基于深度学习的IRS辅助MIMO通信系统的CSI压缩及恢复研究

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由于具有低功耗和可提升通信质量等优点,智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)被认为是下一代通信的关键技术之一。在大规模多输入多输出(Multiple input Multiple Output,MIMO)通信系统中,使用深度学习的方法对信道状态信息(Channel State Information,CSI)进行压缩和重建是目前学术界研究的热点。然而,相关研究大多在点对点MIMO系统下进行,针对IRS辅助MIMO通信系统进行CSI压缩和重建的研究还不充分。本文研究在IRS辅助的频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)MIMO正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)通信系统中,利用深度学习技术对所有信道的CSI进行压缩与重建。另外,为了探究量化误差消除对基于深度学习的压缩-重建网络的影响,本文还对点对点的FDD MIMO-OFDM系统下对量化误差的消除进行研究。本文主要内容和创新点如下:(1)针对目前深度学习网络在IRS辅助的FDD MIMO-OFDM系统下对所有信道的CSI矩阵进行压缩重建的时候会出现重建精度低下的问题,本文提出了一种新的深度学习网络:基于注意力机制的多分辨率卷积残差网络(Inception-Attention-Residual-Net,IARNet)。IARNet在传统卷积神经网络基础上采用了多卷积特征融合、混合注意力机制以及残差网络等模块。通过仿真表明,与现有的两种CSI压缩网络相比,IARNet在基于热身法的模型训练方案下可以显著降低原始CSI和重建CSI之间的归一化均方误差,在模型参数上,IARNet也有一定的优势。另外,本系统采用的基于热身法的模型训练方案也好于其余三种模型训练方案。(2)针对点对点的FDD MIMO-OFDM系统在CSI量化和反量化过程中产生的量化误差问题,本文提出了基于多层感知机的CSI量化误差消除模块,以帮助系统消除量化误差。另外,为了提升系统的重建质量,本文还提出了基于可选择性内核网络(Selective Kernel Networks,SKNet)的编码-解码网络。通过仿真表明,本文提出的CSI量化误差消除模块可以帮助系统在量化比特为2和4的条件下降低量化误差,并提高系统的重建质量。同时,与现有的一种网络相比,基于SKNet的编码-解码网络在重建精度上更具优势。
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