无线波束形成与可重构智能表面gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

定制的传播环境gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba可重构智能表面(里斯期)一直是一个吸引人的领域为无线通信和对未来一代网络提供了新的见解。这些轻量级的和具有成本效益的电子元素一直被视为一个改变游戏规则的技术,传统的通信系统耗电和复杂的硬件设计(gydF4y2BaBasar et al ., 2019gydF4y2Ba)。特别是,里斯期可编程metasurfaces能够配置的传播环境以期望的方式gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba表演反射、放大、吸收、折射等。gydF4y2Ba迪伦佐·et al ., 2020gydF4y2Ba)。然而,大多数现存的文献特别关注RIS的应用与被动反映在各新兴系统(gydF4y2BaBasar et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba迪伦佐·et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba龚et al ., 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

在早期的研究中,一个被动的RIS部署提高传输信号质量的单天线(gydF4y2BaBasar 2019gydF4y2Ba)和复合天线系统(gydF4y2BaYu et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2BaYigit et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2020gydF4y2Ba)。在后续的研究中,许多目标的RIS是单用户和多用户系统,如促进节能(gydF4y2BaBjornson et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba黄et al ., 2019gydF4y2Ba),提高误差性能(gydF4y2Ba费雷拉et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba你们et al ., 2020gydF4y2Ba)和改善实现率(gydF4y2BaDi et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba张、张,2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaPerovićet al ., 2021gydF4y2Ba)。此外,小说深上优于被动RIS的解决方案设计(gydF4y2Ba茶室和麦凯,2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaTaha et al ., 2021gydF4y2Ba)和安全增强RIS-aided通信系统(gydF4y2Ba沈et al ., 2019gydF4y2Ba),(gydF4y2BaAlmohamad et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba盾和王出版社,2020年gydF4y2Ba提出了)。另一方面,调制指数(IM)的原则,这是成为一个有前途的节能解决方案满足未来无线网络的传输实现高数据传输速率需求(gydF4y2BaBasar et al ., 2017gydF4y2Ba),是实益并入了RIS-empowered通信(gydF4y2BaBasar 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba李et al ., 2021gydF4y2Ba)。考虑更传统的IM设计(gydF4y2BaBasar 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba李et al ., 2021gydF4y2Ba),提出RIS-aided接收即时通讯方案,最大化目标的信号权力接收天线。然而,在(gydF4y2Ba郭et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba林et al ., 2020gydF4y2Ba),小说反射调制(RM)的概念,创新利用里斯提供额外的信息,建议。最重要的是,上述研究的主要局限是缺乏全面实用的见解认为系统配置。朝着这一目标,一个低联合优化波束形成,认为硬件损伤的影响的性能RIS-aided multi-antenna系统调查(gydF4y2Ba沈et al ., 2021gydF4y2Ba),不同的RIS原型介绍了实时实现(gydF4y2Ba戴et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba唐et al ., 2020gydF4y2Ba),和现实的物理信道模型对毫米波(mmWave) (gydF4y2BaBasar et al ., 2021gydF4y2Ba)和增速低于GHz频段(gydF4y2BaYigit et al ., 2021 agydF4y2Ba;gydF4y2BaKilinc et al ., 2021gydF4y2Ba提出了)。然而,上述系统设计受到乘法路径衰减由于固有的缺点RIS-aided设计,在传统的通信系统,实现微不足道的性能收益。gydF4y2Ba

最近,应对上述挑战,积极的RIS的概念,它执行同步放大在入射波和反射,介绍了(gydF4y2Ba长et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba)。因此,反映元素的大小和阶段RIS的活跃,配备额外的功率放大器,以定制的方式适当调整(gydF4y2BaBasar和贫困,2021年gydF4y2Ba)。因此,代价是额外的功耗,活跃RIS-aided系统能够实现增强能力收益(gydF4y2Ba长et al ., 2021gydF4y2Ba)。在最近的一项研究设计活跃里斯期,gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba利用功率放大器和射频(RF)链(gydF4y2Ba阮et al ., 2022gydF4y2Ba)、动态和固定混合RIS体系结构构造。进一步,为提高数据率,一个新的RM设计,拥有混合RIS的群体信息传递单元,提出了(gydF4y2BaYigit et al ., 2021 bgydF4y2Ba)。在后续的研究中,活跃的概念RIS部署RIS-aided波束形成优化的多用户系统(gydF4y2Ba高et al ., 2022gydF4y2Ba;gydF4y2BaThanh阮et al ., 2022gydF4y2Ba)。最重要的是,活跃的RIS-aided系统实现的潜力巨大的性能提升将使为未来的研究开发有前途的解决方案。gydF4y2Ba

在这项研究中,与传统的预编码技术,采用耗电和hardware-complex设备(gydF4y2BaSohrabi和Yu, 2016年gydF4y2Ba),RIS-aided多用户下行传输系统,我们提出一种新颖的gydF4y2Ba无线波束形成gydF4y2Ba技术的帮助下积极RIS利用其能力操纵入射波的大小。换句话说,无线波束形成方案的主要动机是为了简化发射机和接收机的整体网络而转移完全积极的RIS inter-user干扰消除的任务。因此,本文提出了两个新的无线波束形成方案,减轻对发射机和接收机信号处理的负担。在提出无线beamforming-based传输方案,假设一个multi-antenna发射机gydF4y2BaKgydF4y2Ba单天线用户通过一个活跃的RIS没有利用任何其他发射机和接收机信号处理任务。活跃的RIS的反射系数是合理调整sum-rate最大化的整体系统。此外,灵感来自这个无线波束形成的概念,一个新的接收即时通讯方案,传递附加信息部分指定的索引有效接收天线也提出了。与传统的接收即时通讯系统(gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba罗et al ., 2021gydF4y2Ba),在该系统,因为没有预编码应用在发射机,活跃的反射系数RIS纠正引导事件信号到接收天线。另一方面,自收到我计划受益multi-antenna传播在用户侧和IM在接收机端系统设计,它显示的有利特性,如高频谱效率和提高性能。在这些提议无线下行波束形成和无线上行接收即时通讯方案,优化反射系数的活跃里斯期,两个截然不同的半定松弛(SDR)制定的优化问题,可以有效地解决CVX凸优化工具箱(gydF4y2Ba格兰特和博伊德,2008gydF4y2Ba)。此外,实现率和误比特率(BER)性能的无线beamforming-based传输方案是通过大量的计算机模拟研究。gydF4y2Ba

剩下的纸是组织如下。给一个简短的审查后,在第二节的传统zero-forcing (ZF)预编码,介绍了系统模型的提出无线beamforming-based多用户multi-antenna传输方案。在第三节中,无线beamforming-based接收即时通讯方案及其低接收机检测介绍了。第四部分提供了可实现的速率和误码率的结果提出无线波束形成传输系统为基础,和第五部分的结论是。gydF4y2Ba

符号:gydF4y2Ba在这篇文章中,矩阵和向量用黑体大写粗体小写字母,分别(⋅)gydF4y2Ba^TgydF4y2Ba代表转置和(⋅)gydF4y2Ba^HgydF4y2Ba表示厄密共轭转置操作。gydF4y2Ba $‖\cdot gydF4y2Ba‖$ 、等级(⋅)、Tr(⋅)和诊断接头(⋅)代表等级,分别跟踪和矩阵的对角化。绝对值的一个标量用|⋅|,虽然◦代表了阿达玛的产品。gydF4y2Ba $\mathbb{EgydF4y2Ba}\left\{\cdot gydF4y2Ba\right\}$ 和用于期待gydF4y2Ba $\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathrm{\mu gydF4y2Ba},gydF4y2Ba{\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ 代表了一个复杂的高斯随机变量gydF4y2BaμgydF4y2Ba均值和gydF4y2BaσgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba方差。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba代表单位矩阵,gydF4y2Ba $\mathcal{OgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\cdot gydF4y2Ba)gydF4y2Ba$ 代表大gydF4y2Ba $\mathcal{OgydF4y2Ba}$ 符号。gydF4y2Ba

2无线和RIS波束形成gydF4y2Ba

在本节中,在回顾传统传输预编码,介绍了无线波束形成概念,对于多用户多输入多变量(味噌)下行传输系统。gydF4y2Ba

2.1传统传输预编码gydF4y2Ba

考虑一个典型的多用户下行传输系统没有RIS,一个基站(BS)发射机(T)gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba假定天线执行ZF之间预编码来减轻干扰gydF4y2BaKgydF4y2Ba单天线用户(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba)。让gydF4y2Ba $\mathbf{FgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{KgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}=gydF4y2Ba\sqrt{{\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}}\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathbf{FgydF4y2Ba}}$ 代表的信道矩阵T和用户之间的直接联系,gydF4y2Ba $\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathbf{FgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{KgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}$ 被建模为独立的瑞利衰落信道矩阵gydF4y2Ba $\sim gydF4y2Ba\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathbf{0gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathbf{我gydF4y2Ba})gydF4y2Ba$ 和gydF4y2BalgydF4y2Ba_DgydF4y2Ba是相应的路径衰减,计算的是哪一个gydF4y2Ba ${\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{0gydF4y2Ba}}{\mathrm{dgydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}^{-gydF4y2Ba{\mathrm{\beta gydF4y2Ba}}_{\mathrm{DgydF4y2Ba}}}$ ,在那里gydF4y2BaCgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba参考路径衰减的距离1米(m)和gydF4y2BadgydF4y2Ba_DgydF4y2BaT和用户之间的距离。然后,接收到的信号的gydF4y2BakgydF4y2Bath用户(UgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba),gydF4y2Ba $\mathrm{kgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{1、2gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\mathrm{KgydF4y2Ba}\right\}$ ,成为gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaxgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba作为一个gydF4y2Ba米gydF4y2Ba必要相移键控(相移键控)是传输信号gydF4y2BakgydF4y2Bath传输天线。在这里,gydF4y2Ba ${\mathbf{fgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}$ 是gydF4y2BakgydF4y2Bath信道矩阵的行gydF4y2BaFgydF4y2Ba对应于你不之间的信道矢量gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba,gydF4y2Ba ${\mathbf{wgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}$ 是预编码向量UgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba和gydF4y2Ba ${\mathrm{cgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\sim gydF4y2Ba\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathrm{0gydF4y2Ba},gydF4y2Ba{\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ 在U是静态噪音吗gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba。因此,signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR)gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba可以计算为gydF4y2Ba

此外,整个传输ZF预编码矩阵,利用完美的CSI,可以获得(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba)gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba $\mathbf{WgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba\mathrm{KgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba(gydF4y2Ba{\mathbf{wgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathbf{wgydF4y2Ba}}_{\mathrm{KgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}]gydF4y2Ba$ 和gydF4y2BaζgydF4y2Ba是一个比例常数满足总功率约束gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba,这样gydF4y2Ba $\mathbb{EgydF4y2Ba}\left\{\mathbf{WgydF4y2Ba}{\mathbf{WgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}\right\}=gydF4y2Ba{\mathrm{PgydF4y2Ba}}_{\mathrm{TgydF4y2Ba}}$ 。gydF4y2Ba

2.2系统模型的无线和RIS波束形成gydF4y2Ba

后,在本节简要介绍活动RIS的概念,无线beamforming-based多用户传输系统的系统模型。gydF4y2Ba

2.2.1活跃RISgydF4y2Ba

RIS-aided通信系统的主要缺点是固有的乘法路径衰减沿RIS-aided间接联系,几乎没有补偿的RIS和被动反映元素(gydF4y2BaBasar和贫困,2021年gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba)。因此,为了克服这一挑战,RIS架构与积极反映元素,使配置的大小和相位入射波的额外的功耗,是最近提议(gydF4y2BaKhoshafa et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba)。因此,与被动里斯期不同,活跃里斯期反映入射信号放大gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba使用额外的电源电路。虽然积极反映元素有相似的功能放大事件信号的全双工amplify-and-forward (AF)继电器,其硬件结构是完全不同的。虽然房颤继电器体现为放大电路的硬件结构和他们也是外部配有高连锁能耗射频收发信号(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba),积极反映元素采用反射式功率放大器同时纠正入射波的幅度和相位(gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

2.2.2系统模型gydF4y2Ba

压倒性的文献被动RIS-aided多用户传输部署RIS的被动beamformer预处理后进行发射机(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba燕et al ., 2020gydF4y2Ba)。然而,在该无线波束形成的概念,以避免耗电发射机和用户的硬件结构,利用同步放大和反射能力的积极反映元素,都主动和被动波束形成在一个活跃的RIS进行。因此,积极RIS的反射系数进行了优化,最大限度地实现整个系统。gydF4y2Ba

鉴于在gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba在该方案,直接传输T和之间的联系gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba天线和gydF4y2BaKgydF4y2Ba单天线用户忽视由于障碍,因此,沟通是建立一个活跃的RISgydF4y2BaNgydF4y2Ba反映元素。在提出无线beamforming-based多用户传输,假设T和用户有一个完美的信道状态信息(CSI) T-RIS和RIS-users频道,这是向智能RIS控制器gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba一个反馈控制链接(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba)。此外,在传感器端,而不需要任何额外的信号处理方法干扰降低,整个信号是通过RIS传达给用户。因此,与传统的波束形成技术,采用复杂和耗电信号处理硬件(gydF4y2BaEl Ayach et al ., 2014gydF4y2Ba;gydF4y2BaSohrabi和Yu, 2016年gydF4y2Ba),RIS设计成beamformer缓解多用户干扰通过调整每个反映元素的振幅和相位。朝着这个目标,RIS元素被认为是配备了额外的功率电路修改事件的大小和相位信号(gydF4y2BaYigit et al ., 2021 bgydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2Ba阮et al ., 2022gydF4y2Ba)。此外,在拟议的系统中,由于所有传输天线同时表达自己gydF4y2Ba米gydF4y2Ba相移键控调制信号的频谱效率gydF4y2BaηgydF4y2Ba_μgydF4y2Ba=gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba日志gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba米gydF4y2Ba)(比特/秒/ Hz)。gydF4y2Ba

让我们假设矩阵并给出了T-RIS之间的通道gydF4y2Ba $\mathbf{HgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}=gydF4y2Ba\sqrt{{\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\text{TgydF4y2Ba}}}\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathbf{HgydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2Ba ${\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbf{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\sqrt{{\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}}{\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathbf{ggydF4y2Ba}}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}$ 代表之间的信道系数向量RIS和UgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba,在那里gydF4y2BalgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba和gydF4y2BalgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba对应路径衰减T-RIS和RIS-U之间gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba链接gydF4y2Ba $\mathrm{kgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{1、2gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\mathrm{KgydF4y2Ba}\right\}$ ,分别。在这里,gydF4y2BadgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba和gydF4y2BadgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba相应的距离,使用一个著名的军事模型,路径衰减了gydF4y2Ba ${\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{TgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{0gydF4y2Ba}}{\mathrm{dgydF4y2Ba}}_{\mathrm{TgydF4y2Ba}}^{-gydF4y2Ba{\mathrm{\beta gydF4y2Ba}}_{\mathrm{TgydF4y2Ba}}}$ 和gydF4y2Ba ${\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathrm{CgydF4y2Ba}}_{\mathrm{0gydF4y2Ba}}{\mathrm{dgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}^{-gydF4y2Ba{\mathrm{\beta gydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}}$ ,在那里gydF4y2BaβgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba和gydF4y2BaβgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba路径损耗指数在T-RIS RIS-U吗gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba,分别。提出系统的矩阵gydF4y2Ba $\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathbf{HgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}$ 和向量gydF4y2Ba ${\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathbf{ggydF4y2Ba}}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 都是建模为瑞利衰落信道,每个元素都是一个独立的和恒等分布的先验知识。高斯随机变量与gydF4y2Ba $\sim gydF4y2Ba\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathrm{0\; 1gydF4y2Ba})gydF4y2Ba$ 。gydF4y2Ba

此外,RIS架构,配备了额外的功率电路操作作为一个活跃的RIS (gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba),表示在一个对角矩阵gydF4y2Ba $\mathbf{\Psi gydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{诊断接头gydF4y2Ba}\left\{{\mathrm{\alpha gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}{\mathrm{egydF4y2Ba}}^{\mathrm{jgydF4y2Ba}{\mathrm{\varphi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}},gydF4y2Ba{\mathrm{\alpha gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}{\mathrm{egydF4y2Ba}}^{\mathrm{jgydF4y2Ba}{\mathrm{\varphi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathrm{\alpha gydF4y2Ba}}_{\mathrm{NgydF4y2Ba}}{\mathrm{egydF4y2Ba}}^{\mathrm{jgydF4y2Ba}{\mathrm{\varphi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{NgydF4y2Ba}}}\right\}$ ,在那里gydF4y2BaαgydF4y2Ba_ngydF4y2Ba和gydF4y2BaϕgydF4y2Ba_ngydF4y2Ba∈(−gydF4y2BaπgydF4y2Ba,gydF4y2BaπgydF4y2Ba)的振幅和相位gydF4y2BangydF4y2Bath反映元素gydF4y2Ba $\mathrm{ngydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{1、2gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}\right\}$ 。值得注意的是,由于积极反映元素能够放大事件信号,每个反映元素的大小大于团结,也就是说,gydF4y2BaαgydF4y2Ba_ngydF4y2Ba> 1。因此,对于gydF4y2Ba ${\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathrm{TgydF4y2Ba}}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}/gydF4y2Ba\mathrm{KgydF4y2Ba}$ 被分配给每个用户的发射天线的数量gydF4y2Ba ${\mathbf{xgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{{\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathrm{TgydF4y2Ba}}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}}$ 被传输到信号向量gydF4y2BakgydF4y2Ba在U th用户,接收到的信号gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba获得的是gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba $\mathbf{xgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{(gydF4y2Ba{\mathbf{xgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\text{TgydF4y2Ba}},gydF4y2Ba{\mathbf{xgydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\text{TgydF4y2Ba}},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathbf{xgydF4y2Ba}}_{\mathrm{KgydF4y2Ba}}^{\text{TgydF4y2Ba}}]gydF4y2Ba}^{\text{TgydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2Ba $\mathbb{EgydF4y2Ba}\left\{{\mathbf{xgydF4y2Ba}}^{\mathbf{HgydF4y2Ba}}\mathbf{xgydF4y2Ba}\right\}=gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}$ 。在这里,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba传输功率耗散的吗gydF4y2BakgydF4y2Bath用户,这个向量gydF4y2Ba $\mathbf{vgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 代表产生的热噪声功率放大器电路的活跃反映元素(gydF4y2BaZhang et al ., 2021gydF4y2Ba),gydF4y2BangydF4y2Ba_kgydF4y2Ba在U是静态噪声项吗gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba $\mathbf{vgydF4y2Ba}\sim gydF4y2Ba\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathbf{0gydF4y2Ba},gydF4y2Ba{\mathbf{我gydF4y2Ba}}_{\mathrm{NgydF4y2Ba}}{\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{vgydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ 和gydF4y2Ba ${\mathrm{ngydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\sim gydF4y2Ba\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathrm{0gydF4y2Ba},gydF4y2Ba{\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ 为gydF4y2Ba ${\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{vgydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2Ba ${\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}}$ 相应的噪声方差的动态和静态噪声数据,分别。此外,在用户方面,自收到叠加信号在UgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba(4)包括目标和干扰信号,它可以写成gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaHgydF4y2Ba= (gydF4y2BaHgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba,gydF4y2BaHgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba、…gydF4y2BaHgydF4y2Ba_KgydF4y2Ba),gydF4y2Ba ${\mathbf{HgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathrm{TgydF4y2Ba}}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}$ 之间的信道矩阵传输天线组专用的gydF4y2BakgydF4y2Ba用户和RIS th。此时,SINR UgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba可以计算为:gydF4y2Ba

因此,整个系统的sum-rate变得:gydF4y2Ba

然后,最大化这个sum-rate,活跃的RIS的反射系数元素进行了优化。接下来,相应的问题提出了制定和建议的解决方案。gydF4y2Ba

2.3问题制定和提出解决方案gydF4y2Ba

在无线beamforming-based多用户传输方案,干扰取消执行RIS没有使用任何额外的集成高成本的信号处理电路,如多个射频链,在T或用户。为此,RIS的反射系数调整的SINR最大化的目的gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba。因此,为了解决这个问题,以下QCQP问题是制定。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaΓgydF4y2Ba_kgydF4y2BaU的SINR最低要求gydF4y2Ba_kgydF4y2Ba,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}=gydF4y2BaKPgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}是积极引入的最大反射功率反映元素。请注意,对于无线beamforming-based多用户系统,总功率gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba是在发射机功率耗散(的总和gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba})和RIS (gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}),这是gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba=gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}+gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba},而对于传统的传播没有RIS,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba表示在发射机总功率消耗。然后,使用cauchy - schwarz不等式约束gydF4y2Ba(10)gydF4y2Ba可以写成gydF4y2Ba

因此,自问题(P1)非凸,很难获得一个最优的解决方案,我们求助于SDR技术和定义新的变量gydF4y2Ba ${\mathbf{一个gydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{HgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}{\mathbf{HgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}$ ,gydF4y2Ba ${\mathbf{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{\mathbf{kgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}{\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2BaVgydF4y2Ba=gydF4y2BavvgydF4y2Ba^HgydF4y2Ba。根据这些,的SINRgydF4y2BakgydF4y2Bath用户gydF4y2Ba(6)gydF4y2Ba可以写成gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba ${\mathbf{问gydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{一个gydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}◦gydF4y2Ba{\mathbf{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}$ ,gydF4y2Ba ${\mathbf{问gydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{一个gydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}◦gydF4y2Ba{\mathbf{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2Ba ${\mathbf{问gydF4y2Ba}}_{\mathrm{米gydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{VgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}◦gydF4y2Ba{\mathbf{BgydF4y2Ba}}_{\mathrm{kgydF4y2Ba}}$ ,而gydF4y2Ba $\mathbf{ZgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathbf{zgydF4y2Ba}{\mathbf{zgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}$ 为gydF4y2Ba $\mathbf{zgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}}$ 作为一个矢量反射矩阵的非零对角元素组成gydF4y2BaΨgydF4y2Ba,也就是说,gydF4y2Ba $\mathbf{zgydF4y2Ba}=gydF4y2Ba{(gydF4y2Ba{\mathrm{\alpha gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}{\mathrm{egydF4y2Ba}}^{\mathrm{jgydF4y2Ba}{\mathrm{\varphi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}},gydF4y2Ba{\mathrm{\alpha gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}{\mathrm{egydF4y2Ba}}^{\mathrm{jgydF4y2Ba}{\mathrm{\varphi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathrm{\alpha gydF4y2Ba}}_{\mathrm{NgydF4y2Ba}}{\mathrm{egydF4y2Ba}}^{\mathrm{jgydF4y2Ba}{\mathrm{\varphi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{NgydF4y2Ba}}}]gydF4y2Ba}^{\text{HgydF4y2Ba}}$ (gydF4y2Ba张,2017gydF4y2Ba;gydF4y2Ba你们et al ., 2020gydF4y2Ba)。因此,最大化问题(P1)等价定义为。gydF4y2Ba

在这里,gydF4y2BaZgydF4y2Ba是一个积极的semidefine矩阵和等级(gydF4y2BaZgydF4y2Ba)= 1。然而,由于一阶约束非凸,我们删除这个约束和(P2)作为凸可行性问题如下。gydF4y2Ba

最后,通过解决现有CVX工具箱(gydF4y2Ba格兰特和博伊德,2008gydF4y2Ba),一个可行的解决方案(P3)满足的不等式约束gydF4y2Ba(17)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba(18)gydF4y2Ba是获得。然而,放松后,最优解(P3)不能总是保证排名一解决方案。因此,对于gydF4y2Ba $\stackrel{̃gydF4y2Ba}{\mathbf{ZgydF4y2Ba}}$ 问题的最优解(P3),使用特征值分解gydF4y2Ba $\stackrel{̃gydF4y2Ba}{\mathbf{ZgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{UgydF4y2Ba}\mathbf{\Sigma gydF4y2Ba}\mathbf{UgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}$ ,估计gydF4y2BazgydF4y2Ba是次优的获得gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba $\mathbf{egydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 是一个高斯随机向量gydF4y2Ba $\sim gydF4y2Ba\mathcal{CgydF4y2Ba}\mathcal{NgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba\mathbf{0gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathbf{我gydF4y2Ba})gydF4y2Ba$ ,在那里gydF4y2Ba $\mathbf{UgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 是一个酉矩阵的特征向量和gydF4y2Ba $\mathbf{\Sigma gydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 是一个对角矩阵的特征值。确定优化反射矩阵之后,RIS执行无线波束形成为了减轻用户的干扰。gydF4y2Ba

3无线接收调制指数gydF4y2Ba

在本节中,提出采用无线波束形成概念小说接收即时通讯传输方案。考虑到无线波束形成方法在第二节中,给出一个单用户上行传播积极RIS-aided即时通讯传输系统。gydF4y2Ba

3.1系统模型的无线接收我gydF4y2Ba

鉴于在gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba提出了即时通讯系统,由于存在的障碍的直接链接,multi-antenna用户与一个gydF4y2BaRgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba通过一个RIS和天线接收器(R)gydF4y2BaNgydF4y2Ba反映元素。除此之外,一个RIS控制器连接的RIS交流通过反馈控制链接的信息。在拟议的系统中,考虑到IM传动原理(gydF4y2BaBasar 2020gydF4y2Ba),一个无线接收即时通讯方案。与传统的接受我计划(gydF4y2Ba斯塔夫里蒂斯et al ., 2012gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba罗et al ., 2021gydF4y2Ba),部署传输预编码技术gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba高成本的硬件设备传输信号在传输前预处理,提出接收我计划雇佣了RIS作为无线信号处理单元,并应用在RIS波束形成。无线接收我的计划,在用户方面,传统multi-antenna传播被认为是。此外,为了获得更高的数据速率,额外的信息比特转达了gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba表明有源接收天线指数。因此,传入的信息比特是用来确定调制gydF4y2Ba米gydF4y2Ba相移键控为每个可用的符号gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba发射天线,以及指定有源接收天线指数的gydF4y2BaRgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba接收天线。因此,频谱效率通过这本小说收到即时通讯方案计算gydF4y2Ba

在此系统中,有源接收天线的信息索引和完美的知识频道user-RIS和RIS-R链接用户共享的RIS通过智能控制器。然后,RIS元素的反射系数进行调整,以确保目标接收天线接收信号最强的力量。换句话说,通过积极的方式反映元素,RIS充当一种数字beamformer和引导整个信号所需的接收天线方向。gydF4y2Ba

让user-RIS和RIS-R链接之间的多路径衰落信道建模为独立的瑞利衰落信道,信道矩阵的表示gydF4y2Ba $\mathbf{HgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}$ 和gydF4y2Ba $\mathbf{GgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{{\mathrm{RgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{(gydF4y2Ba{\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\text{TgydF4y2Ba}},gydF4y2Ba{\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\text{TgydF4y2Ba}},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{{\mathrm{RgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}^{\text{TgydF4y2Ba}}]gydF4y2Ba}^{\text{TgydF4y2Ba}}$ 分别在哪里gydF4y2Ba ${\mathbf{ggydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 是gydF4y2BargydF4y2Bath信道矩阵的行gydF4y2BaGgydF4y2Ba对应向量RIS和通道gydF4y2BargydF4y2Bath接收天线,gydF4y2Ba $\mathrm{rgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{1、2gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathrm{RgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\right\}$ 。因此,对于gydF4y2BaxgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba是gydF4y2Ba米gydF4y2Ba相移键控调制信号的传播gydF4y2BatgydF4y2Bath传输天线,成为整个传输信号gydF4y2Ba $\mathbf{xgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\times gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{(gydF4y2Ba{\mathrm{xgydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathrm{xgydF4y2Ba}}_{{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}]gydF4y2Ba}^{\text{TgydF4y2Ba}}$ ,在那里gydF4y2Ba $\mathbb{EgydF4y2Ba}\left\{{\mathbf{xgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}\mathbf{xgydF4y2Ba}\right\}=gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}$ 和gydF4y2Ba $\mathrm{tgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{1、2gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\dots gydF4y2Ba,gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\right\}$ 。然后,在目标接收天线接收到的信号gydF4y2BargydF4y2Ba获得的是gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba ${\mathbf{\Psi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}$ 相应的优化对角反射矩阵吗gydF4y2BargydF4y2Bath接收天线。值得注意的是,根据传入的空间碎片,如果gydF4y2BargydF4y2Bath接收天线被激活,这是保证信号的力量gydF4y2BargydF4y2Bath接收天线是比其他人更强:gydF4y2Ba

因此,为了解决这个问题,gydF4y2BaΘgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba=诊断接头(gydF4y2BaggydF4y2Ba_rgydF4y2Ba)gydF4y2BaHgydF4y2Ba和gydF4y2Ba $\mathbf{zgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{1gydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}=gydF4y2Ba\mathrm{诊断接头gydF4y2Ba}(gydF4y2Ba{\mathbf{\Psi gydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ QCQP优化问题是制定。gydF4y2Ba

然后,采取特别提款权,问题(P4)表示。gydF4y2Ba

在这里,gydF4y2BaδgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba≫,gydF4y2Ba ${\mathbf{\Delta gydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba{\mathbb{CgydF4y2Ba}}^{\mathrm{NgydF4y2Ba}\times gydF4y2Ba\mathrm{NgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathbf{\Theta gydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}}{\mathbf{\Theta gydF4y2Ba}}_{\mathrm{rgydF4y2Ba}}^{\text{HgydF4y2Ba}}$ 和gydF4y2BaZgydF4y2Ba=gydF4y2BazzgydF4y2Ba^HgydF4y2Ba问题解决(P5)是解决使用CVX (gydF4y2Ba格兰特和博伊德,2008gydF4y2Ba)。然后,遵循同样的过程在多用户下行传输在第二部分中,最优估计的gydF4y2BazgydF4y2Ba,获得了gydF4y2Ba(19)gydF4y2Ba。然后,结果RIS反射矩阵使整体面向信号的方向目标接收天线。gydF4y2Ba

3.2低连续贪婪的探测器gydF4y2Ba

在接下来的小节,连续最优检测算法的提出得到我提出方案。在拟议的系统中,优化后的反射矩阵gydF4y2BaΨgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba为指定的gydF4y2BargydF4y2Bath接收天线,它直接利用最大似然(ML)检测器,联合估计,“空间符号”gydF4y2BargydF4y2Ba和整体传输信号向量gydF4y2BaxgydF4y2Ba如下gydF4y2Ba

然而,在该接收即时通讯方案,为了节省计算的复杂性,而不是考虑联合检测,接收机可以传输信息gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba低贪婪的探测器在以下方式执行连续检测。第一,用振幅探测器检测到有源接收天线的索引gydF4y2Ba

然后,利用毫升探测器,传输信号向量gydF4y2BaxgydF4y2Ba据估计,通过考虑所有可能的gydF4y2BaxgydF4y2Ba实现,如下所示gydF4y2Ba

此外,从计算复杂度的角度来看,我们注意到自从(P5)特别提款权的复杂性问题gydF4y2Ba $\mathcal{OgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba{\mathrm{NgydF4y2Ba}}^{\mathrm{4.5gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ (gydF4y2Ba罗et al ., 2010gydF4y2Ba),贪婪的整体复杂性探测器接近gydF4y2Ba $\sim gydF4y2Ba\mathcal{OgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba{\mathrm{米gydF4y2Ba}}^{{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}+gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ 的复杂性,而联合毫升检测器gydF4y2Ba $\sim gydF4y2Ba\mathcal{OgydF4y2Ba}(gydF4y2Ba(gydF4y2Ba{\mathrm{米gydF4y2Ba}}^{{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}}+gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}+gydF4y2Ba{\mathrm{NgydF4y2Ba}}^{\mathrm{4.5gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba{\mathrm{RgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}})gydF4y2Ba$ ,生长指数增加gydF4y2BaNgydF4y2Ba和gydF4y2BaRgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba。因此,比较联合ML检测,提出了贪婪的探测器提供显著减少计算负担。gydF4y2Ba

4计算结果gydF4y2Ba

在本节中,提出无线beamforming-based sum-rate和误码性能的单用户和多用户下行传输,和上行接收即时通讯方案提出了通过蒙特卡洛模拟。此外,比较ZF-based传统传播(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba;gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba)和先进的RIS-aided联合波束形成方案(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba),无线beamforming-based系统的改进的性能。gydF4y2Ba

在所有的计算机模拟,以下系统设置是:参考路径损耗值gydF4y2BaCgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba=−30 dBm,噪声方差gydF4y2Ba ${\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{vgydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba{\mathrm{\sigma gydF4y2Ba}}_{\mathrm{年代gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba-gydF4y2Ba\mathrm{90年gydF4y2Ba}$ dBm,路径损耗指数RIS-aided系统gydF4y2BaβgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba= 2.2,gydF4y2BaβgydF4y2Ba_kgydF4y2Ba= 2.8和传统的直接传播,它是gydF4y2BaβgydF4y2Ba_DgydF4y2Ba= 3.5 (gydF4y2Ba阮et al ., 2022gydF4y2Ba),距离gydF4y2BadgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba= 20,gydF4y2BadgydF4y2Ba_RgydF4y2Ba= 30米和gydF4y2BadgydF4y2Ba_DgydF4y2Ba= 50米。gydF4y2Ba

4.1下行传输gydF4y2Ba

在本节中,数值结果提出无线波束形成和benckmark计划单用户和多用户下行系统。gydF4y2Ba

以下4.4.1单用户gydF4y2Ba

以下计算机仿真结果进行单用户味噌传输方案。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba,对于一个单用户下行传播(gydF4y2BaKgydF4y2Ba= 1)gydF4y2Ba ${\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{2、4gydF4y2Ba}\right\}$ 和gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 16,实现率的性能提出了无线波束形成方案总传输功率的函数gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba相比传统的ZF预编码的(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba)和被动RIS-aided关节主动和被动波束形成技术(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba)。在这里,而gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba消耗的总功率的发射机的传统ZF预编码和联合波束形成传输方案,它对应于发射机之间的总功率耗散(gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba})和RIS (gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba})提出了无线传输,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba=gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}+gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}为gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}= 0 dBm。此外,正如2.1节中所讨论的,参考ZF预编码认为传统的单跳传输没有RIS之前执行传输预编码信号传输(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba)。另一方面,在主动和被动联合波束形成方案,一个被动RIS-aided单用户传输与发射机之间存在直接联系用户,被认为是,数字波束形成器被动RIS和模拟波束形成gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba相移共同优化来提高用户的接收信噪比(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba)。为此,类似于我们的波束形成技术,提出QCQP-based非凸优化问题是制定和执行一个SDR-based解决方案gydF4y2Ba通过gydF4y2BaCVX动力学(gydF4y2Ba吴和张,2019gydF4y2Ba)。结果表明,尽管发射机之间的直接联系和提出的用户不存在活跃RIS-aided无线波束形成方案,观察成就具有更好的性能gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba= 2相比传统ZF和联合波束形成被动RIS-aided传输方案。此外,结果表明,增加gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba结果增强的可实现的所有系统。然而,在提出积极RIS-aided无线波束形成方案,给出gydF4y2Ba(11)gydF4y2Ba,因为反射矩阵的大小gydF4y2BaΨgydF4y2Ba和传输矩阵的大小限制吗gydF4y2BaHgydF4y2Ba,也就是说,在creasingTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba相比,比较性能改进是实现基准方案。此外,由于一个小规模的被动RIS被认为是,即gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 16,一个额外的性能改善由于间接RIS-aided链接很难观察到在被动RIS-aided联合波束形成方案相比传统ZF预编码方案。gydF4y2Ba

4.1.2多用户gydF4y2Ba

以下结果为下行multi-antenna传输方案,在一个传输天线是分配给每个用户,也就是说,gydF4y2Ba ${\stackrel{̄gydF4y2Ba}{\mathrm{TgydF4y2Ba}}}_{\mathrm{xgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{1gydF4y2Ba}$ 和gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba=gydF4y2BaKgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba的总和率下行multi-antenna传输方案基于传统ZF预编码的传输(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba这部小说)和无线波束形成进行了gydF4y2Ba $\mathrm{KgydF4y2Ba}\in gydF4y2Ba\left\{\mathrm{2、4、8gydF4y2Ba}\right\}$ 和正交相移键控(QPSK),也就是说,gydF4y2Ba米gydF4y2Ba= 4。比较这两个方案,很明显,在较低gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba值,基于无线波束形成的多用户传输方案获sum-rate高于经典传播ZF预编码技术(gydF4y2Ba斯宾塞et al ., 2004gydF4y2Ba)。然而,对于gydF4y2BaKgydF4y2Ba= 2,gydF4y2BaKgydF4y2Ba= 4,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba逐渐增加,ZF的性能开始超过该波束形成方案的性能。然而,对于gydF4y2BaKgydF4y2Ba= 4,ZF预编码器实现只有轻微的增益在拟议中的波束形成的概念gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba= 15 dBm。它也可以推导出gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba的用户总数的增加迅速降低ZF sum-rate,然而,这样一个严重的性能损失不是观察到该无线beamforming-based系统。此外,当用户的数量进一步增加gydF4y2BaKgydF4y2Ba= 8,这是观察到的系统提出无线beamforming-based方案优于系统与传统的ZF技术具有显著的性能增益。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba的sum-rate提出无线beamforming-based下行多用户系统评估不同的系统配置。在这种情况下,为一个常数gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba,基于无线波束形成的性能的系统研究了不同数量的反映元素gydF4y2BaNgydF4y2Ba,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}= 0 dBm和QPSK信号。可以看出增加RIS大小对系统性能有负面影响。这个结果可能是由于无线波束形成设计,给出gydF4y2Ba(11)gydF4y2Ba,电力消耗的反映元素与信道矩阵的大小成反比gydF4y2BaHgydF4y2Ba。因此,当一个常数gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}被认为是为gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 16gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 64,它表明,拟议中的beamforming-based系统低gydF4y2BaNgydF4y2Ba值显示比更高的更好的性能gydF4y2BaNgydF4y2Ba值。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba,增加反射功率的影响gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}sum-rate的提议正交相移编码和基于波束形成系统gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba= 30 dBm追究gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 16。结果表明,在所有情况下,增加gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}在某种程度上提高了系统性能gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}值,之后性能开始下降。这些结果表明反射功率约束之间的关系gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}和发射机电源gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}在gydF4y2Ba(10)gydF4y2Ba。事实上,在我们的系统设计中,整体的消耗功率gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba消散到发射机(gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba})和RIS (gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}),gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba=gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}+gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}和一个常数gydF4y2BaPgydF4y2Ba_TgydF4y2Ba= 30 dBm,gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}减少与增加gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}。然而,很明显gydF4y2Ba(6)gydF4y2Ba的最小化gydF4y2BaPgydF4y2Ba_{废话gydF4y2Ba}直接影响到SINR的价值。当然,这个有趣的权衡的调查指出发射机之间的功率分配的重要性和RIS,这是一个开放的问题,在将来的研究中得到解决。gydF4y2Ba

4.2单用户上行传输gydF4y2Ba

在本节内,该接收即时通讯方案的误码性能进行了评估。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba,提出接收IM的误码性能方案与最优贪婪探测器研究针对不同RIS-aided MIMO配置gydF4y2BaNgydF4y2Ba= 16和二进制相移键控(BPSK)。类似传统的接受我计划(gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba吴et al ., 2021gydF4y2Ba),相应的高速系统的性能结果,采用)gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba= 2和b)gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba= 4传输天线揭示一定的系统性能与数据速率之间的权衡。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba传输的误码性能,ZF将接收的空间调制(RSM) (gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba),该无线接收即时通讯方案进行了比较。为gydF4y2BaRgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba=gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba= 2,接收IM和RSM计划分别利用BPSK和QPSK调制来实现gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{即时通讯gydF4y2Ba}= 3比特/秒/ Hz。另一方面,gydF4y2BaRgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba=gydF4y2BaTgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba= 4配置,接收IM BPSK和RSM 16-PSK评估gydF4y2BaηgydF4y2Ba_{即时通讯gydF4y2Ba}= 6比特/秒/ Hz。结果显示显著的性能改进建议的接收即时通讯方案在传统ZF将RSM (gydF4y2BaZhang et al ., 2013gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

5的结论gydF4y2Ba

在本文中,首先,部署一个活跃的RIS,一种新的波束形成方法提出了RIS-aided多用户系统。提出的概念,没有使用任何其他在发射机和/或接收机信号处理单元,活跃的RIS的反射系数可以定制为减轻用户的干扰。迎接这一挑战,我们获得SDR-based解决方案gydF4y2Ba通过gydF4y2BaCVX软件工具箱。此外,该无线波束形成概念更进一步,低接收IM单用户上行传输的方案了。通过计算机模拟,增强性能的无线beamforming-based系统在传统precoding-based系统一直显示。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

ZY、EB和IA研究的设计和实现,结果的分析和撰写的手稿。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项工作是支持的科学技术研究委员会120 e401土耳其(图)成本项目。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba