【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信，尤其是涉及一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法及系统。
技术介绍
1、mimo技术利用多个天线进行信号传输和接收，通过空间多样性和信号处理技术，可以显著提高系统的数据传输速率、覆盖范围和可靠性，从而为用户提供更快速、更稳定的通信体验。大规模mimo技术通过在基站端和用户终端部署大量天线，并利用高度复杂的信号处理算法，能够有效的提升频谱效率和系统吞吐量，同时显著降低了通信系统的功耗。
2、智能超表面反射元件对信号施加独立的相移，以重新配置无线环境的传播特性，与射频链和放大器等有源硬件组件相比，智能超表面大大降低了功耗，具有体积小、重量轻的优势。
3、然而，被动智能超表面辅助通信系统的性能受到基站和用户之间具有强直接链路的“乘法衰落”效应的严重限制。为克服“乘性衰落”效应，提出了有源智能超表面，它不仅能像无源智能超表面一样反射信号，而且具有信号放大功能。此外，与放大和正向继电器不同，有源智能超表面配备了低功率反射型放大器，而不是安装完整的射频和数字信号处理电路，使其更薄、更容易部署。
4、智能超表面因其体积小、重量轻的优点使得部署更加便利，为智能超表面的使用带来了优势，但是智能超表面系统中的各个元件由于空间上的近邻关系导致系统存在一定的信道空间相关性，这对通信性能的影响是显著的。空间相关性影响着信道的容量和多样性增益，过高的空间相关性会导致信号在空间上分布过于集中，这会限制大规模mimo系统利用多个传输和接收路径提高信号质量和系统吞吐量的能
5、在大规模mimo和智能超表面技术的快速发展极大推进了通信系统的性能提升进程，但在实际应用中需要大量的模数转换器/模数转换器(analog-to-digital converter/digital-to-analog converter，adc/dac)，规模扩大的同时面临着高成本和高功耗的问题。用低分辨率adc取代传统的高分辨率adc已成为解决这些问题的有效方案之一。
6、目前并没有适用于解决智能超表面辅助的存在硬件损伤以及空间相关性的大规模mimo通信系统由于乘法衰落，空间相关性影响导致速率较低的方案，所以采用有源智能超表面结合低精度模数转换器的方案具有可行性和现实意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法及系统。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、本专利技术提供一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法，包括以下步骤：
4、s1、建立空间相关性的信道模型、量化噪声模型、硬件损伤模型以及基站处的接收信号模型，将基站与用户终端间的通信信号依次经过上述模型处理，并获取每个用户终端的上行速率以及所有用户的和速率；
5、s2、在基站处采用最大比合并和精度低于预设阈值的模数转化器进行信号处理，并考虑天线距离过近导致的空间相关性；在智能超表面处考虑硬件损伤带来的影响以及智能超表面不同反射元件间距较小导致的空间相关性；
6、s3、根据所述基站处的接收信号模型和上行速率建立有源智能超表面相移优化问题，求解所述优化问题获得最优相移矩阵，根据所述最优相移矩阵控制有源智能超表面运行。
7、所述基站处接收的信号表示为：
8、
9、其中，g，h分别表示从用户终端到智能超表面和智能超表面到基站处信道矩阵，φ表示智能超表面智能超表面的反射矩阵θn是智能超表面的第n个元件处的相移，ηn是智能超表面的第n个元件处的幅度放大系数；s＝[s1，s2，...，sk]t，sk表示从用户终端k发送的信号，且满足e{|sk|2}＝1，p＝diag{p1，p2，...，pk}，pk是用户终端k的发射功率，v是主动智能超表面产生的放大噪声，其每一个元素遵循nw是基站处的加性高斯白噪声(awgn)，其每一个元素遵循
10、所述放大系数采用如下公式计算：
11、
12、其中，αh，j表示用户k与ris之间的大尺度衰落系数。
13、对所述用户终端通过有源智能超表面传输到基站的信号考虑硬件损伤后的信号表示为：
14、
15、其中，χ＝diag{χ1，χ2，...，χm}，而代表表示基站处第m个rf链的幅度衰减和相移，幅度衰减满足|κm|≤1，而服从在[-ηm，ηm]的均匀分布，ηm∈[0，π)，矢量nrf＝[nrf，1nrf，2，......nrf，m]t代表rf链处的加性失真噪声，nrf，m服从θ是智能超表面处相位噪声产生的相位噪声矩阵。
16、对所述用户终端通过有源智能超表面传输到基站的信号加入量化噪声模型后的信号表示为：
17、
18、其中，τ＝1-p，p为信号与量化噪声比的倒数。
19、对加入量化噪声模型后的信号进行最大比合并处理后的信号表示为：
20、
21、其中，w＝hhφhgh。
22、第k个用户上传的信号为：
23、
24、其中，hk表示第k个用户到有源智能超表面的信道向量。
25、第k个用户终端的上行速率的表达式为：
26、
27、其中，
28、所述上行速率可以近似为：
29、
30、其中，ek＝e{|hkhφhghxgφθhk|2}，
31、第二方面，本专利技术提供一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统，包括基站、有源智能超表面和多个用户终端，所述基站与用户终端间的直接链路被障碍物阻挡，其特征在于，所述系统用于实现上述中任一所述方法。
32、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
33、1.本专利技术结合了有源智能超表面技术，并在基站中融入了低精度模数转换器，在减少硬件和能耗成本的基础上提升通信效果。同时，本专利技术考虑了实际应用中智能超表面和基站可能面临的硬件损伤和空间相关性影响，通过优化智能超表面的相移技术获得最优的相移矩阵，有效降低了硬件问题导致的通信性能下降。
34、2.整体而言，本专利技术在大规模mimo通信网络中采用有源智能超表面技术代替无源智能超表面技术，有效克服了被动智能超表面的乘法衰落效应。这一创新提升了通信系统的整体性能。
35、3.本专利技术构建了基站和智能超表面存在空间相关性的信道模型，深入分析了信道对用户终端上行速率以及所有用户总和速率的影响，从而成功克服了智能超表面技术可能带来的潜在影响。
36、4.在本专利技术的框架下，建立了包含相关信道模型、加性量化噪声模型和硬件损伤模型的完整系统。在接收端通过应用mrc接收技术和低精度模数转换器可以准确获取每个用户终端的上行速率以及所有用户的总和速率。
3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的MIMO通信系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的MIMO通信系统控制方法，其特征在于，所述基站处接收的信号表示为：
3.根据权利要求2所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的MIMO通信系统控制方法，其特征在于，所述放大系数采用如下公式计算：
4.根据权利要求3所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的MIMO通信系统控制方法，其特征在于，对所述用户终端通过有源智能超表面传输到基站的信号考虑硬件损伤后的信号表示为：
5.根据权利要求4所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的MIMO通信系统控制方法，其特征在于，对所述用户终端通过有源智能超表面传输到基站的信号加入量化噪声模型后的信号表示为：
6.根据权利要求5所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的MIMO通信系统控制方法，其特征在于，对加入量化噪声模型后的信号进行最大比合并处理后的信号表示为：
...【技术特征摘要】
1.一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法，其特征在于，所述基站处接收的信号表示为：
3.根据权利要求2所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法，其特征在于，所述放大系数采用如下公式计算：
4.根据权利要求3所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法，其特征在于，对所述用户终端通过有源智能超表面传输到基站的信号考虑硬件损伤后的信号表示为：
5.根据权利要求4所述的一种智能超表面辅助存在硬件损伤以及空间相关性的mimo通信系统控制方法，其特征在于，对所述用户终端通过有源智能超表面传输到基站的信号加入量化噪声模型后的信号表示为：
6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏颖，付智勇，彭张节，戴铸涛，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：
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