RIS辅助的无线通信系统信道统计分布分析

作     者：孟凡旭 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨亮

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：可重构智能表面 小参数近似 矩匹配 无人机通信 

摘      要：现代无线通信技术的研究表明自由空间的随机性和不确定是导致接收信号发生形变和失真的关键。可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,R IS)技术可以实现智能可配置的无线传输环境,为进一步提高无线传输性能提供了新的思路。早期RIS的研究主要集中在波束成形和信道估计算法的优化,在性能分析方面较少,没有一个完整且精确的框架来对基于RIS的无线通信系统进行分析。主要原因是没有较为精确的近似方案能够对RIS辅助的无线通信系统信道统计分布进行估计。针对该问题,本文提出了RIS辅助的两种不同的无线通信系统(基于RIS的类无线中继、基于RIS的射频发射机)信道统计分布的精确近似方案。具体来说,本文基于小参数近似方法对两种信道模型的数学统计分布进行了精确近似,并使用矩估计的方法对近似概率密度函数的整形参数进行了估计。基于所提出的近似方案,对系统的中断性能、平均误码率进行了分析,并得到了两种不同系统下的分集增益分别为N-1(27)G(27)N、N。其次,推导出了信道容量的精确表达式和上边界解析式,证明了RIS只能为系统提供分集增益。最后,通过对比小参数近似方案与中心极限定理方案的数值结果,证明了前者无论是在高信噪比下还是在反射单元数较少时均具有更高的精确性。针对通信系统频谱有限且效率低等问题,提出了一种RIS辅助的上行链路通信系统。具体来说,使用RIS作为虚拟无线中继来优化上行链路信号,并对入射电磁波进行二次调制以嵌入待发送信息。因此,多个用户可以共享同一频谱。其次,对于所提出的上行链路通信系统,给出了完整的调制解调方案,并推导出了接收信号星座点间欧几里得距离的概率密度函数的精确近似。最后,基于近似结果推导出了系统的平均BER性能的解析表达式,证明了使用RIS来构建该通信系统是可行的。为了提升通信系统的覆盖范围和稳定性,提出了一种RIS辅助的无人机(U n m an n ed A eri al V eh i cl e,U A V)双跳通信系统。作为一种空中通信平台,U A V能够构建接入点之间的视距链路有效地扩大通信范围。但是,当传输环境中存在较多障碍物时,UAV需要灵活的调整位置以建立稳定的连接。这不仅导致UAV功耗增加,而且带来了连接不稳定、通信速率低等问题。研究表明,使用RIS来辅助UAV通信系统是解决上述问题的一种有效手段。但是,独特的硬件结构和三维空间位置变化导致RIS辅助的UAV通信系统的信道统计分布变得复杂。针对这些问题,本文首先在瑞利-Rician衰落信道下对RIS辅助的空地信道统计分布进行了精确近似。基于所提出的数学模型,对系统的中断概率、平均误码率和平均信道容量进行了理论分析,并推导出高信噪比下的渐近性能表达式和精确的信道容量上边界闭式解。其次,通过数值分析结果和仿真结果,证明R IS能够显著增强U A V通信系统的通信距离、覆盖范围和链路稳定性。最后,得出了UAV的位置与系统性能之间的关系,并给出了UAV的最佳位置和最佳高度分析,为优化通信系统的性能提供了理论依据。