基于智能反射表面的太赫兹传输关键技术研究

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随着无线通信数据流量的爆炸式增长,通信网络对高速数据传输的需求越来越高。太赫兹通信具有极其丰富的频谱资源,可有效解决无线数据传输中的拥挤问题。太赫兹信道以直视路径和反射路径构成,其中直视路径的损耗小于反射路径,直视路径担任主要角色。当太赫兹系统的视距传输因障碍物遮挡而中断时,太赫兹通信链路传输质量急剧下降。此时,需要引入中继来增强太赫兹通信系统的性能。智能反射表面相较于传统中继具有多方面的优势,包括:对电磁信号不存在自干扰效应,对噪声功率不存在放大影响,造价低廉、功耗小、工艺制造难度小,易于制备、安装、和应用。智能反射表面由大量的无源阵元构成,且每一个阵元均可独立调整它感应到的电磁波的相位,所有阵元的反射电磁波可通过干涉形成波束,波束的方向可被灵活调控。本文基于智能反射表面理想情形下的太赫兹MIMO通信系统进行联合波束赋形算法设计。在理想情形下,智能反射表面阵元的反射系数为理想值1,相位可取[0,360]度的任意值。为使频谱效率最大化,本文通过数学变换得到系统频谱效率的近似表达式,并采用共轭梯度算法、基于特征分解与映射的半定规划算法、基于随机高斯的半定规划算法、以及交替方向乘子算法对智能反射表面的相位矩阵进行设计,然后利用基于正交匹配追踪算法的混合波束赋形方法对基站预编码和用户联合码进行设计。仿真结果表明,当基站与用户之间的信道由直视路径组成或传输数据流数为1时,半定规划算法和交替方向乘子算法实现的系统频谱效率性能可以达到接近遍历算法实现的最优性能。此外,本文基于智能反射表面非理想情形下的太赫兹MIMO通信系统进行联合波束赋形算法设计。在非理想情形下,智能反射表面阵元的反射系数小于或等于1,相位只能取离散值。为使频谱效率最大化,本文采用基于正交匹配追踪算法的混合波束赋形方法进行基站预编码和用户联合码的设计,采用交叉熵算法和坐标上升算法进行智能反射表面相位矩阵的设计。仿真结果表明,无论基站与智能反射表面之间的信道是由直视路径和非直视路径构成还是只由直视路径构成,也无论传输数据流数为1还是大于1,交叉熵算法实现的频谱效率性能均能达到接近遍历算法实现的最优性能。最后,本文基于智能反射表面理想情形下的太赫兹MISO窃听系统进行安全速率优化算法设计。本文首先对包含智能反射表面的MISO窃听系统进行数学表示,并对该系统的安全速率优化问题进行数学分析。为使安全速率最大化,本文采用了交替迭代的方法优化智能反射表面的相位矩阵和基站预编码。当相位矩阵固定时,本文通过求解Rayleigh-Ritz问题获得基站预编码;当基站预编码固定时,本文采用交替方向乘子算法获得相位矩阵。仿真结果表明,交替方向乘子算法相较于传统算法可以实现更好的安全速率性能。
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