IRS辅助MIMO信道改进方法、系统、存储介质和电子设备

本发明涉及mimo通信，具体涉及一种irs辅助mimo信道改进方法、系统、存储介质和电子设备。

背景技术：

1、由于无线通信的流量需求呈爆炸性增长，提高空间复用增益被认为是提高无线通信频谱效率的关键途径。目前，在发射机和/或接收机处配备大规模天线阵的大规模多输入多输出(mimo)已部署在第五代(5g)移动通信系统中。其中，条件数定义为信道矩阵中的最大与最小特征值之比，表明了信道的多径丰富性，影响mimo通信系统中的的分集与复用性能，这为近场mimo信道的多流传输的高效表征提供了洞察依据。

2、为了提高条件差的近场mimo信道的条件数，在以往的研究方案中，最初试图通过优化在视距(los)环境下的均匀线阵(ula)和均匀圆阵(uca)的天线位置，收发端的俯仰角、方位角以及大偏移距离情况，以增加该系统下的空间复用增益。对于毫米波(mmwave)系统，提出了两级空间复用的概念，通过设计路径内以及路径间的天线间距，联合利用其路径内和路径间的空间复用增益，并基于几何分析结果设计出最优的阵列间距。

3、具体来说，就是在losmimo系统中，首先推导出了球面波和平面波模型来近似的区域，以及研究了不同天线间距下的阵列响应矢量、两种空间复用的信道和系统模型，证明了这两种空间多路复用可以被共同利用，并识别出它们对系统设计的不同要求。其中，路径内空间复用是利用球面波传输模型，路径间空间复用是利用平面波传输模型，为了同时满足这两种传输需求，提出了一个具有多个宽间隔子阵列的系统。该系统将这两种空间多路复用合并到组合信道模型中，并与混合波束形成结构进行连接起来，并通过一个2个子阵列的场景来验证所提出的方案，该方案支持这种在发射机和/或接收机上的两个子阵列的两级空间多路复用，实现了比传统系统更高阶的空间多路复用。

4、然而在实际场景中，接收器的位置始终处于动态变化，并且不同接收机的阵列尺寸也不完全相同，会使得最佳阵列或天线间距也随收发器的位置而变化。而实际部署时天线面板的尺寸是固定不变的，这会导致通过原有技术设计的天线间距或者子阵间距并不是最优的，条件数以及传输的数据流的个数也不是最优的。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种irs辅助mimo信道改进方法、系统、存储介质和电子设备，解决了接收器的位置变化以及不同接收机具有不同阵列尺寸影响条件数以及传输的数据流的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种irs辅助mimo信道改进方法，包括：

6、s1、构建irs辅助的点对点近场mimo系统；

7、s2、在所述点对点近场mimo系统中，以最小化条件数为目标，在发射机tx和接收机rx之间调整irs的反射相位；其中，采用数学变换将关于变量irs反射相移矩阵θ的隐式表达式转换为其显式表达式，并通过最大化最小优化的方法，获取最优相位。

8、优选的，所述mimo信道改进方法，还包括：

9、s3、根据条件数提升后irs辅助的等效近场mimo信道，采用奇异值分解svd方法获取最佳的发射和接收波束成型矩阵。

10、优选的，所述s2中关于条件数的数学模型，包括：

11、以最小化条件数为目标的第一目标函数：

12、

13、

14、θ＝diag{v}

15、

16、其中，cond表示条件数，用于描述mimo信道的空间特性；λmax和λmin分别表示从tx到rx总的信道矩阵htot的最大特征值和最小特征值；对角矩阵θ＝diag{v}表示反射相移矩阵，v表示矩阵对角线元素；θl表示irs第l个元件上的相位，共计l个元件；表示复数集合；

17、以及表征irs的单位模量约束的约束条件：

18、

19、其中，|vl|表示复数vl的幅值。

20、优选的，所述s2中采用数学变换将关于变量irs反射相移矩阵θ的隐式表达式转换为其显式表达式，将条件数等价转化为总信道htot的迹，包括：

21、以最小化信道矩阵的迹为目标的第二目标函数：

22、

23、htot＝fhθg+h

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、其中，tr表示矩阵的迹；表示信道矩阵htot的共轭转置；h、g、f分别表示tx-rx链路、tx-irs链路和irs-rx链路的信道；βtr、βti、βir≥0分别表示tx-rx链路、tx-irs链路和irs-rx链路的rician因子；分别表示对应的nlos链路信道部分，且服从瑞利分布；rmn、rln、rml分别表示发射天线n和接收天线m、发射天线n和irs无源元件l、irs无源元件l和接收天线m之间的传输距离，共计m接收天线，n个发射天线；λ表示波长；

31、以及表征irs的单位模量约束的约束条件

32、

33、优选的，无直接链路的场景下，采用最大最小化方法获取所述最优相位，具体如下：

34、优化关于信道矩阵htot的数学模型，包括：

35、

36、

37、则等价于

38、

39、其中，a＝αmaxil，并且αmax是矩阵ξ的最大特征值；f(v|vi)表示根据第i个解，在第i+1次迭代时函数的上限；当f(v|vi)与点vi处的一阶导与原始目标函数的一阶导相同，每次迭代中求出的解的序列将使目标函数的值单调减小，则等价于

40、由于vhv＝l，vhξv＝lαmax是常数，则等价于其中ci＝(αmaxil-ξ)vi；

41、最终获取问题最优解：

42、

43、其中，v★表示irs的最优相位；∠(ci)表示返回复值ci的角度。

44、优选的，同时存在直接和反射链路的场景下，采用最大最小化方法获取所述最优相位，具体如下：

45、优化关于信道矩阵htot的数学模型，包括：

46、

47、定义为矩阵q的对角线元素的集合；

48、由q＝[[q]1，1，…，[q]l，l]t，那么tr(θq)＝vtq，tr(θhqh)＝qhv*；

49、则等价于

50、

51、其中，a＝αmaxil，并且αmax是矩阵ξ的最大特征值；f(v|vi)表示根据第i个解，在第i+1次迭代时函数的上限；当f(v|vi)与点vi处的一阶导与原始目标函数的一阶导相同，每次迭代中求出的解的序列将使目标函数的值单调减小，则等价于

52、由于vhv＝l，vhξv＝lαmax是常数，则等价于其中

53、最终获取问题最优解：

54、

55、其中，v★表示irs的最优相位；∠(ci)表示返回复值ci的角度。

56、一种irs辅助mimo信道改进系统，包括：

57、构建模块，用于构建irs辅助的点对点近场mimo系统；

58、第一优化模块，用于在所述点对点近场mimo系统中，以最小化条件数为目标，在发射机tx和接收机rx之间调整irs的反射相位；其中，采用数学变换将关于变量irs反射相移矩阵θ的隐式表达式转换为其显式表达式，并通过最大化最小优化的方法，获取最优相位。

59、优选的，所述mimo信道改进系统还包括：

60、第二优化模块，用于根据条件数提升后irs辅助的等效近场mimo信道，采用奇异值分解svd方法获取最佳的发射和接收波束成型矩阵。

61、一种存储介质，其存储有用于irs辅助mimo信道改进的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行上所述的irs辅助mimo信道改进方法。

62、一种电子设备，包括：

63、一个或多个处理器；

64、存储器；以及

65、一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上所述的irs辅助mimo信道改进方法。

66、(三)有益效果

67、本发明提供了一种irs辅助mimo信道改进方法、系统、存储介质和电子设备。与现有技术相比，具备以下有益效果：

68、本发明通过将智能无线电环境集成到网络优化问题中，irs辅助的无线网络有望改变当前的网络优化范式，可以通过在发射机和接收机之间灵活部署irs，来增加可控的多路径来实时地改善条件数较差的mimo信道的条件数，不需要考虑发射机和接收机的距离，以及阵列尺寸等因素。通过设计irs上元件的相位，提升近场下irs辅助的mimo信道的条件数，并以此提升mimo通信系统在一个时频单元上传输更多的数据，以及分集等性能。