基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法
阅读说明：本技术 基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法 (Synchronous transmission reflection based intelligent surface synchronous signal enhancement and interference suppression method ) 是由 侯天为 孙昕 王俊 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法,在蜂窝网中,根据基站2到用户1,c的信道信息,STAR-RIS-(2)估计用户1,c收到干扰的强度；根据基站2和STAR-RIS-(2)的信道以及STAR-RIS-(2)和用户1,c的信道,以用户收到的干扰最小化为目标,以STAR-RIS-(2)的透射幅度系数和透射相位系数为约束条件,确定STAR-RIS-(2)的干扰抑制方法。在确定STAR-RIS-(2)的透射幅度系数和透射相位系数后,利用剩余的能量,以用户收到的有效信号最大化为目标,以STAR-RIS-(1)的反射幅度系数、反射相位系数以及总能量为约束条件,确定STAR-RIS-(1)的信号增强方法。(The invention relates to a synchronous transmission reflection-based intelligent surface synchronizing signal enhancement and interference suppression method, in a cellular network, according to channel information from a base station 2 to a user 1, c, STAR-RIS 2 Estimating the interference strength received by the user 1, c; from base station 2 and STAR-RIS 2 And STAR-RIS 2 And the channels of users 1, c, with STAR-RIS, targeted at the minimization of the interference received by the users 2 The transmission amplitude coefficient and the transmission phase coefficient are constraint conditions, and STAR-RIS is determined 2 The interference suppression method of (1). In determining STAR-RIS 2 After the transmission amplitude coefficient and the transmission phase coefficient, the residual energy is utilized to maximize the effective signal received by the user as a target, and STAR-RIS is used 1 The reflection amplitude coefficient, the reflection phase coefficient and the total energy are taken as constraint conditions to determine STAR-RIS 1 The signal enhancement method of (1).)
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法。
背景技术
同步透射反射可重构智能表面(simultaneous transmitting and reflectingReconfigurableIntelligentSurface，STAR-RIS)是第六代(6G)无线通信系统中增大频谱效率和能量效率的解决方案之一。通过适当控制RIS(ReconfigurableIntelligentSurface，可重构智能表面)元件与入射电磁波的相互作用，可以有效控制反射波的相位系数和幅度系数，可以有效地增强或减弱接收到的信号强度，提高无线通信系统的性能。然而，基于RIS的通信方法是一个关键的挑战性问题，普遍仅关注信号增强或干扰抑制问题，无法同步信号增强并干扰抑制。
在现有的方案中，信号增强方法会同时增大用户收到的干扰信号，而干扰抑制方法又会降低用户收到的有效信号，均会降低无线通信系统的性能。由于每一个RIS元素均为一个无源的贴片元器件，所以部分电磁波在反射的同时也会透过RIS，故研究人员对STAR-RIS的新概念表现出越来越大的兴趣。在STAR-RIS中，入射无线信号可以在STAR-RIS同侧的半空间内反射，同时入射无线信号也可以透射到STAR-RIS的另一侧的半空间内。因此，利用STAR-RIS的反射特性和透射特性，实现同步信号增强和干扰抑制方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于同步透射反射可重构智能表面(STAR-RIS)的无线通信系统，包括：基站1、小区1、用户1，c、用户1，e、STAR-RIS1、STAR-RIS2、基站2、小区2、用户2，c和用户2，e；
所述STAR-RIS1包括：RIS1控制器和RIS1面板，RIS1控制器控制RIS1面板，RIS1面板上的RIS元素数量用L1表示；
所述STAR-RIS2包括：RIS2控制器和RIS2面板，RIS2控制器控制RIS2面板，RIS2面板上的RIS元素数量用L2表示；
用户1，c表示小区1内的中心用户c，用户1，e表示小区1内的边缘用户e，用户2，c表示小区2内的中心用户c，用户2，e表示小区2内的边缘用户e；
基站1与用户1，c和用户1，e之间的信道为有效信道，基站2与用户1，c和用户1，e之间的信道为干扰信道，干扰信道经过STAR-RIS2与用户1，c和用户1，e之间的信道为透射信道，有效信道经过STAR-RIS1与用户1，c和用户1，e之间的信道为反射信道。
在上述方案的基础上，所述STAR-RIS1的透射矩阵Φ1,T和反射矩阵Φ1,R的表达式分别如下所示：
其中，β1,T,l∈(0,1],l＝1,2,…L1和β1,R,l∈(0,1],l＝1,2,…L1分别表示STAR-RIS1的透射幅度系数和反射幅度系数，且满足STAR-RIS1的透射相位系数φ1,T,l和反射相位系数φ1,R,l的表达式分别如下所示：
上式中，j表示虚数，θ1,T,l表示STAR-RIS1的透射相位，θ1,R,l表示STAR-RIS1的反射相位。
在上述方案的基础上，所述STAR-RIS2的透射矩阵Φ2,T和反射矩阵Φ2,R的表达式分别如下所示：
其中，β2,T,l∈(0,1],l＝1,2,…L2和β2,R,l∈(0,1],l＝1,2,…L2分别表示STAR-RIS2的透射幅度系数和反射幅度系数，且满足STAR-RIS2的透射相位系数φ2,T,l和反射相位系数φ2,R,l的表达式分别如下所示：
上式中，j表示虚数，θ2,T,l表示STAR-RIS2的透射相位，θ2,R,l表示STAR-RIS2的反射相位。
一种基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法，应用上述无线通信系统，该方法具体包括以下步骤：
步骤S1、将有效信道增益、干扰信道增益、反射信道增益和透射信道增益均发送至RIS1控制器和RIS2控制器，使RIS1控制器和RIS2控制器获取全部的信道增益信息；
步骤S2、假设基站1、用户1，c、用户1，e、基站2、用户1，c和用户1，e均为单天线，采用非正交多址接入技术，用户1，c和用户1，e共享相同的时域、频域和码域资源，用户2，c和用户2，e共享相同的时域、频域和码域资源，则用户1，c接收到的有效信号y1,c,u表示为：
上式中，ε1,1,c表示基站1到用户1，c的大尺度衰落，w1,1,c表示基站1到用户1，c的小尺度衰落，p1表示基站1的发射功率，ε1,R,c表示基站1-STAR-RIS1-用户1，c的反射大尺度衰落，R1,1,c表示STAR-RIS1-用户1，c的反射小尺度衰落，Φ1,R表示STAR-RIS1的反射矩阵，H1表示基站1到STAR-RIS1的小尺度衰落矩阵；
用户1，c接收到的干扰信号y1,c,i表示为：
上式中，ε2,1,c表示基站2到用户1，c的大尺度衰落，w2,1,c表示基站2到用户1，c的小尺度衰落，ε2,T,c表示基站2-STAR-RIS2-用户1，c的透射大尺度衰落，p2表示基站2的发射功率，T2,1,c表示STAR-RIS2-用户1，c的透射小尺度衰落，Φ2,T表示STAR-RIS2的透射矩阵，H2表示基站2到STAR-RIS2的小尺度衰落矩阵；
用户1，c接收到的信号y1,c表示为：
上式中，N0为加性高斯白噪声；
步骤S3、根据用户1，c接收到的干扰信号，利用STAR-RIS2的透射信号抑制用户1，c接收到的干扰，相应的干扰抑制问题可以定义为：
上式中，ε2,1,e表示基站2到用户1，e的大尺度衰落，w2,1,e表示基站2到用户1，e的小尺度衰落，ε2,T,e表示基站2-STAR-RIS2-用户1，e的透射大尺度衰落，T2,1,e表示STAR-RIS2-用户1，e的透射小尺度衰落，β2,T,l表示STAR-RIS2的透射幅度系数，φ2,T,l表示STAR-RIS2的透射相位系数；
其中P1和P2分别是小区1内的中心用户c和边缘用户e的优化问题，透射幅度系数约束(P1a)描述了STAR-RIS2的幅度特性，透射相位系数约束(P1b)描述了STAR-RIS2的相位特性，在本发明中，假设其连续理想可控；
以消除每一个用户接收到的干扰为目标，因此RIS2控制器首先生成干扰矩阵I2,1为：
为了设计STAR-RIS2的透射幅度系数和透射相位系数，需要生成STAR-RIS2的等效透射矩阵表达式如下所示：
其中：h2,R,l,l＝1,2,…,L2表示基站2到第l个RIS元素的小尺度衰落，t2,1,c,l,l＝1,2,…,L2表示基站2-第l个RIS元素-用户1，c的透射信道增益，t2,1,e,l,l＝1,2,…,L2表示基站2-第l个RIS元素-用户1，e的透射信道增益；
为了计算STAR-RIS2的透射矩阵，需要生成STAR-RIS2的透射幅度和透射相位向量表达式如下所示：
故STAR-RIS2的透射幅度和透射相位向量设计为：
步骤S4、当小区1中的用户接收到的干扰被抑制后，利用STAR-RIS1的反射信号增强小区1中用户接收到的有效信号，相应的信号增强问题可以定义为：
其中P3是小区1内的中心用户c的优化问题，反射幅度系数约束(P3a)描述了STAR-RIS1的幅度特性，反射相位系数约束(P3b)描述了STAR-RIS1的相位特性，在本发明中，假设其连续理想可控；
以加强小区1内的中心用户c接收到的有效信号为目标，因此在RIS1控制器首先生成等效反射信道表达式如下所示：
为了使用户接收到的有效信号最大化，P3中STAR-RIS1的反射幅度和反射相位向量设计为表达式如下所示：
其中：arg为取相位；
步骤S5、当STAR-RIS1和STAR-RIS2完成上述P1、P2和P3后，用户收到的干扰被抑制，且有效信号被提高，故基于此设计，小区1内的中心用户c收到的等效信号为y1,c，表达式如下所示：
在上述方案的基础上，所述H1和R1,1,c的表达式分别如下所示：
其中，H1和R1,1,c分别为L1×1和1×L1的向量，每一个元素均服从如下的莱斯分布：
上式中，h1,R,l表示基站1到第l个RIS元素的小尺度衰落，r1,c,l表示第l个RIS元素到用户1，c的反射小尺度衰落，和为莱斯因子，和为直射信道(Line-of-sight,LoS)分量，和为NLoS分量。
在上述方案的基础上，所述ε1,1,c表示为：其中d1,1,c表示基站1到用户1，c的距离，α1表示基站1到用户1，c的路径衰减系数，所述ε1,R,c表示为：其中d1,R和dR,1,c分别表示基站1到STAR-RIS1的距离和STAR-RIS1到用户1，c的距离，α2表示基站1到STAR-RIS1的路径衰减系数，α3,c表示STAR-RIS1到用户1，c的路径衰减系数或STAR-RIS2到用户1，c的路径衰减系数，所述ε2,T,c和ε2,T,e分别表示为和其中d2,R表示基站2到STAR-RIS2的距离，dR,1,e表示STAR-RIS1到用户1，e的距离，α3,e表示STAR-RIS1到用户1，e的路径衰减系数或STAR-RIS2到用户1，e的路径衰减系数，所述ε2,1,c表示为：其中d2,1,c表示基站2到用户1，c的距离，α4表示基站2到用户1，c的路径衰减系数，所述ε2,1,e表示为：其中d2,1,e表示基站2到用户1，e的距离。
与现有技术相比，本发明的优点在于，所提供的同步信号增强及干扰抑制方法具有更低的中断概率、更高的通信速率和分集增益以及应用能力强等优势，尤其适用于蜂窝网通信系统中。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是本发明提供的基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法的流程示意图；
图2是本发明提供的基于STAR-RIS的无线通信系统的结构示意图；
图3是本发明在不同RIS元素数量情况下的通信速率的性能对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
在本发明实施例中，将通过STAR-RIS进行蜂窝网的同步信号增强和干扰抑制，利用所提出的方法，在中断概率和遍历速率等方面均有显著改善。
本发明提出了一种基于同步透射反射可重构智能表面(STAR-RIS)的无线通信系统，如图2所示，包括：基站1、小区1、用户1，c、用户1，e、STAR-RIS1、STAR-RIS2、小区2、用户2，c、用户2，e和基站2；
所述STAR-RIS1包括：RIS1控制器和RIS1面板，RIS1控制器控制RIS1面板，RIS1面板上的RIS元素数量用L1表示；
所述STAR-RIS2包括：RIS2控制器和RIS2面板，RIS2控制器控制RIS2面板，RIS2面板上的RIS元素数量用L2表示；
用户1，c表示小区1内的中心用户c，用户1，e表示小区1内的边缘用户e，用户2，c表示小区2内的中心用户c，用户2，e表示小区2内的边缘用户e；
基站1与用户1，c和用户1，e之间的信道为有效信道，基站2与用户1，c和用户1，e之间的信道为干扰信道，干扰信道经过STAR-RIS2与用户1，c和用户1，e之间的信道为透射信道，有效信道经过STAR-RIS1与用户1，c和用户1，e之间的信道为反射信道。
在上述方案的基础上，所述STAR-RIS1的透射矩阵Φ1,T和反射矩阵Φ1,R的表达式分别如下所示：
其中，β1,T,l∈(0,1],l＝1,2,…L1和β1,R,l∈(0,1],l＝1,2,…L1分别表示STAR-RIS1的透射幅度系数和反射幅度系数，且满足STAR-RIS1的透射相位系数φ1,T,l和反射相位系数φ1,R,l的表达式分别如下所示：
上式中，j表示虚数，θ1,T,l表示STAR-RIS1的透射相位，θ1,R,l表示STAR-RIS1的反射相位。
在上述方案的基础上，所述STAR-RIS2的透射矩阵Φ2,T和反射矩阵Φ2,R的表达式分别如下所示：
其中，β2,T,l∈(0,1],l＝1,2,…L2和β2,R,l∈(0,1],l＝1,2,…L2分别表示STAR-RIS2的透射幅度系数和反射幅度系数，且满足STAR-RIS2的透射相位系数φ2,T,l和反射相位系数φ2,R,l的表达式分别如下所示：
上式中，j表示虚数，θ2,T,l表示STAR-RIS2的透射相位，θ2,R,l表示STAR-RIS2的反射相位。
本发明实施例提供了一种基于同步透射反射智能表面同步信号增强和干扰抑制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S110、将有效信道增益、干扰信道增益、反射信道增益和透射信道增益均发送至RIS1控制器和RIS2控制器，使RIS1控制器和RIS2控制器获取全部的信道增益信息；
假设基站1、用户1，c、用户1，e、基站2、用户1，c和用户1，e均为单天线，采用非正交多址接入技术，用户1，c和用户1，e共享相同的时域、频域和码域资源，用户2，c和用户2，e共享相同的时域、频域和码域资源，则用户1，c接收到的有效信号y1,c,u表示为：
上式中，ε1,1,c表示基站1到用户1，c的大尺度衰落，w1,1,c表示基站1到用户1，c的小尺度衰落，p1表示基站1的发射功率，ε1,R,c表示基站1-STAR-RIS1-用户1，c的反射大尺度衰落，R1,1,c表示STAR-RIS1-用户1，c的反射小尺度衰落，Φ1,R表示STAR-RIS1的反射矩阵，H1表示基站1到STAR-RIS1的小尺度衰落矩阵；
用户1，c接收到的干扰信号y1,c,i表示为：
上式中，ε2,1,c表示基站2到用户1，c的大尺度衰落，w2,1,c表示基站2到用户1，c的小尺度衰落，ε2,T,c表示基站2-STAR-RIS2-用户1，c的透射大尺度衰落，p2表示基站2的发射功率，T2,1,c表示STAR-RIS2-用户1，c的透射小尺度衰落，Φ2,T表示STAR-RIS2的透射矩阵，H2表示基站2到STAR-RIS2的小尺度衰落矩阵；
用户1，c接收到的信号y1,c表示为：
上式中，N0为加性高斯白噪声；
步骤S120、根据用户1，c接收到的干扰信号，利用STAR-RIS2的透射信号抑制用户1，c接收到的干扰，相应的干扰抑制问题可以定义为：
上式中，ε2,1,e表示基站2到用户1，e的大尺度衰落，w2,1,e表示基站2到用户1，e的小尺度衰落，ε2,T,e表示基站2-STAR-RIS2-用户1，e的透射大尺度衰落，T2,1,e表示STAR-RIS2-用户1，e的透射小尺度衰落，β2,T,l表示STAR-RIS2的透射幅度系数，φ2,T,l表示STAR-RIS2的透射相位系数；
其中P1和P2分别是小区1内的中心用户c和边缘用户e的优化问题，透射幅度系数约束(P1a)描述了STAR-RIS2的幅度特性，透射相位系数约束(P1b)描述了STAR-RIS2的相位特性，在本发明中，假设其连续理想可控；
以消除每一个用户接收到的干扰为目标，因此RIS2控制器首先生成干扰矩阵I2,1为：
为了设计STAR-RIS2的透射幅度系数和透射相位系数，需要生成STAR-RIS2的等效透射矩阵表达式如下所示：
其中：h2,R,l,l＝1,2,…,L2表示基站2到第l个RIS元素的小尺度衰落，
t2,1,c,l,l＝1,2,…,L2表示基站2-第l个RIS元素-用户1，c的透射信道增益，t2,1,e,l,l＝1,2,…,L2表示基站2-第l个RIS元素-用户1，e的透射信道增益；
为了计算STAR-RIS2的透射矩阵，需要生成STAR-RIS2的透射幅度和透射相位向量表达式如下所示：
故STAR-RIS2的透射幅度和透射相位向量设计为：
步骤S130、当小区1中的用户接收到的干扰被抑制后，利用STAR-RIS1的反射信号增强小区1中用户接收到的有效信号，相应的信号增强问题可以定义为：
其中P3是小区1内的中心用户c的优化问题，反射幅度系数约束(P3a)描述了STAR-RIS1的幅度特性，反射相位系数约束(P3b)描述了STAR-RIS1的相位特性，在本发明中，假设其连续理想可控；
以加强小区1内的中心用户c接收到的有效信号为目标，因此在RIS1控制器首先生成等效反射信道表达式如下所示：
为了使用户接收到的有效信号最大化，P3中STAR-RIS1的反射幅度和反射相位向量设计为表达式如下所示：
其中：arg为取相位；
步骤S140、当STAR-RIS1和STAR-RIS2完成上述P1、P2和P3后，用户收到的干扰被抑制，故基于此设计，小区1内的中心用户c收到的等效信号为y1,c，表达式如下所示：
在上述方案的基础上，所述H1和R1,1,c的表达式分别如下所示：
其中，H1和R1,1,c分别为L1×1和1×L1的向量，每一个元素均服从如下的莱斯分布：
上式中，h1,R,l表示基站1到第l个RIS元素的小尺度衰落，r1,c,l表示第l个RIS元素到用户1，c的反射小尺度衰落，和为莱斯因子，和为直射信道(Line-of-sight,LoS)分量，和为NLoS分量。
在上述方案的基础上，所述ε1,1,c表示为：其中d1,1,c表示基站1到用户1，c的距离，α1表示基站1到用户1，c的路径衰减系数，所述ε1,R,c表示为：其中d1,R和dR,1,c分别表示基站1到STAR-RIS1的距离和STAR-RIS1到用户1，c的距离，α2表示基站1到STAR-RIS1的路径衰减系数，α3,c表示STAR-RIS1到用户1，c的路径衰减系数或STAR-RIS2到用户1，c的路径衰减系数，所述ε2,T,c和ε2,T,e分别表示为和其中d2,R表示基站2到STAR-RIS2的距离，dR,1,e表示STAR-RIS1到用户1，e的距离，α3,e表示STAR-RIS1到用户1，e的路径衰减系数或STAR-RIS2到用户1，e的路径衰减系数，所述ε2,1,c表示为：其中d2,1,c表示基站2到用户1，c的距离，α4表示基站2到用户1，c的路径衰减系数，所述ε2,1,e表示为：其中d2,1,e表示基站2到用户1，e的距离。
场景设置如图2所示，仿真参数见表1。
表1参数设置
基站<sub>1</sub>-中心用户c的距离
30米
基站<sub>1</sub>-边缘用户e的距离
60米
基站<sub>1</sub>到STAR-RIS<sub>1</sub>的距离
70米
STAR-RIS<sub>1</sub>到边缘用户e的距离
15米
STAR-RIS<sub>1</sub>到中心用户c的距离
50米
基站<sub>2</sub>到中心用户c的距离
120米
基站<sub>2</sub>到边缘用户e的距离
90米
基站<sub>1</sub>到中心用户c的路径衰落系数
α<sub>1</sub>＝3
基站<sub>1</sub>到STAR-RIS<sub>1</sub>的路径衰落系数
α<sub>2</sub>＝2.8
STAR-RIS<sub>1</sub>到边缘用户e的路径衰落系数
α<sub>3,e</sub>＝2.5
STAR-RIS<sub>1</sub>到中心用户c的路径衰落系数
α<sub>3,c</sub>＝2.8
基站<sub>2</sub>到用户的路径衰落系数
α<sub>4</sub>＝3.5
NLoS的小尺度衰落系数
1
LoS的小尺度衰落系数
3
图3是在不同RIS元素数量情况下的通信速率的性能对比示意图，其中横坐标表示RIS元素数量，纵坐标表示用户的通信速率。分别对比传统的信号增强方法和干扰抑制方法。经验证，用户的通信速率性能得到了提升，其中，在低信噪比下，同步信号增强和干扰抑制方法的性能均优于传统的信号增强或干扰抑制方法；在高信噪比下，同步信号增强和干扰抑制方法的性能均优于传统的信号增强或干扰抑制方法。
综上所述，本发明提供的基于同步透射反射智能表面同步信号增强和干扰抑制方法。在下行阶段，用户收到有效信号和干扰信号，信号也会通过STAR-RIS透射和反射到用户，STAR-RIS首先通过透射进行干扰抑制，然后利用反射进行信号增强，加强用户的通信性能。本发明中STAR-RIS的所有RIS元件都是无源的。因此，本发明不仅能够对小区间的干扰进行抑制，而且能够同时加强用户收到的有效信号，进而提高了通信系统的质量。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。