智能反射面辅助通信系统信道估计方法技术方案

本发明专利技术是一种智能反射面辅助通信系统信道估计方法，该方法首先在基站处计算RIS

【技术实现步骤摘要】
智能反射面辅助通信系统信道估计方法


[0001]本专利技术属于无线通信中的信道估计
，具体为一种基于信道相关性的智能反射面辅助无线通信系统信道估计方法。

技术介绍

[0002]智能反射面(Reconfigurable intelligent surface，RIS)技术由于其低功耗和低硬件复杂度的特点，获得了来自学术界和工业界的广泛关注，并且被认为是未来移动通信系统的一项关键技术。具体来讲，RIS由大量低成本无源反射元构成，每个反射元都可以独立反射信号。若基站与用户之间的通信由于恶劣的通信环境而被阻断，可以部署RIS来提供额外的可控的信道，协助基站与用户间的通信。RIS实现前述功能的前提是根据信道状态信(Channel state information，CSI)合理进行RIS反射矩阵设计。而智能反射面无法直接估计CSI，信道估计只能在基站或用户处进行。
[0003]在实际通信系统中，RIS通常部署在高处，环境散射体分布在用户周围且距离RIS较远，对于配备大量均匀排布、间隔小于半波长的反射单元的RIS来说，RIS
‑
用户信道具有相关性，大部分信道能量位于有限维度的信道特征空间中。在RIS
‑
用户信道相关性极强时，信道特征空间维度低，信道分量以极高概率集中在统计主特征方向，此时可利用RIS
‑
用户信道的统计CSI，在下行传输过程中根据RIS
‑
用户信道统计主特征方向进行RIS反射矩阵设计。而当RIS
‑
用户信道的强相关性条件不满足时，信道分量集中在统计主特征方向以外的特征方向的可能性增加，若仍根据统计主特征方向进行RIS反射矩阵设计，可能导致RIS反射矩阵与实际RIS
‑
用户信道失配，使得经RIS反射的信号无法有效汇聚到用户处，造成通信系统性能损失。这就要求基站获取瞬时CSI，而现有的RIS
‑
用户信道估计方法所需导频长度与RIS反射单元数量成正比，需耗费大量通信资源。本专利技术针对RIS
‑
用户信道强相关性条件不满足的场景，提供一种RIS辅助无线通信系统特征空间信道估计方法，以较低的导频开销，仅找出RIS
‑
用户信道的瞬时主特征方向，而非准确的估计瞬时信道。

技术实现思路

[0004]技术问题：本专利技术的目的是提供一种智能反射面辅助通信系统信道估计方法，本方法考虑实际信道的相关特性，更能反映RIS
‑
用户信道信道的特性；本方法基于统计CSI估计RIS
‑
用户信道，与传统信道估计方法相比信道估计的开销更小。
[0005]技术方案：该方法首先在基站处计算RIS
‑
用户信道相关矩阵，进而确定RIS
‑
用户信道的特征空间，根据特征方向优化基站接收预编码和RIS反射矩阵。当某时刻选取的特征方向是RIS
‑
用户信道的瞬时主特征方向时，RIS反射矩阵能有效将上行信号汇聚到基站处，基站接收信号功率高；否则，基站接收信号功率低。在RIS
‑
用户信道特征空间维度不大于导频长度的条件下，遍历所有特征方向，通过比较基站接收信号功率，可以确定RIS
‑
用户信道的瞬时主特征方向。
[0006]本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0007]具有M根天线的基站与单天线用户之间的通信由于恶劣的通信环境而被阻断，具有N个反射单元的RIS被部署用来提供额外的可控的信道，协助基站与用户间的通信。在信道估计阶段，基站在时刻t的接收信号为
[0008][0009]其中，P为用户发射功率，T为导频长度，w为归一化基站接收预编码。对角阵Φ
t
＝diag[exp(jθ
t,1
),exp(jθ
t,2
),
…
,exp(jθ
t,N
)]为在时刻t的RIS反射矩阵，参数θ
t,n
∈[0,2π)表示RIS第
n
个反射单元在时刻t的相移，n∈[1,2,
…
,N]。s
t
为时刻t用户发送的导频，满足为时刻t用户发送的导频，满足和分别为基站与RIS以及RIS与用户之间的信道，为时刻t基站接收机处的加性高斯白噪声，σ2表示噪声功率，可通过常规的信道估计得到。(
·
)
H
，|
·
|，j和diag[
·
]分别表示共轭转置，求模，虚数单位和构造对角矩阵。本专利技术提出对进行估计的方法。
[0010]第一步，计算RIS
‑
用户信道的相关矩阵。
[0011]基站依据比如文献“EmilJakob Hoydis and Luca Sanguinetti(2017),“Massive MIMO Networks:Spectral,Energy,and Hardware Efficiency”,Foundations and Trends in Signal Processing:Vol.11,No.3
‑
4,pp 154
–
655.DOI:10.1561/2000000093.”中7.3.2节所描述三维局部散射模型，计算RIS
‑
用户信道的相关矩阵。其中，描述RIS侧信道离开角的分布，由用户位置及散射体分布决定。u
n
和u
m
分别表示RIS第n个和第m个反射元相对于参考反射元的位置矢量，由RIS拓扑结构决定。[
·
]mn
表示矩阵的第(m,n)个元素。
[0012]第二步，确定RIS
‑
用户信道h的特征空间。
[0013]根据RIS
‑
用户信道相关矩阵，可确定RIS
‑
用户信道的特征空间。对相关矩阵R做谱分解(Spectral decomposition，SD)
[0014]R＝DΛD
H
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0015]其中，为矩阵R做谱分解所得的酉矩阵，Λ＝diag[λ1,λ2,
…
,λ
N
]为R的特征值组成的对角矩阵，λ1,λ2,
…
,λ
N
为降序排列的矩阵R特征值。
[0016]RIS
‑
用户信道的特征空间为
[0017]span{[D]1,[D]2,
…
,[D]X
},
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0018]其中，[D]1,[D]2,
…
,[D]X
为RIS
‑
用户信道的特征方向。[D]1为信道相关矩阵最大特征值对应的特征方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助通信系统信道估计方法，其特征在于，该信道估计方法具体包括如下步骤：第一步，计算RIS
‑
用户信道的相关矩阵，基站依据三维局部散射模型，计算RIS
‑
用户信道的相关矩阵，其中，描述RIS侧信道离开角的分布，由用户位置及散射体分布决定，u
n
和u
m
分别表示RIS第n个和第m个反射元相对于参考反射元的位置矢量，由RIS拓扑结构决定，[
·
]
mn
表示矩阵的第(m,n)个元素；第二步，确定RIS
‑
用户信道h的特征空间，根据RIS
‑
用户信道相关矩阵，确定RIS
‑
用户信道的特征空间，对相关矩阵R做谱分解R＝DΛD
H
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，为矩阵R做谱分解所得的酉矩阵，Λ＝diag[λ1,λ2,...,λ
N
]为R的特征值组成的对角矩阵，λ1,λ2,...,λ
N
为降序排列的矩阵R特征值；RIS
‑
用户信道的特征空间为span{[D]1,[D]2,...,[D]
X
},
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，[D]1,[D]2,...,[D]
X
为RIS
‑
用户信道的特征方向；[D]1为信道相关矩阵最大特征值对应的特征方向，称其为统计主特征方向；为信道特征空间维度，满足span{
·
}，[
·
]
i
和分别表示矢量张成的子空间，取矩阵的第i列和正整数集合；n∈[1,2,
…
,N]是信道相关矩阵特征值的索引，N为RIS反射元的个数；公式(4)表明RIS
‑
用户信道大部分能量位于有限维度的信道特征空间，因此RIS
‑
用户信道可近似表示为其中，η
x
＝h
H
[D]
x
，为RIS
‑
用户信道h在特征方向[D]
x
上的投影，表示RIS
‑
用户信道落在特征方向[D]
x
上分量的大小；x∈[1,2,
…
,X]是特征方向的索引；X是信道特征空间维度，定义RIS
‑
用户信道分量最集中的特征方向为瞬时主特征方向其中d为备选瞬时特征方向，从特征方向组成的集合中选取；无线通信信道服从块衰...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘志文，李灏宸，刘楠，尤肖虎，
申请(专利权)人：网络通信与安全紫金山实验室，
类型：发明
国别省市：