1、第51卷 第3期2023 年 3 月华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.51 No.3Mar.2023基于TR的超宽带智能反射面建模与优化葛晓虎 喻可(华中科技大学电子信息与通信学院，湖北 武汉 430074)摘要 针对超宽带智能反射面(IRS)无线通信系统中的时延扩展会造成符号间干扰(ISI)及影响系统性能的问题，研究了基于时间反演(TR)的超宽带IRS无线通信系统建模与优化首先，基于Rake接收机建立了干扰分析模型，分析了Rake接收机的抽头参数对信干噪比(S
2、INR)、误比特率(BER)的影响仿真分析表明：与1 GHz带宽相比，2 GHz带宽下的ISI使得IRS无线通信系统SINR降低4.73 dB，BER性能损失789%其次，将TR技术引入到超宽带IRS无线通信系统，在接入点(AP)使用TR技术进行预滤波，利用TR技术的时空聚焦特性抑制IRS通信系统ISI，并提出了一种基于TR技术的联合优化AP端TR预滤波器波形和IRS反射因子新算法仿真结果表明：与随机相位算法相比，新算法将IRS无线通信系统和速率提升了165%关键词 智能反射面；时延扩展；干扰分析；时间反演；性能分析；联合优化中图分类号 TN929.5 文献标志码 A 文章编号 1671-45
3、12(2023)03-0007-10Modeling and optimization of ultra-wideband intelligent reflecting surface based on time reversalGE Xiaohu YU Ke(School of Electronic Information and Communications，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract The inter-symbol interference(ISI)problem a
4、nd system performance are significantly affected by the delay spread in ultra-wideband intelligent reflecting surface(IRS)wireless communication systemsModeling and optimization of ultra-wideband IRS wireless communication systems based on time reversal(TR)were studied to overcome this problemFirst，
5、the interference analysis model was established based on the Rake receiver and the influence of tap parameter of the Rake receiver on signal-to-interference-plus-noise-ratio(SINR)and bit error ratio(BER)was analyzedSimulation results show that compared with the SINR and BER at 1 GHz bandwidth，ISI at
6、 2 GHz bandwidth reduces the SINR by 4.73 dB and BER by 789%Then，the TR technology was introduced into the ultra-wideband IRS wireless communication systems，TR technology was leveraged to prefilter at the access point(AP)and spatial-temporal focusing properties of TR technology was used to suppress
7、the ISI of IRS wireless communication systemsA new algorithm based on TR technology was proposed to jointly optimize the waveform of the pre-filter at AP and the reflecting factor of IRSSimulation results show that the new algorithm improves the sum rate of the IRS wireless communication systems by
8、165%compared with the sum rate of IRS wireless communication systems adopting the random phase algorithmKey words intelligent reflecting surface；delay spread；interference analysis；time reversal；performance analysis；joint optimization智能反射面(IRS)是由大量被动无源反射单元组成的二维反射阵列，每个反射单元都可以单独地改变入射信号的相位和幅度将IRS放置于接入点(
9、AP)与用户之间，可以为用户提供反射信道，增强用户接收信号，提升用户的服务质量传统无线通信环境被认为是不可控的因素，通过引入IRS，可DOI：10.13245/j.hust.238904收稿日期 2021-12-28作者简介 葛晓虎(1972-)，男，教授，E-mail：基金项目 国家自然科学基金资助项目(U2001210)华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷以达到无线传输环境智能可控的目的传统无线通信系统研究中，干扰分析1-2与性能优化3-4是通信系统中的关键问题然而，在超宽带IRS系统中，干扰建模与性能优化没有得到广泛的研究文献5中研究了一个简单的多输入单输出(
10、MISO)单用户通信系统，使用IRS辅助通信，通过对AP波束赋形和IRS反射因子进行联合优化，提升系统通信性能文献6将文献5中的单用户场景扩展到了多用户场景文献7中考虑离散的IRS相位控制，在多用户场景下，通过波束赋形和离散的反射因子设计对系统进行优化文献8在太赫兹通信场景下，研究了IRS通信系统和速率最大化问题文献9研究了多用户多IRS场景下，系统和速率优化问题然而，上述工作局限于窄带衰落的场景，当考虑更常见的宽带频率选择性衰落信道时，由众多IRS反射单元造成的多径效应使得问题变得更加复杂和难以求解不同于上述工作，本研究考虑了超宽带IRS通信系统反射单元所造成的时延扩展问题在超宽带无线通信系
11、统中，IRS反射单元间的时延差所造成的时延扩展会引起符号间干扰(ISI)问题，影响系统性能，使得接收机设计变得更加复杂，同时也给IRS反射因子的优化带来了挑战在超宽带场景下，可将众多IRS反射单元视做一个多径环境，与传统多径环境所不同的是，该多径环境可以通过调节IRS反射因子来改善信道条件在这样的场景下，本研究引入了时间反演(TR)技术TR技术起源于声学10，因其显著的时空聚焦特性而广受关注11，并在无线通信系统中得到了广泛的应用近些年来，研究人员将TR技术应用于无线通信系统中，构建新型的无线通信系统，推动无线通信技术取得新的进步12TR技术的时空聚焦特性在多径环境中表现得更加显著13，而超宽
12、带IRS系统自身具有大量多径环境，因此TR技术与超宽带IRS系统有着天然的契合度TR技术可以通过减小系统时延扩展，来降低超宽带系统的ISI14TR无线通信系统仅需一个单抽头的简单接收机来接收信号，可以降低接收机设计复杂度并且，在单天线系统中使用TR技术就可以达到多天线的性能效果，使得系统设计复杂度大大降低15这里研究超宽带 IRS 无线通信系统，考虑了IRS 反射单元之间的时延差所造成的时延扩展问题在多用户场景下，引入 TR 技术来抑制系统ISI，利用 TR 技术的时空聚焦特性简化接收机设计，在此基础上提出了一种联合优化AP端TR波形和 IRS 反射因子的新算法，提升 IRS 通信系统和速率1
13、 系统和信道模型 1.1系统模型考虑一个超宽带IRS无线通信系统，其系统模型如图1所示其中有一个单天线AP服务U个单天线用户，IRS提供反射链路，其每行、每列分别有M和N个反射单元，反射单元总数为MN这里考虑 AP-IRS 和 IRS-UESR 链路的视距(LOS)信道，忽略 AP-USER 直射链路将 AP，IRS和 USER 放置于笛卡尔坐标系中，设AP位于y-o-z平面，IRS位于x-o-z平面，U个用户随机分布于x-o-y平面的一个圆中，圆心记为C，其笛卡尔坐标记为(Cx，Cy，0)设 AP、第u(u 0，1，U-1)个用户中心点笛卡尔坐标分别为(0，Ay，Az)和(ux，uy，0)，
14、IRS的第一个反射单元(最靠近原点的反射单元)笛卡尔坐标为(Ix，0，Iz)在此坐标系中，设置单位长度为1 mIRS反射单元的尺寸大小与间隔通常设置为次载波波长数量级16，因此设置反射单元的尺寸为c/2，其间隔也设置为c/2，其 中c为 载 波 波 长，于 是 IRS 的 尺 寸 大 小为MN2c1.2时延扩展假定IRS行和列的增长方向为图1中笛卡尔坐标 系 的 正 方 向，用I(m，n)表 示 IRS 中 第m(m 0，1，M-1)行、第n(n 0，1，N-1)列的反射单元，于是可以计算出I(m，n)的中心坐标为(Ix+mc，0，Iz+nc)于是AP 到I(m，n)的距离计算为DA，I(m，
15、n)=(Ix+mc)2+A2y+(Iz+nc-Az)21/2，I(m，n)到用户u的距离计算为DI(m，n)，u=(Ix+mc-ux)2+uy2+(Iz+nc)21/2于是可以计算出经过I(m，n)反射的信号的路径时延为(DA，I(m，n)+DI(m，n)，u)/c0，其中c0为电磁波在真空中图1系统模型8第 3 期葛晓虎，等：基于TR的超宽带智能反射面建模与优化的传播速度由IRS反射单元造成的时延17表示为(m，n)/(2fc)，其中：(m，n)为由反射单元I(m，n)造成的相移；fc为载波频率于是可以把I(m，n)径的总时延表示为u(m，n)=(DA，I(m，n)+DI(m，n)，u)/c
16、0+(m，n)/(2fc)(1)于是，对于用户u，由IRS反射单元造成的时延扩展为Tud=maxm，n u(m，n)-minm，n u(m，n)1.3信道模型LOS信道下，AP到I(m，n)的路径衰减因子可以表示为18BA，I(m，n)=cGA，I(m，n)exp(-j2DA，I(m，n)/c)/(4DA，I(m，n)，(2)式中：GA，I(m，n)为在LOS方向上AP发射天线发射增益和I(m，n)接收增益的增益之积；exp(-j2DA，I(m，n)/c)为距离所引起的相移同理，I(m，n)到用户u的路径衰减因子可以表示为BI(m，n)，u=cGI(m，n)，uexp(-j2DI(m，n)，u/c)/(4DI(m，n)，u)，(3)式中GI(m，n)，u为在LOS方向上I(m，n)发射增益和用户u接收天线接收增益的增益之积于是可以将用户u的级联连续信道脉冲响应(CIR)表示为hu(t)=m=1Mn=1Nbum，nejum，n(t-u(m，n)，式 中：()为 狄 拉 克 函 数；bum，n=|BA，I(m，n)BI(m，n)，u(m，n)|为 级 联 信 道 增 益；um，n=2DA，
