[发明专利]一种智能反射面辅助的无线通信系统

说明书

本发明公开了一种智能反射面辅助的无线通信系统。该系统包括智能反射面IRS、混合接入点H‑AP和用户端，其中混合接入点设置多根天线，用于传输信号给用户，智能反射面配备多个反射单元，利用反射单元将来自混合接入点H‑AP的信号反射传输给用户，用户端设置包含配备单天线的多个无线设备，以接收来自混合接入点H‑AP或者智能反射面传送的信号；其中通过构建对下行阶段的混合接入点H‑AP的能量波束成形、上行阶段的混合接入点H‑AP的信息接收波束成形、智能反射面在能量和信息传输的相移和时间分配的联合优化问题来最大化上行信息传输速率。利用本发明提升了通信系统吞吐量并且算法优化过程收敛速度快。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种智能反射面辅助的无线通信系统。

背景技术

在当代的移动通信技术中，大量互联网设备被连接到无线网络，因而高传输速率和低延时的网络设计已经成为信息时代的需求之一。目前，如多接入多输出的大规模天线技术或波束成形技术已经被应用到网络中以满足这一需求。但是这些技术无法有效处理信号传输路径中存在的一定阻塞或者高路径的损耗的情况。而传统的中继器方法由于对计算能力的需求较大，增加了整个通信系统的损耗。

随着超材料和超平面的发展，配置无线信道并且能够受控的反射信号的智能反射面(IRS)已经成为解决这一问题的较好方案之一。智能反射面是一种低成本的由多个被动的无源反射元件组成的平面，可以同时反射上下行信号。并且由于智能反射面具有轻巧的特点，可以轻松集成到建筑物的表面或者移动的物体中。同时，只需要对智能反射面的相位或者幅度进行调制就可以使接收端更好的收到信号，提高了通信质量。

在现有技术中，文献“Optimized energy and information relaying in self-sustainable irs-empowered wpcn”(DOI:10.1109/TCOMM.2020.3028875)提出了一种包含单天线的H-AP(混合接入点)和多个单天线的无线设备的无线通信系统。该文献提出了时间切换和功率分配的方案，其中IRS可以通过在TS方案中的能量收集和信号反射之间切换或在PS中调整其反射幅度来从H-AP的信号中收集能量。

文献“Intelligent reflecting surface assisted wireless poweredcommunication networks”(DOI:10.1109/WCNCW48565.2020.9124775)提出了一种包含多天线的H-AP和多个单天线的无线设备的无线通信系统。通过构建H-AP到无线设备之间的波束成形来提供额外的链路，然后通过优化能量收集的相位矩阵和信息传输的相位矩阵来使传输速率最大化。

在目前的5G时代，得益于许多关键技术如超密网络(UDN)，大规模多输入多输出(MIMO)，毫米波(mmWave)等，已经实现了超多设备的无线连接，但是在这种网络环境下，高能耗和高复杂度等问题仍未完全解决。此外，由于信号传播本身的随机性和不可控制性，在一些情况下，接入点和设备之间可能存在一定的阻塞。基于以上原因，采用了智能反射面(IRS)，通过调整IRS元件的相位和振幅可以主动调整信号的传输，从而为信号传输开辟新的低损耗的路径，以提高无线链路的性能。现有的使用源中继或者反向散射通信来降低无线链路的方法与IRS相比都有一定的局限性。首先，源中继通常以半双工模式进行工作，而IRS不使用任何的发射模块，可以以全双工的方式工作，所以源中继在频谱效率或者技术成本上都不如IRS。其次，相对于反向散射通信，IRS本身并不发送自身的任何信息，而反向散射通信需要在接收端实现干扰的消除用于解码标签，所以在IRS辅助的通信环境下直接路径信号或者反射路径信号都可以携带相同的有用信息，可以在接收端相干增强解码的信号强度。然而，在H-AP和无线设备之间的路径存在较高损耗或者阻塞的情况下，目前基于智能反射面辅助的无线通信网络的性能还有待改进。

发明内容