IRS辅助的MU-MISO非线性预编码技术研究

作     者：印明建 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑贱平;李浩

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：多用户多输入单输出 一比特非线性预编码 智能反射面 交替优化框架 交替方向乘子法 坐标下降方法 加速近端下降 

摘      要：当前,无线通信的应用保持快速增长,对高速率和低延迟等性能的需求也在不断增加。为了满足这些需求,已经提出了多种解决方案,如大规模多输入多输出(Massive MIMO)、毫米波(mmWaves)和超密集网络等方案。但这些方案对通信系统性能的改善似乎已经到达了上限,需要不同方向的新技术来实现无线通信的根本性进步。为了解决此问题,有研究提出智能反射面(IRS)这一概念,通过改变其相移幅值参数智能地调节传播环境,以提升无线通信系统的性能。为了进一步降低系统能耗和硬件复杂度,本文主要对IRS辅助的多用户多输入单输出(MU-MISO)下行链路通信系统基站端一比特预编码和IRS处反射矩阵的优化设计展开研究。 首先本文研究了无源IRS辅助的MU-MISO联合预编码,提出了一种基于交替优化(AO)框架的优化算法,以迭代的方式对基站端一比特非线性预编码和IRS处反射元件的离散相移进行联合优化,以最小化均方误差(MSE)。具体的,在基于AO框架的优化算法中分别使用交替方向乘子法(ADMM)和坐标下降方法(CDM)优化非线性预编码和反射元件的离散相移。此外,针对相移键控和正交幅度调制两种不同调制方式给出了不同的优化过程。为了进一步降低算法的复杂度,还引入了线性ADMM和最大和广义近似消息传递以避免ADMM中复杂的矩阵求逆过程。在性能损失不大的前提下,它们能够有效降低ADMM的算法复杂度。最后给出仿真结果证明提出算法的有效性。 其次本文研究了基于子连接架构的有源IRS辅助的MU-MISO联合预编码,以最小均方误差(MMSE)为优化目标提出了一种基于AO框架的优化算法,对基站端一比特非线性预编码,IRS处反射元件的幅值和离散相移展开联合优化。具体的,在AO框架中,使用ADMM优化基站端一比特非线性预编码,使用加速近端梯度(APG)算法和CDM分别优化有源IRS的幅值和相移。此外,本文还分析了有源IRS辅助的MU-MISO下行链路的能耗和能效模型。仿真结果表明IRS的子连接架构相比于全连接架构拥有更高的能效,并且反射元件的离散相移相比于其连续相移有着更高的能效。