法

本发明属于无线通信，具体涉及一种基于可重构像素天线阵列的多用户广播通信方法。

背景技术：

1、多天线技术是现代无线通信系统中的重要支撑技术之一。通过在发射端或接收端配置多根天线，通信系统能够充分利用空间维度资源，从而显著提升频谱效率、传输可靠性以及系统容量。现有的多天线系统通常采用固定位置天线（fixed-position antenna,fpa）结构。该类天线阵列在部署完成后，各天线单元的位置和阵列几何结构保持不变，难以根据瞬时信道状态的变化进行灵活调整，因而带来的性能增益相对受限。为了克服上述不足，学术界近年来提出了流体天线系统（fluid antenna system, fas）。该类系统将天线辐射特性视为一种可重构的物理层资源，通过改变天线的位置或形状，使无线系统能够根据信道条件动态调整辐射状态，从而提供额外的空间自由度。可移动天线（movable antenna,ma）是流体天线的一种典型实现形式，其核心原理是通过动态移动天线位置来优化无线信道条件，从而提升通信性能。然而，该类天线通常依赖机械装置实现位置调整，其移动速度受限于硬件本身，难以满足快速时变无线信道下的实时重构需求。同时，机械移动方式还存在结构复杂、集成困难、维护成本高等问题，进一步限制了其在实际无线通信系统中的应用。

2、近年来，可重构像素天线（reconfigurable pixel antenna, rpa）作为流体天线系统的另一种实现方式逐渐受到关注。可重构像素天线通常由大量紧密排列的金属像素单元构成，相邻像素单元之间通过射频开关进行连接。通过改变各像素单元之间的连接状态，可以动态调节天线表面的电流分布，从而形成不同的辐射状态。现有研究表明，这一开关切换过程可在微秒量级内完成。因此，可重构像素天线有望在保持机械可移动天线空间重构优势的同时，克服其机械移动速度慢、实现复杂度高的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的主要内容是提出一种基于可重构像素天线阵列的多用户广播通信方法，涉及系统结构、多用户广播通信流程、基站端候选天线激活状态与发射波束赋形联合设计方法等。

2、本发明的技术方案为：

3、本发明采用的技术方案为基于可重构像素天线阵列的多用户下行广播通信系统，系统结构如图1所示，由一个配置可重构像素天线阵列（reconfigurable pixel antennaarray, rpaa）的基站（base station, bs）以及k个单天线用户（用户 1～k）构成。所述可重构像素天线阵列由个可重构像素天线单元组成，每个可重构像素天线单元内包含根候选天线，整个阵列可采用全连接（fully connected-rpaa, fc-rpaa）或部分连接（partially connected-rpaa, pc-rpaa）架构。在全连接架构中，基站侧射频链路通过开关网络与整个像素天线阵列相连，可在全阵列范围内灵活激活候选天线；在部分连接架构中，每条射频链路仅连接一个像素天线单元，至多激活所连像素天线单元内一根候选天线。

4、本发明具体方法为：

5、基站首先发送导频信号，各用户根据接收到的导频信号进行下行信道估计，并将估计得到的信道状态信息反馈给基站；

6、基站根据各用户反馈的信道状态信息和阵列连接结构对可重构像素天线阵列中的候选天线激活状态以及发射波束赋形方案进行联合设计，从而配置适用于当前信道条件的发射天线阵列；具体是，建立基站侧的候选天线激活状态和发射波束赋形联合配置问题为：

7、，

8、其中，是用户k的速率，是发射波束赋形向量，是基站最大发射功率，是候选天线激活状态的天线选择矩阵，是被激活候选天线总数，是最小间距长度范围内的候选天线数量，是载波波长，约束表示在部分连接架构下所额外附加的每个可重构像素天线单元内至多激活一个候选天线的约束；通过求解联合配置问题得到天线激活和波束赋形方案；

9、基站向系统内用户发送公共广播信号，各用户对接收到的广播信号进行解调，从而完成多用户广播通信。

10、具体的，定义基站的发送信号为，s表示基站广播的信息符号，表示发射波束赋形向量，用户k接收到来自基站的广播信号为，其中，为基站到用户k的信道向量，为天线选择矩阵对应的对角矩阵，为用户k处的加性高斯白噪声并服从分布；得到用户k接收信号的信噪比为，从而得到用户k的速率为。

11、具体的，联合配置问题的具体求解方法是交替优化求解方法，具体是在给定候选天线激活状态的条件下，结合半正定松弛方法，将子问题转化为半正定规划问题，并采用二分搜索方法求得当前天线激活状态下的最优波束赋形向量；在给定波束赋形向量的条件下，采用连续松弛和逐次凸近似方法，更新天线激活矩阵；迭代直至收敛，得到最终的天线激活和波束赋形方案。

12、本发明的有益效果为：相较于传统固定位置天线，本发明所提方法可以显著提高广播系统中最差用户的接收性能，从而提升系统公平性；相较于机械可移动天线方案，本发明采用电子开关实现天线辐射状态重构，无需依赖机械运动结构，因而具有切换速度快、实现复杂度低、以及成本较低等优点。通过仿真验证，所提方案能够有效提升多用户广播系统公共信息传输速率，其中部分连接架构能够在较低硬件复杂度下实现性能提升，全连接架构能够较好地接近理想可移动天线系统的性能上界，因此本发明具有重要的实用价值和发展潜力。

1.一种基于可重构像素天线阵列的多用户广播通信方法，用于多用户下行广播通信系统，其特征在于，定义通信系统包括一个配置可重构像素天线阵列的基站和k个单天线用户，可重构像素天线阵列由个可重构像素天线单元组成，每个可重构像素天线单元内包含根候选天线，天线阵列采用全连接架构或部分连接架构；所述通信方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于可重构像素天线阵列的多用户广播通信方法，其特征在于，定义基站的发送信号为，s表示基站广播的信息符号，表示发射波束赋形向量，用户k接收到来自基站的广播信号为，其中，为基站到用户k的信道向量，为天线选择矩阵对应的对角矩阵，为用户k处的加性高斯白噪声并服从分布；得到用户k接收信号的信噪比为，从而得到用户k的速率为。

3.根据权利要求1所述的基于可重构像素天线阵列的多用户广播通信方法，其特征在于，联合配置问题的具体求解方法是交替优化求解方法，具体是在给定候选天线激活状态的条件下，结合半正定松弛方法，将子问题转化为半正定规划问题，并采用二分搜索方法求得当前天线激活状态下的最优波束赋形向量；在给定波束赋形向量的条件下，采用连续松弛和逐次凸近似方法，更新天线激活矩阵；迭代直至收敛，得到最终的天线激活和波束赋形方案。