基于低分辨率ADCs/DACs的可重构智能表面辅助的全双工大规模MIMO系统性能研究

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随着数据流量的增长、数据速率需求的提高,第六代移动通信(Sixth-generation,6G)网络除了需要支持高数据速率外,还要确保高吞吐量、可靠性和定制灵活性。而可重构的智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)是促成这种新的智能无线电环境实现的关键因素,具有功耗低、成本低、配置灵活的优点,可以应用于辅助通信,通过优化反射信号的相移来优化性能。全双工(Full-Duplex,FD)技术也是目前提高频谱利用率的一种有效方式,能实现同时同频双向通信,降低开销,提高通信系统的吞吐量和容量。另外,为了降低功耗和成本,在基站(Base Station,BS)收发侧的天线上配置低分辨率模数转换器(Analog-toDigital Converters,ADCs)和数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DACs)。因此,本文将RIS与全双工大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统结合,研究了基于低分辨率ADCs/DACs的RIS辅助的大规模MIMO通信系统,使系统同时满足以上优势。首先,本文提出了一个基于低分辨率DACs的RIS辅助大规模MIMO通信系统,BS与RIS之间的信道分别考虑了瑞利信道和莱斯信道模型。系统应用加性量化噪声模型(Additive Quantization Noise Model,AQNM),使用最大比传输(Maximum Ratio Transmission,MRT)信号处理方法,在已知信道状态信息(Channel State Information,CSI)的情况下推导了下行链路可达速率,并采用粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法对RIS相位进行优化,以得到最大和速率。仿真结果验证了推导的正确性和算法的鲁棒性;同时研究结果表明下行链路和速率随发射功率、DAC量化比特、基站天线数、RIS反射元件个数增大而增大;4个量化比特的DAC足以捕获理想硬件下的大部分性能。相较瑞利信道模型,莱斯信道场景下的研究更具有实际意义并且能体现RIS的优势。其次,本文提出了基于低分辨率ADCs/DACs的RIS辅助的全双工大规模MIMO通信系统,在不含直达链路的情况下,考虑了用户间干扰(Inter-User Interference,IUI)、基站天线回路干扰(Loop Interference,LI)。本文应用AQNM,利用最大比合并(Maximum Ratio Combining,MRC)/MRT方法,推导了上下行链路的可达和速率,并采用PSO算法进行相位优化以求得最大和速率。研究结果验证了推导的正确性;并且表明全双工可达和速率随ADCs/DACs的量化位数增加而增加,并且逐渐收敛到一个常数即理想硬件下的恒定值,4个量化比特足以捕获理想硬件情况下的大部分性能;并且RIS相位量化误差越大,数据速率越小;同时,全双工速率随BS天线数、RIS元件个数增加,因此可以通过增加天线数量和RIS元件个数的方法弥补低精度硬件性能优化的有限性。最后,本文进一步提出了含直达链路下,基于低分辨率ADCs/DACs的RIS辅助的全双工大规模MIMO通信系统,其中直达链路和非直达链路分别应用瑞利信道模型和莱斯信道模型。本文应用AQNM,利用最大比合并MRC/MRT方法,推导了上下行链路的可达和速率,并采用PSO算法进行相位优化以求得最大和速率。研究结果验证了推导的正确性,并且4个量化比特足以捕获理想硬件情况下的大部分性能,由此证明了在RIS辅助的全双工MIMO系统下,低分辨率ADCs/DACs的可行性。基于以上讨论,本文将RIS用于全双工大规模MIMO系统,通过优化RIS相位能够优化速率性能,并且在系统中配备低分辨率ADCs/DACs能降低功耗和成本,实现近似理想硬件的速率。
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