[0007] 本发明针对低精度A/D受限条件下智能反射面辅助的毫米波通信系统，通过对智能反射面和使用低精度A/D的基站端模拟波束形成进行联合设计，对同一波束方向上的多用户间强干扰提出了相应基于波束分裂的非迭代干扰抵消方法。本方法能够在信道状态信息(Channel State Information，CSI)全部已知或部分已知的情况下，通过设计基站端波束形成、波束分裂功率分配系数、及智能反射面反射系数，在不采用数字端预编码器的情况下，显著降低用户间干扰，从而达到大幅提高系统性能并显著降低系统硬件成本和功耗的目的。
[0008] 本发明的技术方案包括以下步骤：
[0009] 步骤1、信道模型和应用场景。
[0010] 考虑单个模拟数字混合架构基站(BS)、两个单天线用户(Users)和单个智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)辅助收发机通信的毫米波通信场景。该毫米波通信系统在时分双工(TDD)模式下运行，并假设基站端和用户完全同步。基站端(BS)有M个天线，智能反射面RIS有N个无源反射元件，且天线阵列均为均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)。基站与智能反射面RIS通过一个控制器(例如：FPGA)相连接，以控制智能反射面上的每个无源反射器件的相位。基站端每个射频链路中配置两个低精度A/D(实部和虚部)，同时为用户端配置高精度A/D。在该场景中，两个用户相对于基站在同一波束方向上完全重叠，因此存在严重的用户间干扰。而采用传统数字预编码和模拟波束形成等方法，均无法有效降低用户间的严重干扰。
[0011] 在下行链路信号传输过程中，基站端(BS)信号经过射频链路后通过移相器网络映射到M个天线上进行发射，分别经过基站‑用户主达信道和基站‑RIS‑用户反射信道到达用户端，接收信号 为：
[0012]
[0013] 其中， 和 分别代表基站‑用户以及RIS‑用户的信道，且 和 分别表示为：
[0014]
[0015] 以及
[0016]
[0017] 其中， 和 分别表示基站‑用户以及RIS‑用户信道的平均路径损耗， 和分别表示信道第i个散射分量 以及 的小尺度衰落幅度值，其服从均值为零、方差为1的复高斯分布。 代表基站‑RIS信道，其中 是在智能反射面板端的入射角张成的等效信道， 是在基站端的入射角张成的等效信道，参数上标“T”表示转置，参数上标“*”表示共轭， 代表RIS反射系
数矩阵， 和φi∈[0，2π]分别表示RIS第i个反射元件的幅度和相位调节系数，
2
表示信道的莱斯系数，z为方差为σ的复高斯白噪声。 代表基站端精度为b‑bit的量b
化器处理操作，其提供了由实数集 向2个量化点的映射。 是模拟波束成形矩阵，可表示为：
[0018] FRF＝[f1，f2] (4)
[0019] 其中，f1、f2分别代表对用户1和用户2的模拟波束形成器， 是有限字符发H送信号，满足E[xx]＝ESIk，其中ES为发送信号符号的平均功率，I2表示2×2的单位矩阵。每个维度的x被调制为等概率、均匀分布的b‑bit PAM输入信号，表示为：
[0020]
[0021] 其中，Δ是量化器的量化间隔，b表示量化的比特数，为正整数。
[0022] 步骤2、利用波束分裂方法设计部分发射波束；
[0023] 发送信号之前，基站端已知的信道信息包括：基站‑用户的直接链路的信道状态信息 基站‑RIS信道(G)，以及RIS‑用户完整的信道状态信息 在此基础上，基站端移相器网络将原直接指向用户最强到达角方向的波束进行分裂，可表示如下：
[0024]
[0025]
[0026] 其中，fL，k代表完全指向用户k最强到达方向的波束，fR，k代表面向用户k分裂出的另一个波束。ρk代表指向用户k波束的功率分配系数。
[0027] 根据以上描述，用户1和用户2的接收信号y1和y2可分别表示为：
[0028]
[0029]
[0030] 其中，y1信号中前半部分信号为用户1的期望信号，后半部分内为用户2对用户1的干扰信号。y2信号中前半部分为用户2对用户1的干扰信号，后半部分信号为用户2的期望信2
号；z1和z2为服从均值为0，方差为σ的复高斯白噪声。
[0031] 为保证直接指向用户的波束足够强，设计指向用户的波束fL，k如下：
[0032]
[0033] 其中， 是基站指向用户k的最强到达角方向所张成的信道向量。参数上标“*”表示共轭；用户2对用户1的干扰信号I1表达式可分解为如下：
[0034]
[0035] 为最大化利用智能反射面所提供的阵列增益，并以此抵消极大的同向干扰，首先设计fR，2为如下：
[0036]
[0037] 其中，hM是基站指向智能反射面的最强到达角方向所张成的信道向量。
[0038] 步骤3、设计智能反射面反射系数；
[0039] 根据比较用户1的干扰信号I1中四项子干扰的大小量级和影响因素，选取幅度较强且固定的第一项子干扰 及幅度可由智能反射面控制且相位可保持反相的第四项子干扰 进行抵消。
[0040] 在已知fL，2以及fR，2的条件下，设计智能反射面移相器相位以满足反射的信号能抵消用户2的直达信号对用户1所造成的干扰，设计智能反射面反射系数矩阵 如下：
[0041]
[0042] 其中， ζ代表设计的智能反射面的幅度调节系数。ζ的设计目的是进一步压缩第二项及第三项子干扰的信号大小同时使得功率分配系数的设计更加合理。ζ的设计完成之后，在后续信号处理过程中将保持不变(ζ的取值可为 )。
[0043] 步骤4、根据设计的智能反射面反射系数，执行用户干扰抵消发射波束设计方法及功率分配系数设计方法；
[0044] 为满足用户1干扰抵消，需满足以下方程：
[0045]
[0046] 将公式(10)、(12)、(13)代入(14)即可求解用户2的功率分配系数应设计为：
[0047]
[0048] 其中，
[0049] 将用户2的干扰信号部分进行分解为如下：
[0050]
[0051] 根据比较用户2的干扰信号I2中四项子干扰的大小量级和影响因素，选取幅度较强且固定的第一项子干扰 及幅度可由智能反射面控制且相位可保持反相的第四项子干扰 进行抵消。为满足在用户1处进行用户2信号的干扰抵消操作，需为用户2的波束分裂设计相应的波束分裂形成fR，1如下：
[0052]
[0053] 为满足用户2干扰抵消，功率分配系数以满足以下方程：
[0054]
[0055] 将公式(10)、(12)、(17)代入(18)，可求解用户1的功率分配系数应设计为：
[0056]
[0057] 其中，
[0058] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
[0059] (1)本发明所提出的算法是非迭代的，相较于现有的迭代优化算法，减少了波束成形的复杂度和所需要的计算量，更利于实际的毫米波通信系统应用。
[0060] (2)本发明所提出的算法显著地降低了毫米波通信系统在用户位置相互遮挡时严重的用户间干扰，大幅提升了系统的性能。
[0061] (3)本发明是基于低精度A/D受限的毫米波通信系统，显著降低了传统毫米波通信系统硬件成本，功耗以及计算复杂度，提高了系统的能效比。
[0062] (4)本发明考虑的输入信号是有限字符输入，更加符合实际A/D受限系统的硬件条件及信号处理流程。
