一种基于毫米波MIMO系统上行链路的波束赋形设计方法与流程

一种基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法
技术领域
1.本发明涉及一种适用于可重构超表面辅助毫米波大规模mimo系统上行链路中被动波束赋形的设计方法，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着手机、平板等移动设备数量的迅猛增加，人们对数据传输速率的要求也越来越高，这就促使移动通信领域发展迅速。目前，第五代移动通信系统（5g）的相关研究正在积极展开。其中，5g物理层核心技术之一为大规模mimo。通过在基站处部署大量的天线，大规模mimo系统可以利用额外的自由度，并行传输多个数据流，同时提高分集增益，从而可以极大的增加频谱利用率、提高传输可靠性并改善系统的能量效率。
3.由于需要传输的数据越来越多，在传输过程中难免会造成一些信号的损耗。为了改善接收端的接收信号，可以在基站处对信号进行预处理。在传统的大规模mimo系统中可以使用混合波束赋形，虽然可以改善系统的性能，但是在毫米波信道中，由于信号易被遮挡，当用户到基站之间没有直达径时，系统损耗将会急剧上升。通过使用可重构超表面辅助大规模mimo通信，将传统的模拟波束赋形放在可重构超表面处，系统的频谱效率将会大大提升。在“zeng s, zhang h, di b, et al. reconfigurable intelligent surface (ris) assisted wireless coverage extension: ris orientation and location optimization [j]. ieee communications letters, 2021, 25(1): 269
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73”中，指出在可重构超表面辅助的大规模mimo下行链路系统中，加入可重构超表面能够有效提升系统覆盖范围，证明了在大规模mimo系统中加入可重构超表面的可行性。
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然而混合波束赋形存在的挑战之一是：模拟波束赋形具有恒模约数，导致整个优化问题非凸，很难求解。


技术实现要素：

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发明目的：针对毫米波大规模mimo系统中信号易被遮挡问题，本发明提出一种基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法，该方法适用于毫米波系统，能够有效提高系统频谱效率。
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技术方案：一种基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法，包含以下步骤：步骤s1：在大规模mimo系统的上行链路中，基站配置根天线，可重构超表面有个反射单元，可重构超表面辅助基站为个单天线用户提供服务；步骤s2：初始化可重构超表面反射单元相位；步骤s3：对可重构超表面的个反射单元的相位做循环；步骤s4：计算等效信道容量对每个可重构超表面反射单元相位的偏导数，
表示第个反射单元的相位，表示偏导数符号；步骤s5：根据步骤s4计算所得偏导数，更新反射单元的相位值；步骤s6：根据步骤s5中更新所得的反射单元相位值计算可重构超表面相移矩阵；步骤s7：计算当前可重构超表面条件下的等效信道容量及系统频谱效率；步骤s8：重复步骤s3
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s7，直至收敛。
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优选的，步骤s4中计算偏导数的具体步骤为：步骤401：计算等效信道容量：其中，是单位阵；表示用户到基站的信道；表示可重构超表面到基站的信道；表示可重构超表面反射单元相移矩阵；表示用户到可重构超表面的信道；步骤402：计算等效信道容量对可重构超表面所有反射单元相位的偏导数：其中，表示等效信道容量对第个可重构超表面反射单元相位的偏导数，表示为：其中，，且：。
[0008]
优选的，步骤s5中根据计算的偏导数值更新可重构超表面反射单元的相位值，其具体步骤为：根据初始相位，迭代步长以及迭代方向得到下一个迭代点的值：其中，表示迭代次数，，表示最大迭代次数；当时，表示初始相位；表示迭代步长；表示迭代方向；表示下一迭代点相位的值；
优选的，步骤s7中计算系统频谱效率的具体步骤为：步骤701：根据步骤s4中计算等效信道容量公式，计算当前可重构超表面的等效信道容量；步骤702：计算第个用户的信干噪比为：其中，；为euclidean范数；表示噪声协方差矩阵，且为单位阵；表示第个用户到基站的直达径；表示第个用户到可重构超表面的信道；步骤703：计算系统的频谱效率：优选的，步骤s8中的收敛条件为：当系统的频谱效率最大时所对应的可重构超表面反射单元的相移矩阵即为所要求的最佳的反射单元相移矩阵。
[0009]
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法方法，具有如下优点：（1）覆盖范围广，本发明所提出方案可以有效扩大系统覆盖范围，提升小区边缘用户通信性能；（2）频谱效率高，本发明所提出方案能有效提高系统的频谱效率；（3）复杂度较低，本发明所提出的方案复杂度低、收敛速度快。
附图说明
[0010]
图1为本发明实施例的实施流程图；图2为本发明中可重构超表面辅助毫米波大规模mimo系统上行链路的发射端接收端框图。
具体实施方式
[0011]
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0012]
如图1所示，一种基于毫米波mimo系统上行链路的波束赋形设计方法，设小区内用户数目为，每个用户仅配备1根收发天线，基站侧配置根接收天线，可重构超表面反射单元个数为，系统模型图如图2，从图2中可以看出，基站接收到的信号一部分是从用户直接到基站，另一部分是从用户到可重构超表面再到基站。基站接收到的信号可以表示为：
其中，表示用户发送信号的功率；是用户到基站的等效信道；表示可重构超表面到基站的信道；表示可重构超表面的反射单元相移矩阵，，，表示反射相位且，表示反射信号的幅值且，假设信号在反射过程中没有衰减，所以；表示用户到基站之间的直达径；表示第个用户发送的信号，均值为0，方差为1，；是信道中的加性高斯白噪声，，，服从零均值，协方差矩阵为的循环对称复高斯分布。
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具体包含以下8个步骤：第一步、在大规模mimo系统的上行链路中，基站配置根天线，可重构超表面有个反射单元，可重构超表面辅助基站为个单天线用户提供服务。
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第二步、初始化可重构超表面反射单元相位。
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第三步、对可重构超表面的个反射单元的相位做循环。
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第四步、计算等效信道容量对每个可重构超表面反射单元相位的偏导数，表示第个反射单元的相位，表示偏导数符号；具体步骤为：步骤401：计算等效信道容量：其中，是单位阵；表示用户到基站的信道；表示可重构超表面到基站的信道；表示可重构超表面反射单元相移矩阵；表示用户到可重构超表面的信道；步骤402：计算等效信道容量对可重构超表面所有反射单元相位的偏导数：其中，表示等效信道容量对第个可重构超表面反射单元相位的偏导数，表示为：
其中，，且：。
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第五步、根据第四步计算所得偏导数，更新反射单元的相位值，具体步骤为：根据初始相位，迭代步长以及迭代方向得到下一个迭代点的值：其中，表示迭代次数，，表示最大迭代次数；当时，表示初始相位；表示迭代步长；表示迭代方向；表示下一迭代点相位的值；第六步、根据步骤五中更新所得的反射单元相位值计算可重构超表面相移矩阵，具体步骤为：根据第五步计算的相位，得到；第七步、计算当前可重构超表面条件下的等效信道容量及系统频谱效率，具体步骤为：步骤701：根据步骤四中计算等效信道容量公式，计算当前可重构超表面的等效信道容量；步骤702：计算第个用户的信干噪比为：其中，；为euclidean范数；表示噪声协方差矩阵，且为单位阵；表示第个用户到基站的直达径；表示第个用户到可重构超表面的信道；步骤703：计算系统的频谱效率：。
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第八步、重复步骤三、四、五、六、七，直至收敛，具体步骤为：当系统的频谱效率最大时所对应的可重构超表面反射单元的相移矩阵即为所要
求的最佳的反射单元相移矩阵。
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表1为本发明实施例的收敛性能结果表。仿真参数中，路径损耗指数为2.8，载波频率为，天线间距为，doa（离开角）在上服从均匀分布，aoa（到达角）在上服从均匀分布。
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第一种情况可重构超表面反射单元数目，随着迭代次数的增加，系统的频谱效率提升1.6，迭代2次后逐渐收敛。
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第二种情况可重构超表面反射单元数目，随着迭代次数的增加，系统的频谱效率提升3.7，迭代2次后逐渐收敛。
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第三种情况可重构超表面反射单元数目，随着迭代次数的增加，系统的频谱效率提升6.9，迭代3次后逐渐收敛。
[0023]
表1
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收敛性能结果表尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。