基于智能反射表面的未来无线通信系统信道估计算法研究文献综述

 2023-08-15 11:08

文献综述(或调研报告):

未来6G及以上的无线网络具有挑战性的技术需求和潜在应用使得移动通信的未来备受关注。自从无线通信进入现代时代,位于发送端和接收端之间的信息的传输媒介一直被认为是具有随机行为的实体,由于周围环境对我们传输的无线电磁波存在不可控制的干扰,接收信号的质量大大降低。最近无线通信智能反射表面的出现使得传输环境变得可控,进而可以提高接收信号质量[1]。

智能反射表面是利用电磁材料制造的人造表面,可通过集成电子设备进行电子控制,并具有独特的无线通信功能。当前的实现方式包括常规反射阵列,液晶表面和软件定义的元表面[2] – [4]。与当前在无线网络中使用的任何其他技术和无线通信的当前设计原理相比,智能反射表面的显着特征在于环境可被认为控制,旨在有目的地和确定性地控制传播环境,以提高接收器的信号质量[5][2][6]。

文献[1]通过无线通信中广泛使用的两射线模型阐述了可控的无线传输的概念证明了引入智能反射表面的优势,同时介绍了智能表面的基本硬件工作机制。文献[1]还提出了一种用于计算智能表面辅助系统的差错性能的数学模型,证明其在未来超高速移动宽带应用中可以大大提高功率效率。过去的一两年内很多作者提出了关于智能表面的一些研究和创新的方案,具体涉及到理论信噪比和符号差错概率的推导[7]、信道估计、信噪比最大化[8]、主动和被动波束成形优化问题、机器学习工具的应用、物理层安全问题以及智能表面在毫米波通信、无线光通信、可见光通信领域的潜在应用。值得注意的是,上述方案的实现需要完整的信道状态信息,基站也需要智能表面的相位的信息来进行波束形成。

在信道估计方面,使智能反射表面辅助通信成为具有竞争力的低复杂度和节能技术的基本假设之一在于它几乎是无源的实现。这意味着,在理想情况下,智能反射表面不依靠于功率放大器,信道估计器等。因此,根本问题在于智能反射表面如何估计优化所需的信道,也就是反射相位,以及它们怎样把信道信息报告给发射机、接收机或者任何掌管计算最佳相位的网络控制器。

文献[9],[10]中提出了二进制反射方法,其中智能反射表面依次启动每个反射元件,同时保持其余反射元件关闭。然后,基站依次估算级联信道,该级联信道由从基站到一个典型反射元件以及从该元件到用户的信道组成。

在文献[11]中,通过在整个训练周期中打开所有反射元素,提出了一个最小方差无偏信道估计器,其中由智能反射表面引起的最佳相移矩阵显示为离散傅立叶变换矩阵。该方法在文献[12],[13]中得到了进一步扩展,作者假设该表面可以划分为多个子表面,其中每个子表面都包含一些具有共同反射系数的相邻反射元件。但是,上述方法的训练开销随反射元素(或子表面)的数量而增加,这导致很大的训练开销并降低了频谱效率。

文献[6]提出一种可能的解决方案是在智能反射表面中嵌入低功耗的传感器,由能量采集模块供电,这些传感器负责感知信道,然后将它们报告给位于智能反射表面上的网关,网关再将它们发送给网络控制器。这个解决方案依赖于至少一个功率放大器和一个模数转换器,但是它的优点是不需要在智能反射表面上进行计算。

文献[10]提出的另一个解决方案是在不考虑智能反射表面和收发机之间的单个信道的情况下估算最佳相位,而只考虑它们之间的组合(或乘积)信道,提出了发送端到智能反射表面到接收端的级联MIMO信道估计的一般概念。与了解单个信道相比,此方法的最优性以及相关的复杂性、性能和估计开销的权衡是一个重要问题。更一般地说,有效的信道估计和反馈协议的设计使智能反射表面成为可能,但是相关的性能和复杂性之间的权衡有待解决。

文献[14]的作者提出了一种针对智能反射表面单用户、多输入单输出系统的信道估计方法,特别是,作者考虑到智能表面没有有源元件。为了实现有效的功率传输,提出了主动和被动的近乎最优波束形成设计。

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