文摘
可重构智能表面(RIS)被认为是一个非常有潜力的新技术,正被广泛的研究和深入。和应用程序扩展方式RIS-aided方案提供了一种新的信道编码的研究思路。在本文中,我们提出我们延长使用RIS的方案调整阶段和重新配置的反射信号,提出设计RIS-aided QO-STBC方案和RIS-aided QO-STBC计划取消干扰。尤其是RIS-aided QO-STBC与干扰消除方案,设计可以实现完整的传播率和完整的多样性使用一个辅助反射组消除干扰项的影响。同时,分析了方案的优缺点,和解码算法中使用不同的复杂性提出了方案。的仿真结果表明,该性能RIS-aided QO-STBC计划的干扰取消优于RIS-aided QO-STBC方案和RIS-aided Alamouti方案5 dB和7 dB方方面面的分集增益和编码增益。
1。介绍
在过去的30年里,无线通信技术取得了革命性的发展。多的应用程序和多输出(MIMO) [1系统从根本上解决了无线信道容量不足的问题。在此基础上,研究OFDM(正交频分多路复用)2促进更快速增长的通信。
2019,全世界第五代(5克)移动通信测试和应用。5 g的性能与更高的利率和低延迟的沟通可以提供通信支持物联网(物联网),智能制造(IM),大规模机械化的通信(MTC)等。5 g基站(BSs)大规模MIMO天线提供了增强的移动宽带(eMBB)通信服务。和巨大的MIMO达到巨大的分集增益,路径增益,和空间可重用性(3由于大型天线阵列)。国际电信(ITU)建立整个移动数据流量将达到60个字节(ZB) [4每年)。大家都知道,5 g与传统蜂窝通信相比有无可比拟的优越性。欧洲电信标准协会(ETSI)出版目标峰值速率是10 Gb / s和20 Gb / s的上行和下行,分别。5 g通信带来的可能性实现新技术在各领域的应用。同时,国际电联也估计5克将在2030年达到其极限,因为有些应用程序需要更高的传输速率和更低的时滞和可靠性,和5 g通信不能满足其需求,显然。这意味着新的挑战将在6 g技术。6克的研究的重点不仅是解决不足5 g的性能也满足无线通信的不断发展和应用,尤其是在ultrabroadband (uMUB) ultrahigh-speed-with-low-latency通信(uHSLLC)和超高数据密度(uHDD) [5]。
虽然6 g无线通信的研究是在早期阶段,revolutionary-innovative研究的方向不能完全确定。然而,它可以预测,6克的研究将继续许多5 g技术使我们的生活环境更加聪明。在未来,6克沟通的主要问题将集中精力提高智能设备之间的服务水平,进一步提高全社会的智力水平条件下的小样本。物联网智能(IoIT)和人工智能(AI)将各级广泛使用。同时,大数据和计算能力的提高还需要更可靠和更快的通信支持,特别是在无线通信。研究人员已经研究了6克的新技术以达到承诺的目标,每个智能设备连接到互联网。6克也将提供精确和更高的服务质量(QoS)如全息沟通、增强现实、虚拟现实。值得一提的是,6克将专注于质量的经验(体验质量)提供丰富的经验。与此同时,能源节约和环境保护的绿色技术解决方案的未来移动通信已成为无线通信可持续发展的重要研究方向。
在过去的两年里,一个非常有潜力的新技术为重要的能源消耗减少被广泛的研究和深入称为可重构智能表面(RIS) [6- - - - - -8]。RIS是一个新的概念与巨大的辐射和发送的元素,在一个理想的视距环境;整个表面作为接收天线阵列。条件下的表面面积足够大,接收到的信号经过匹配滤波操作可以近似为一个SINC-like码间干扰信道和超越当代大规模分布式天线技术。在[9),作者提出了一个dual-hop RIS-aided (RIS-DH)方案和RIS-aided传输(RIS-T)方案,两种方案都可以提供多路复用增益;只可以获得分集增益。RIS-T计划看起来像一个传播的渠道多元化结构,和RIS-DH方案更像是一个钥匙孔MIMO信道;与此同时,中断概率,误比特率,平均信道容量。承诺6克辅助传动方案,RIS可以提供更高的阵列增益,实现更精确的信道估计,使用较低的硬件成本和能量损失与大规模的MIMO技术(10]。最近的结果表明,非正交的多路访问(NOMA)使用RIS-aided [11可以使一些不可控因素的影响接收信号的无线通信质量成为可控,它提供了一种有效的无线通信传输保障。此外,使用可重构被动元素,RIS-aided方案可以让构建可编程无线环境(12]。一个RIS-based空间移键控(构造论)13)计划也可以调整阶段的反射信号有效地提高能源效率,传输可靠性高。在[14),一种新的宽带传输协议RIS-aided单输入多输出(极点)正交频分复用(OFDM)通信系统提出了。和被动波束形成RIS的调整来提高数据传输的实现率。总之,RIS-aided传输策略可以大大提高无线通信的性能的有效性。最近,从应用层面,一些研究人员研究了天线的隔离度15),准确描述的概率密度函数(PDF)16),二维物理结构RIS (17),两个节点之间的通信18),延长细胞覆盖的能力(19- - - - - -25)等,这也进一步验证RIS-aided通信的可行性和适用性。此外,RIS-aided无线通信系统的安全性能被广泛关注(26,27]。
RIS技术的深入研究,许多原来的无线通信的技术新的应用场景和研究的方向。众所周知,MIMO技术从根本上解决了问题,信道容量限制的单输入单输出(输出)。和时间段的空间代码(方式)可以提供一个有效的容量增益和空间分集增益在MIMO系统(28,29日]。接下来,中继节点被认为在multiply-hop MIMO系统(30.- - - - - -34)联合几个中继站传送到同一目的地节点。然而,最困难的问题解决与中继节点的成本和智能控制继电器设备。在这些方面,RIS技术开辟了新的想法,研究人员,使协同通信的应用更加可行。在[35,36),作者提出两种不同的方法来实现经典Alamouti时空编码无线传输通过RIS-aided发射机,分别;两种提议的方法令人信服地验证的可行性RIS-based Alamouti时空编码。关键的区别是,提出两个方案在源节点使用不同数量的天线。
接下来,让我们详细分析两种方案之间的差异。第一个方案(35)使用一个天线在源节点和传播RIS一侧反射元素,和RIS元素分为两个部分,每个部分相位调制适用于重新配置单打和转发。因此,RIS提供分集增益。第一个设计相比,第二个方案(36)使用两个传输天线在源端实现分集增益。无论如何,如果损失从源RIS被忽略的时候,两个计划充分利用RIS协助实施的特点Alamouti代码与完整率和完整的多样性。这个应用程序扩展方式RIS-aided方案提供了一种新的思路。
众所周知,Alamouti代码是唯一的正交复杂与全速率编码矩阵和完整的多样性和分集增益的两个。在本文中,我们提出新的扩展quasiorthogonal方式(QO-STBC)应用程序改进方案的分集增益。具体而言,新方案适用于一群RIS协助QO-STBC编码传输,和另一组RIS用于消除造成的非正交干扰同时编码矩阵。
1.1。之前的工作
一个完美的STC(时空代码)应与全速率和线性正交编码解码的复杂性。古典Alamouti [28与这些特性可以表示为)
在哪里 对任何正整数 。它证明了数学在37]复杂O-STBCs全速率并不存在超过两个传输天线。因此,Laneman等人提出了一个QO-STBC计划(30.与全速率)。但QO-STBC方案降低了分集增益和使用更复杂的和成对解码算法。然而,QO-STBC已经更好的性能比正交码率小于1在低信噪比(信噪比)。Jafarkhani的代码使用Alamouti代码块元素的编码矩阵四传输天线表示
我们可以得到这个角色矩阵(38]
在哪里 和 。从方程(3),很明显,Jafarkhani正交性的代码被nonmain对角线元素。条件的完整率,降低了分集增益。
1.2。组织和符号
本文的其余部分组织如下。节2,我们现在常见的方案模型和无线通信环境的假设。节3,我们介绍Alamouti RIS-aided方案和扩展到QO-STBC RIS-aided方案和分析每个方案的性能的优缺点。根据前一节的分析结果,提出了一种新模型与干扰取消和详细分析了它的性能部分4。仿真结果提供了部分5。最后,总结了研究的结论部分6。
在这篇文章中, , ,和表示复杂的共轭转置,埃尔米特矩阵的转置 ,分别。表示复数集。代表一个对角矩阵, 单位矩阵用 。 表示圆对称的分布复杂的随机向量的意思和方差 ,和代表“分配”。
2。系统模型
拟议中的RIS-aided无线传输方案有一个源节点和一个目标节点 ,如图1RIS的组成反映元素节点部署协助传播配备传输天线节点与接收天线。在该方案中,我们假设并进行无线通信系统复杂,加性高斯白噪声(AWGN)连贯的衰落信道,RIS的接近的节点 ,和视线(LoS)频道不存在的节点的节点因为一些障碍。因此,节点不能与节点通信吗直接,必须选择反射通道传输的信号。
在源节点 ,信息序列调制 复杂的符号向量长度 ,在每两个相邻符号成为一组,表示组的数量 为 。每个时间间隔,一个复杂的符号是先后从节点传播RIS节点,和RIS连接到节点通过控制环节,负责控制所有信息的节点 。控制信息可以协助RIS元素重新配置反射信号的相位(35]。
的 通道是假定为频率选择性信道与独立的传播路径。此外,我们准静态假定信道状态信息,所以我们可以把通道脉冲响应写成
在哪里的信道系数吗源节点的传输天线到元素的RIS和表示相应的路径延迟。的表示信道的衰落源节点的传输天线到元素的RIS和 ,在哪里 和 。
同时,信道衰落系数的RIS的元素接收机天线的节点表示为 ,和 和 。这两个和随机分布复杂瑞利分布。所以 ( , )和 ( , ),分别。因此,在节点接收到的信号是由
在哪里表示符号和传播是复杂的 ( , )。的表示平均能量。
不失一般性,我们只是选择只有一个节点传输天线在节点和一个接收天线和分析传播符号的性能通过RIS辅助计划。我们得到了
在哪里 表示的信道矩阵 。信噪比得到
在我们的方案模型,以下假设得到:(我)源节点广播RIS的每个元素的象征。和RIS重新配置的每个元素符号根据节点的控制信息和反映节点 。只有目标节点知道所有的信道状态信息(CSI)和(2)信道状态信息和是复杂的随机变量和独立同分布瑞利(先验知识),和所有人保持恒定在一个周期时间。和 ( , )和 ( , )。噪音是复杂的 ( , )(3)所有传输天线进行半双工传输方式。在节点 ,二进制调制到复杂的MPSK信号序列符号和使用最大似然(ML)解码方法的节点 。和RIS接近的节点
假设码字属于电报密码本 ,ML译码器应该找到表达后的最小距离检测符号: 在哪里 。毫升的方法与线性复杂度方案可以实现更好的性能。
3所示。RIS-Aided QO-STBC模型
在前面的小节中,我们已经介绍了RIS-aided Alamouti计划(35),RIS元素分成两部分来调整反思阶段。在两个时段,RIS实现正交编码的传输矩阵反映了不同类型的信号。复杂的信号可以表示为
在哪里表示平均功率 。MPSK的星座图,我们知道了调制信号具有相同的权力,和两个部分可以使用 和调整阶段实现RIS-aided Alamouti的计划,如下:
因此, OSTBC与线性复杂度实现MPSK调制模式。我们考虑到相邻反射元素将有类似的信道状态信息,所以,RIS - - - - - -元素可分为 组织;每组包含两个不相邻反射元素,如图2。表达式是
在哪里 和 。和和由不同情况下通道。可见,相同的分集增益的方案来自于反射RIS的元素。在相同的模式(35时段),该方案的花费多了,是因为使用multiantennas源节点 。
尽管第一个方案有一些局限性在调制模式下,其性能优势不能被忽略。所以我们可以扩展这种方法QO-STBC,叫做RIS-aided QO-STBC方案。在提出RIS-aided QO-STBC模型,我们也把RIS - - - - - -元素 组。每组有四个元素,反映四个反映元素的使用 , , ,和调节反射信号的相位在元素,元素,元素3、4和元素,分别如图3。和MPSK调制反射元素的结果如表所示1。
虽然设计RIS-aided QO-STBC方案以这种方式实现,它可以从方程(2)和(3)的性能提出RIS-aided方案不是很优越。原因是Jafarkhani的代码是一个quasiorthogonal代码与全速率而不是满秩;的nonmain字符矩阵的对角元素是干扰项和多样性损失的关键因素。事实上,Jafarkhani的代码可以被认为是正交的性能,如果使用BPSK调制。代码的等级只有2使用他人。解码的复杂性,成对解码算法因为Jafarkhani代码不是正交的。不管怎样,由于缺乏复杂的正交全速率编码矩阵,设计RIS-aided QO-STBC计划开辟了一个新的研究方向6 g通信方式的应用技术。
4所示。RIS-Aided QO-STBC模型和干扰消除
在本节中,我们尝试设计一个简单RIS-aided方案基于RIS-aided QO-STBC模型来消除干涉项字符矩阵方程(3)尽可能。让我们考虑改变传输矩阵 ,在哪里 。新的字符矩阵
结合和 ,我们得到了 。数学,这个操作完全抵消干扰项的特征矩阵。接下来,我们根据这个想法设计无线通信方案。RIS,一对相邻反射元素被选中时,其中一个用于正常的信号传输,另一个是提供干扰消除除了确保传输函数。通过这种方式,两个反射组和是建立在RIS如图4。与此同时,为了保证两个反映组织的独立性,节点需要配备两个相邻接收天线的设想方案,和一对一的传播进行波束形成。因为相邻的距离反映组和反映组和相邻的接收天线和在节点很近,我们假设相应的传播渠道有相同的CSI。在四个时段,分别接收信号可以写成 在哪里CSI向量, ,在这 或 。 和 。匹配的反射反映组织的象征和是重新配置表2和3,分别。
解码之前,我们首先将接收到的信号(15)和(16从两个接收天线);相当于传输矩阵
同时,相当于传输矩阵可以写成
和等效特征矩阵
显然,相当于传输矩阵是一种新型O-STBC与全速率传输矩阵和充分的多样性。所不同的是,该RIS-aided QO-STBC模型与干扰取消转移的损失时段增加反射元素通过合理数量的转换。所以,使用线性解码算法(39)可以大大减少接收机解码的复杂性。决策的统计数据传输信号的可以构造成
在哪里传输矩阵的行集包括 ,
减少每个决策指标,
5。仿真结果和讨论
在本节中,我们目前的计算机仿真结果评估的性能RIS-aided Alamouti方案的RIS-aided QO-STBC计划,和RIS-aided QO-STBC方案与干扰取消的误比特率(BER)并分析结果。在模拟中,我们考虑的假设频率选择瑞利平衰落信道采用ML-based解码算法。考虑到大量的反射元素RIS,反射功能组划分的数量以不同的方式是一致的。不失一般性,只有一个反射函数组的RIS被选中参加计算机仿真。
本文提出的方案都是基于反射元素RIS重建反射信号的相位调制。从源的时间损失RIS的传输速率计算时可以忽略。因此,所有提出的方案的传输速度约等于1。图5拟议的计划,显示了仿真的性能相比,我们RIS-aided Alamouti计划的RIS-aided QO-STBC计划,和RIS-aided QO-STBC方案与干扰取消两个比特/秒的传输/赫兹(QPSK)。
从仿真结果图5,我们可以看到RIS-aided Alamouti方案和RIS-aided QO-STBC方案实现的全速率特征传统方式传输矩阵。由于QO-STBC nonfull等级的特点,分集增益不能达到矩阵的最大订单。然而,相比于RIS-aided Alamouti方案2多样性,分集增益的RIS-aided QO-STBC方案改进。拟议中的RIS-aided QO-STBC方案优于RIS-aided Alamouti方案后的误码率。和RIS-aided QO-STBC计划干扰取消达到全速率和完整的多样性和提高编码增益由于反射的参与 。仿真的结果表明,性能的RIS-aided QO-STBC干扰消除方案是更好比RIS-aided QO-STBC方案和RIS-aided Alamouti计划了dB和后分别的误码率。分析与仿真结果。
6。结论
在本文中,我们使用RIS的扩展方案调整阶段和重新配置的反射信号,提出设计RIS-aided QO-STBC方案。特别是针对QO-STBC的多样性的问题是减少由于非正交性,计划称为RIS-aided QO-STBC方案与干扰取消使用辅助反射集团消除干涉项设计的影响。和详细方案的优缺点进行了分析;同时,使用的解码算法与不同的复杂性提出了方案。
通过合理的假设的设计RIS-aided QO-STBC与干扰取消计划,全速率的无线通信和完整的多样性是实现。所不同的是,该RIS-aided QO-STBC模型与干扰取消传输时间段的损失增加的数量反映元素的转换。
仿真结果表明,提出的方案的性能有显著的改善由于增加分集增益和编码增益。的设计也RIS-aided QO-STBC计划开辟了一个新的研究方向6 g通信方式的应用技术。和未来的研究是提高获得分集增益。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。作者宣称没有利益冲突。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者想扩展他们诚挚的感谢Huaisheng Wang博士对他有益的建议和有用的建议和帮助。这项工作是支持江苏省自然科学基金的一部分,中国(批准号BK20201201),教授和博士科研基金会的苏州大学应用技术学院,苏州(批准号RC0006),专业和惠州大学的博士科研基金(批准号2020 jb014)。