基于时间反演的智能反射表面WIFI信道增强技术研究

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随着互联网与物联网的极速发展,通信用户设备的普及,WiFi无线网络已经成为所有企业网络以及家庭网络中必不可少的一部分。如何更好地利用WiFi无线网络,提升WiFi通信系统的性能,成为当前急需解决的问题。近期研究表明,将时间反演(Time reversal,TR)技术应用到通信领域,能够有效提升无线通信系统的性能,尤其在提高系统的信道容量、降低功耗和消除干扰方面具有非常大的潜力。而智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是由包含大量低成本的无源器件元件组成,通过智能的重新配置信号传播可以增强无线通信的质量,实现波束赋形以及抑制干扰。经过证实,智能反射表面能够有效提高网络链接质量和覆盖范围。然而在传统观念中,无线信道通常被视为不可控的一个因素并且常常带来负面影响。在室内传播环境中,由反射、散射和折射引起多路径效应,使得信号在不同地方或相干增强,或相干相消,并且由于电磁波的路径损耗,限制了无线信号的传播范围。针对以上存在的问题,本文提出了一种基于时间反演的智能反射表面WiFi信道增强技术,通过改变智能反射表面单元的排列方式,可以增强WiFi信道,减少室内的信道衰减,提高信道容量。具体研究内容如下:首先,对室内信道控制机理进行研究。介绍了离散时间反演理论,利用时间反演镜(Time reversal mirror,TRM)依然可以聚焦能量。阐述了广义斯涅耳定律,揭示了智能反射表面通过设计表面的相位梯度能够调控电磁波的原理,推导了室内信道容量的的计算公式,并且研究利用1-bit智能反射表面来提高信道增益的方法。其次,对室内信道控制仿真进行研究。对室内信道进行建模仿真并通过实验对仿真的数据进行了验证。结果表明,室内信道的仿真结果与实验结果非常接近,验证了室内信道建模的准确性。对于1-bit智能反射表面的相关参数也进行了仿真,分别分析了智能反射表面的间距、尺寸以及阵列大小等对其影响。最后,对室内MIMO场景信道控制进行研究。利用粒子群算法(Particleswarm optimization,PSO)优化了 1-bit智能反射表面的排列方式,对于MIMO的各种场景下进行了仿真,在此基础上,对PSO的惯性权重进行了优化,使其能够兼顾全局和局部搜索的性能。设计了 1-bit和2-bit的智能反射表面单元,利用其组成阵列并进行仿真,实现了波束偏转,增强接收用户的信号强度,提高系统的信道容量,增强WiFi信道的功能。
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