智能反射面辅助索引调制关键技术研究

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近年来,智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)技术由于其低成本、易于部署、低功耗并且可用于控制无线传播环境等优良特性,受到无线通信界的极大关注。另一方面,索引调制(Index Modulation,IM)技术通过不同载体开关状态的索引传输信息,不仅提高了能量效率和频谱效率,而且降低了误码率和计算复杂度,非常适合下一代无线通信系统。因此,将IRS技术与IM技术进行结合,有望进一步提升无线通信系统的性能。但是对于通信系统而言,信道状态信息(Channel State Information,CSI)的获取极为重要。在一般情况下,接收端需要获取CSI进行信息解调,而CSI的估计一直以来是一个困难的课题。为了能实现高效率,低计算复杂度以及更好误码率性能的通信方案,本文展开了如下研究工作:(1)基于IRS辅助IM在已知CSI情况下无线通信方案的研究。作为IM技术重要的成员,空间调制(Spatial Modulation,SM)技术具有良好的误码率性能和高频谱效率等优点。在相关研究的基础上,本文提出了IRS辅助联合虚拟SM(IRS-JVSM)方案。IRS-JVSM方案通过联合索引发射天线,接收天线以及IRS相位传递信息,提高了IRS辅助无线通信系统的传输效率和能量效率。在此基础上,本文通过联合上界技术推导了IRS-JVSM方案的理论误码率。通过仿真结果表明,与现有的IRS辅助无线通信方案相比,IRS-JVSM方案不仅具有较高的频谱效率,而且误码率性能更好。另外一方面,在IRS反射调制(Reflecting Modulation,RM)的基础上,本文提出了反射调制结合空间调制(RM aided SM,RM-SM)方案。在RM-SM方案中,信息比特除了通过发射天线索引和调制符号传输外,还可以通过IRS反射模式索引传输。RM-SM不仅能够实现与IRS-JVSM方案相同的传输速率外,其另外一个优点是在IRS端不需要获取CSI。此外,本文还分析了RM-SM方案误码率理论值。最后,通过仿真实验表明,RM-SM方案在实现高传输效率的同时,也能获得良好的误码率性能。(2)基于IRS辅助IM在未获取CSI情况下无线通信方案的研究。借助IM技术中差分空间调制(Differential Spatial Modulation,DSM)技术思想,本文提出了两种不同IRS辅助无线通信差分传输方案。一方面,本文提出了差分RM结合SM(Differential RM aided SM,DRM-SM)方案。在DRM-SM方案中,本文将反射模式激活顺序和调制符号联合映射成信息块,信息块被差分编码后发射并且每个信息块激活同一根发射天线。从另外一个角度出发,本文提出了RM结合DSM(RM aided DSM,RM-DSM)方案。在RM-DSM方案中,本文将发射天线激活顺序和调制符号联合映射成信息块,被差分编码后的信息块通过激活同一个反射模式反射。仿真结果表明,这两种方案不仅都消除了在IRS和接收端CSI的限制,而且在不同的硬件条件下有着各自的优势。
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