零前缀OFDM中智能反射表面环境下干扰抑制算法研究

曾 嵘 邵智敏

(杭州电子科技大学通信工程学院 杭州 310018)

1 引言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术广泛应用于第4代/第5代移动通信系统中。OFDM系统通常采用循环前缀或者零前缀的插入来实现OFDM系统的循环扩展，从而消除多径信道引起的符号间干扰和子载波间干扰[1]。由于OFDM技术的特点，如果信道在一个OFDM符号周期内是非时变的，则一定长度的循环前缀可以保持子载波之间的正交性[2]。在实际的移动通信系统中，相位噪声和载波频偏以及多普勒效应等情况会引起载波间干扰(Inter Carrier Interference, ICI)，导致传输性能的下降。

尽管近几十年来，由于超密集网络(Ultra-Dense Network, UDN)等各种技术进步，无线网络的频谱效率出现了一个大幅度的飞跃，大规模多输入多输出(Multi Inputs Multi Out, MIMO)和毫米波(mm-wave)通信、网络能耗和硬件成本仍然是实际实现中面临的关键问题[3]。

智能反射表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)被认为是实现上述挑战性目标的一种有前途的绿色且经济有效的解决方案，未来的无线网络有望朝着智能可重构发展，它们还将能够感知、控制和优化无线环境，以实现低功耗、高吞吐量、大规模连接和低延迟通信的前景[4–7]。通过RIS可以以较小的网络能耗和硬件成本来增强信号传输性能。在智能反射面通信环境中，通常有直接路径和反射路径，每个智能反射单元可以独立控制相应的反射系数。在每个单元的相位和振幅转换过程中，物理上通常存在一定的反射系数转换时间[8,9]。此时，等效信道在RIS系数转换过程中可以认为是时变的，这将会导致子载波间干扰。目前，现有的分析一方面是针对信道多径效应引起的时延拓展[10,11]，另一方面是研究由信道时变引起的多普勒频偏[12,13]来对OFDM系统的子载波间干扰进行分析和开展研究。在此基础上，本文主要聚焦于等效信道时变引起的子载波间干扰。

针对智能反射面系数转换引起的子载波间干扰，本文提出一种基于时变信道补偿的子载波间干扰抑制算法，通过构造干扰抑制矩阵来抑制相应的子载波间干扰，有效地提高了此场景下的传输性能。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了RIS场景下的ZP-OFDM系统模型，第3节分析了RIS在进行系数切换时ICI的功率，第4节提出了一种智能反射面系统中的干扰抑制技术，第5节给出了算法性能的仿真结果对比。最后，第6节对本文进行了总结。

2 系统模型

3 干扰抑制算法

智能反射表面(RIS)可以通过灵活地配置每个单元的反射系数，从而提高信号传输的性能[17]，RIS的信号传输如图1所示。考虑智能反射表面系数切换时间而导致的等效信道时变特性，此时ZPOFDM系统将会产生子载波间干扰。该部分主要分为两个部分：存在RIS系数切换时间的系统模型和相应的干扰抑制算法。

图1 RIS中信号传输框图

3.1 RIS场景下系统模型

如图2所示，当以接收端定时为时间基准进行智能反射表面系数切换时，智能反射表面开始系数切换的时间点为其相应反射信号到达接收端的第N+1个采样点开始使能，考虑到RIS和接收段之间存在传播延迟，令其为η，因此RIS开始系数切换的时间点会提前η，即在反射信号到达接收端的第N+1个采样点的前η个时间单位时开始进行切换，令切换时间长度为d，则此时的信道矩阵H0可以表示为

图2 ZP-OFDM信号接收图

可以看出，将其与没有系数切换的无子载波间干扰的情况相比，区别主要在Hl部分，之后要对干扰矩阵进行分析并基于此提出相应的ICI干扰与抑制补偿算法。

3.2 ICI干扰抑制算法

如上所述，由于智能反射表面系数存在切换时间而导致的等效信道时变所造成的子载波间干扰和符号间干扰，引起系统性能下降。本节首先构建干扰抑制矩阵，然后利用该矩阵对接收信号进行处理，抑制子载波间干扰。

接着先获得配置前和配置后RIS反射系数[21]，主要步骤分为以下几点：

(1) 为每个反射单元设置一个初始反射系数，并激活RIS上部分反射单元；各个反射单元被激活后可以反射射向其的电磁信号；

(2) 将其余反射单元进行分组，激活第1组反射单元，并改变第1组反射单元的反射系数，使RIS在不同反射系数的条件下进行扫描；通过比较用户UE反馈的数据，确定所述第1组反射单元的最优反射系数；

(3) 激活下一组反射单元，并改变下一组反射单元的反射系数，使RIS在不同反射系数的条件下进行扫描；通过比较用户反馈的数据，确定所述下一组反射单元的最优反射系数；

补偿后的信号噪声为

4 性能分析

将时域信号经过FFT解调后，得到频域接收信号为

其中，式中第1项为期望信号，第2项为产生的ICI干扰，第3项为噪声干扰。

接着采用OLA(交叠相加算法)来对接收信号进行均衡，将该部分信号加到接收信号上，并结合式(9)，式(10)，式(22)，式(23)，可以将ICI干扰转化为

5 仿真结果与分析

本节重点对基于时变信道补偿的子载波间干扰抑制算法进行仿真和结果分析，验证了该算法的可行性和提升误码性能的优势。在仿真环境中，本文采用Jakes信道模型模拟实际的信道环境。具体参数设置：子载波数N为1024，循环前缀 ZP长度为16，载波频率fc为2 GHz，产生瑞利过程的正弦数M为40，设置相对移动速度v为20 km/h。

首先，对于不同切换长度d的情况下，文献[22]中的ICI干扰补偿算法以及传统的ICI自消除算法(ICI self-Cancellation)与本文提出的干扰抑制(RISIR)算法的系统的传输的误码率以及系统的ICI功率进行仿真，设置SNR=20，那么不同切换长度d情况下的误码率图以及ICI功率图如图4和图5所示。

图3 切换时间长度d和ICI功率的关系图

在图4可以看出，随着d的增大，ICI干扰不断增大，误码率不断增大。和性能分析中ZP-OFDM中的ICI分析得出的结果一致，另外，本文所提出的RIS-IR算法在不同切换长度d下系统传输的误码率要明显低于文献[22]提出的算法以及传统的ICI自消除算法。

图4 误码率和切换长度d的关系图

图5比较了不同算法对于ICI功率的抑制能力。可以看出，在不同切换长度d的条件下，本文提出的RIS-IR算法相比于传统ICI自消除干扰抑制算法以及文献[22]中的算法对于ICI的抑制更加有效，也验证了本文提出的RIS-IR算法的可行性。

图5 ICI功率和切换长度d的关系图

图6比较了在RIS环境下存在系数切换的条件下，传统ICI自消除算法以及文献[22]中的算法与提出的RIS-IR算法对于系统的传输误码率的性能。仿真结果表明，在智能反射表面系数切换时间的条件下，本文提出的干扰抑制算法相比于传统算法能够明显提升传输正确性，减少误码率，对系统的SER性能的改善较为明显，且SNR越大，降低误码率的效果就越明显。

图6 提出算法补偿后误码率性能比较图

6 结束语

本文着重研究了传播环境中存在智能反射表面的ZP-OFDM系统，当其智能反射表面配置的每个单元的反射系数变化时，系统产生子载波间干扰。本文基于配置前后参数的不同，通过构建子载波间干扰抑制矩阵，抑制由于反射系数变化所等效的时变信道对系统性能的影响，从而获得较好的系统误码率和吞吐量性能。仿真结果表明，子载波间干扰在构建干扰抑制矩阵后得到了有效抑制，本文提出的干扰抑制算法对于系统的传输性能有较明显的提升。然而，本文的仿真环境较为理想化，只考虑了Jakes信道模型来模拟传输的信道，下一步可对Clarke模型等其他典型信道进行研究。