高铁车地间多跳通信技术研究进展

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：现阶段对于IRS的研究主要集中在发射端波束赋形矩阵和反射相移矩阵的设计上。类似于传统中继，多个IRS之间协作通信同样受到了研究者的广泛关注。此外，在多个IRS协作通信时，通过选择性能最优的IRS实现低复杂度、低成本传输。根据这一思想，作者推导出了IRS辅助的大规模MIMO系统可实现速率的表达式，并分析了用户位置的准确性对可实现速率的影响。

智能反射表面是一个可以在显著降低未来无线网络能耗的同时，实现前所未有的大规模MIMO增益的最新硬件技术[131]。IRS是由大量可重构无源元件组成的平面阵列，其中每个元件都能够独立于入射信号而引起一定的相移，从而共同改变信号的传播环境[132]。实际上，无源反射表面在雷达和卫星通信中有各种应用，但很少在地面无线网络中使用。原因是传统反射表面仅具有固定的移相器，无法适应地面移动通信中随时间变化的环境[133]。电磁超材料技术的发展使得反射表面的可重构性成为可能。电磁超材料的起源可追溯到20世纪60年代。1965年，俄罗斯科学家Veselago首次提出了一种介电常数和磁导率同时为负的称为左手媒质的特殊材料，该材料可以在理论上产生负折射现象[134]。之后，Pendry于1996年构造出了等效的负介电常数[135]，并于1999年设计出了等效的负磁导率[136]，由此奠定了这一项技术的发展基础。利用电磁超材料的特性，IRS可以实现对移相器的实时控制，从而重新构造反射表面[137，138]。

现阶段对于IRS的研究主要集中在发射端波束赋形矩阵和反射相移矩阵的设计上。文献[139]中研究了IRS辅助的多用户通信系统中的资源分配问题，提出了对偶波束成形算法对基站发射功率和IRS相移矩阵进行联合优化，结果表明该算法在总速率和能量效率上要优于常用的MRT和ZF传输方案。文献[140]在存在单用户以及单窃听者的场景中，利用交替优化算法和半定松弛算法寻求次优解，提高合法用户的通信速率。不同于文献[140]，[141]中考虑了多用户以及多窃听者的场景，并提出了一种基于交替优化和路径跟踪的算法，通过迭代得到保密速率的局部最优解。此外，在一些特殊场景下，作者还提出了基于ZF的启发式次优算法以降低算法复杂度。

另外，IRS在一些场景中可以起到替代传统中继的作用。文献[142]中通过调整IRS相位获得最优接收信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），推导出了单输入单输出系统的中断概率、可实现速率、误码率以及分集增益的闭式表达式。与解码转发中继相比，IRS需要通过部署大量表面元素才能弥补由于只有源节点发射功率而导致的低通道增益[143]。文献[144]中结合了IRS和非正交多址技术，相比于传统的空间频分多址技术可以更有效地确保小区边缘用户的通信质量。文献[145]从能量效率的角度出发，提出了梯度下降和分式规划两种算法最大化能量效率，相比于多天线放大转发中继可以提供高达300%的能量效率。类似于传统中继，多个IRS之间协作通信同样受到了研究者的广泛关注。文献[146]中将单IRS两跳信道推广到了多IRS多跳信道场景中，以抑制阻塞路径的影响，实现覆盖范围更广的通信环境。此外，在多个IRS协作通信时，通过选择性能最优的IRS实现低复杂度、低成本传输。文献[147]则是提出了一种基于位置信息的多个IRS协作辅助通信系统，为了避开复杂度较高的全局优化非凸问题，作者通过在基站和IRS处进行局部优化，使得每一个IRS都服务于与之相近的单用户。根据这一思想，作者推导出了IRS辅助的大规模MIMO系统可实现速率的表达式，并分析了用户位置的准确性对可实现速率的影响。

高铁车地间多跳通信技术研究进展

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