智能超表面的反射系数优化算法研究及实现

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随着第五代(5th Genneration,5G)移动通信技术的大规模应用,基站等通信设备的能源消耗已经成为亟待解决的问题。针对上述问题,业界提出了一种特殊制造的可编程、低功耗、低成本、易部署的智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为解决方案。在部署RIS的无线环境中,既可以人为的改变周围的电磁环境,又不需要进行复杂的编码译码操作,也不需要进行射频(Ridio Frequency,RF)处理。波束赋形是RIS辅助通信系统中一个至关重要的问题,目前的研究存在两方面的问题,一方面是很多波束赋形算法需要获取信道信息;另一方面,现有算法在大规模RIS部署时存在计算复杂度高、运算开销大等诸多问题。针对以上这些问题,本文提出了几种关于RIS波束赋形的算法。首先,本文介绍RIS的发展历程和研究现状,着重分析了RIS波束赋形算法的研究现状。介绍了RIS对电磁波相位调控的原理,以及RIS上基础单元的硬件结构。其次,提出了基于分组迭代优化的反射系数确定算法,介绍了算法的实现方式,通过分组扫描(将获取各方位的反射信号强度定义成一次扫描)取最优进行迭代的方式,最后达到用户(User Equipment,UE)方向波束赋形的目的。介绍了算法的工作流程,并且依据流程进行了仿真验证,进行了实际系统上的验证。并且可以实现低速下地波束追踪。然后,宽窄波束联合搜索的反射系数确定算法,基于平面阵列天线的电磁原理,使用宽波束确定接收机的大致方位,使用窄波束确定用户具体方位,最后实现用户方位波束赋形。详细介绍了算法的工作流程并且按流程进行了仿真验证。最后,提出了三种基于码本的扫描算法,分别是基于DFT码本的搜索算法、基于导向矢量码本的搜索算法及其改进版,通过比较反馈信息来确定能产生最大增益的码字。在复杂电磁环境中能够产生稳定的增益,对反馈信息的容错率较高。
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