曾 嶸 邵智敏

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 杭州 310018)

1 引言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù)廣泛應(yīng)用于第4代/第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。OFDM系統(tǒng)通常采用循環(huán)前綴或者零前綴的插入來(lái)實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的循環(huán)擴(kuò)展，從而消除多徑信道引起的符號(hào)間干擾和子載波間干擾[1]。由于OFDM技術(shù)的特點(diǎn)，如果信道在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)是非時(shí)變的，則一定長(zhǎng)度的循環(huán)前綴可以保持子載波之間的正交性[2]。在實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，相位噪聲和載波頻偏以及多普勒效應(yīng)等情況會(huì)引起載波間干擾(Inter Carrier Interference, ICI)，導(dǎo)致傳輸性能的下降。

盡管近幾十年來(lái)，由于超密集網(wǎng)絡(luò)(Ultra-Dense Network, UDN)等各種技術(shù)進(jìn)步，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率出現(xiàn)了一個(gè)大幅度的飛躍，大規(guī)模多輸入多輸出(Multi Inputs Multi Out, MIMO)和毫米波(mm-wave)通信、網(wǎng)絡(luò)能耗和硬件成本仍然是實(shí)際實(shí)現(xiàn)中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。

智能反射表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)上述挑戰(zhàn)性目標(biāo)的一種有前途的綠色且經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有望朝著智能可重構(gòu)發(fā)展，它們還將能夠感知、控制和優(yōu)化無(wú)線環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)低功耗、高吞吐量、大規(guī)模連接和低延遲通信的前景[4–7]。通過(guò)RIS可以以較小的網(wǎng)絡(luò)能耗和硬件成本來(lái)增強(qiáng)信號(hào)傳輸性能。在智能反射面通信環(huán)境中，通常有直接路徑和反射路徑，每個(gè)智能反射單元可以獨(dú)立控制相應(yīng)的反射系數(shù)。在每個(gè)單元的相位和振幅轉(zhuǎn)換過(guò)程中，物理上通常存在一定的反射系數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間[8,9]。此時(shí)，等效信道在RIS系數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以認(rèn)為是時(shí)變的，這將會(huì)導(dǎo)致子載波間干擾。目前，現(xiàn)有的分析一方面是針對(duì)信道多徑效應(yīng)引起的時(shí)延拓展[10,11]，另一方面是研究由信道時(shí)變引起的多普勒頻偏[12,13]來(lái)對(duì)OFDM系統(tǒng)的子載波間干擾進(jìn)行分析和開(kāi)展研究。在此基礎(chǔ)上，本文主要聚焦于等效信道時(shí)變引起的子載波間干擾。

針對(duì)智能反射面系數(shù)轉(zhuǎn)換引起的子載波間干擾，本文提出一種基于時(shí)變信道補(bǔ)償?shù)淖虞d波間干擾抑制算法，通過(guò)構(gòu)造干擾抑制矩陣來(lái)抑制相應(yīng)的子載波間干擾，有效地提高了此場(chǎng)景下的傳輸性能。

本文的其余部分組織如下：第2節(jié)介紹了RIS場(chǎng)景下的ZP-OFDM系統(tǒng)模型，第3節(jié)分析了RIS在進(jìn)行系數(shù)切換時(shí)ICI的功率，第4節(jié)提出了一種智能反射面系統(tǒng)中的干擾抑制技術(shù)，第5節(jié)給出了算法性能的仿真結(jié)果對(duì)比。最后，第6節(jié)對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)模型

3 干擾抑制算法

智能反射表面(RIS)可以通過(guò)靈活地配置每個(gè)單元的反射系數(shù)，從而提高信號(hào)傳輸?shù)男阅躘17]，RIS的信號(hào)傳輸如圖1所示?？紤]智能反射表面系數(shù)切換時(shí)間而導(dǎo)致的等效信道時(shí)變特性，此時(shí)ZPOFDM系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生子載波間干擾。該部分主要分為兩個(gè)部分：存在RIS系數(shù)切換時(shí)間的系統(tǒng)模型和相應(yīng)的干擾抑制算法。

圖1 RIS中信號(hào)傳輸框圖

3.1 RIS場(chǎng)景下系統(tǒng)模型

如圖2所示，當(dāng)以接收端定時(shí)為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行智能反射表面系數(shù)切換時(shí)，智能反射表面開(kāi)始系數(shù)切換的時(shí)間點(diǎn)為其相應(yīng)反射信號(hào)到達(dá)接收端的第N+1個(gè)采樣點(diǎn)開(kāi)始使能，考慮到RIS和接收段之間存在傳播延遲，令其為η，因此RIS開(kāi)始系數(shù)切換的時(shí)間點(diǎn)會(huì)提前η，即在反射信號(hào)到達(dá)接收端的第N+1個(gè)采樣點(diǎn)的前η個(gè)時(shí)間單位時(shí)開(kāi)始進(jìn)行切換，令切換時(shí)間長(zhǎng)度為d，則此時(shí)的信道矩陣H0可以表示為

圖2 ZP-OFDM信號(hào)接收?qǐng)D

可以看出，將其與沒(méi)有系數(shù)切換的無(wú)子載波間干擾的情況相比，區(qū)別主要在Hl部分，之后要對(duì)干擾矩陣進(jìn)行分析并基于此提出相應(yīng)的ICI干擾與抑制補(bǔ)償算法。

3.2 ICI干擾抑制算法

如上所述，由于智能反射表面系數(shù)存在切換時(shí)間而導(dǎo)致的等效信道時(shí)變所造成的子載波間干擾和符號(hào)間干擾，引起系統(tǒng)性能下降。本節(jié)首先構(gòu)建干擾抑制矩陣，然后利用該矩陣對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，抑制子載波間干擾。

接著先獲得配置前和配置后RIS反射系數(shù)[21]，主要步驟分為以下幾點(diǎn)：

(1) 為每個(gè)反射單元設(shè)置一個(gè)初始反射系數(shù)，并激活RIS上部分反射單元；各個(gè)反射單元被激活后可以反射射向其的電磁信號(hào)；

(2) 將其余反射單元進(jìn)行分組，激活第1組反射單元，并改變第1組反射單元的反射系數(shù)，使RIS在不同反射系數(shù)的條件下進(jìn)行掃描；通過(guò)比較用戶UE反饋的數(shù)據(jù)，確定所述第1組反射單元的最優(yōu)反射系數(shù)；

(3) 激活下一組反射單元，并改變下一組反射單元的反射系數(shù)，使RIS在不同反射系數(shù)的條件下進(jìn)行掃描；通過(guò)比較用戶反饋的數(shù)據(jù)，確定所述下一組反射單元的最優(yōu)反射系數(shù)；

補(bǔ)償后的信號(hào)噪聲為

4 性能分析

將時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT解調(diào)后，得到頻域接收信號(hào)為

其中，式中第1項(xiàng)為期望信號(hào)，第2項(xiàng)為產(chǎn)生的ICI干擾，第3項(xiàng)為噪聲干擾。

接著采用OLA(交疊相加算法)來(lái)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行均衡，將該部分信號(hào)加到接收信號(hào)上，并結(jié)合式(9)，式(10)，式(22)，式(23)，可以將ICI干擾轉(zhuǎn)化為

5 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)重點(diǎn)對(duì)基于時(shí)變信道補(bǔ)償?shù)淖虞d波間干擾抑制算法進(jìn)行仿真和結(jié)果分析，驗(yàn)證了該算法的可行性和提升誤碼性能的優(yōu)勢(shì)。在仿真環(huán)境中，本文采用Jakes信道模型模擬實(shí)際的信道環(huán)境。具體參數(shù)設(shè)置：子載波數(shù)N為1024，循環(huán)前綴 ZP長(zhǎng)度為16，載波頻率fc為2 GHz，產(chǎn)生瑞利過(guò)程的正弦數(shù)M為40，設(shè)置相對(duì)移動(dòng)速度v為20 km/h。

首先，對(duì)于不同切換長(zhǎng)度d的情況下，文獻(xiàn)[22]中的ICI干擾補(bǔ)償算法以及傳統(tǒng)的ICI自消除算法(ICI self-Cancellation)與本文提出的干擾抑制(RISIR)算法的系統(tǒng)的傳輸?shù)恼`碼率以及系統(tǒng)的ICI功率進(jìn)行仿真，設(shè)置SNR=20，那么不同切換長(zhǎng)度d情況下的誤碼率圖以及ICI功率圖如圖4和圖5所示。

圖3 切換時(shí)間長(zhǎng)度d和ICI功率的關(guān)系圖

在圖4可以看出，隨著d的增大，ICI干擾不斷增大，誤碼率不斷增大。和性能分析中ZP-OFDM中的ICI分析得出的結(jié)果一致，另外，本文所提出的RIS-IR算法在不同切換長(zhǎng)度d下系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率要明顯低于文獻(xiàn)[22]提出的算法以及傳統(tǒng)的ICI自消除算法。

圖4 誤碼率和切換長(zhǎng)度d的關(guān)系圖

圖5比較了不同算法對(duì)于ICI功率的抑制能力?？梢钥闯?，在不同切換長(zhǎng)度d的條件下，本文提出的RIS-IR算法相比于傳統(tǒng)ICI自消除干擾抑制算法以及文獻(xiàn)[22]中的算法對(duì)于ICI的抑制更加有效，也驗(yàn)證了本文提出的RIS-IR算法的可行性。

圖5 ICI功率和切換長(zhǎng)度d的關(guān)系圖

圖6比較了在RIS環(huán)境下存在系數(shù)切換的條件下，傳統(tǒng)ICI自消除算法以及文獻(xiàn)[22]中的算法與提出的RIS-IR算法對(duì)于系統(tǒng)的傳輸誤碼率的性能。仿真結(jié)果表明，在智能反射表面系數(shù)切換時(shí)間的條件下，本文提出的干擾抑制算法相比于傳統(tǒng)算法能夠明顯提升傳輸正確性，減少誤碼率，對(duì)系統(tǒng)的SER性能的改善較為明顯，且SNR越大，降低誤碼率的效果就越明顯。

圖6 提出算法補(bǔ)償后誤碼率性能比較圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文著重研究了傳播環(huán)境中存在智能反射表面的ZP-OFDM系統(tǒng)，當(dāng)其智能反射表面配置的每個(gè)單元的反射系數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生子載波間干擾。本文基于配置前后參數(shù)的不同，通過(guò)構(gòu)建子載波間干擾抑制矩陣，抑制由于反射系數(shù)變化所等效的時(shí)變信道對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而獲得較好的系統(tǒng)誤碼率和吞吐量性能。仿真結(jié)果表明，子載波間干擾在構(gòu)建干擾抑制矩陣后得到了有效抑制，本文提出的干擾抑制算法對(duì)于系統(tǒng)的傳輸性能有較明顯的提升。然而，本文的仿真環(huán)境較為理想化，只考慮了Jakes信道模型來(lái)模擬傳輸?shù)男诺?，下一步可?duì)Clarke模型等其他典型信道進(jìn)行研究。