一種可重構智能表面輔助MIMO系統分離信道重建方法
2024-04-13 08:32:05
一種可重構智能表面輔助mimo系統分離信道重建方法
技術領域
1.本發明屬於無線通信技術領域，具體涉及一種基於ris(可重構智能表面)輔助mimo-ofdm(多輸入多輸出正交頻分復用)系統的分離信道重建方法。
背景技術：
2.可重構智能超表面因為具有快速配置和低功耗的特點，近來被認為是滿足未來無線網絡需求的潛在解決方案。ris通過部署大量近似無源的反射元件來可編程地配置無線傳播環境，可以用於提高無線通信的覆蓋範圍和頻譜效率，目前已被用於現有的無線通信系統，並且在室內定位、環境感知、收發信機等方面有著深入地研究和應用。此外，目前已經有無線行業的公司開始在帶有基站和商業用戶設備的5g網絡中，進行基於ris的原型系統測試。
3.然而ris輔助無線系統中的信道估計卻比傳統系統中的信道估計更具困難，因為重新配置後的信道模型，實際增加了以配備了大量單元的ris為核心的級聯信道。並且ris通常在近似無源的狀態下工作，沒有信號處理能力，這些問題使得獲取完美信道狀態信息(csi)的信道估計難度大幅增加。研究的重點指向了更具體的導頻開銷問題的解決方案。因為訓練導頻的開銷和ris元件數密切相關，具有大量單元的ris反射器必然導致多用戶系統的導頻開銷大幅度增高，這是現有通信系統中無法接受的。
4.以稀疏信道估計為基礎，ris系統的信道參數估計方法意味著不僅需要得到信道矩陣，還需要根據信道矩陣獲取衰落係數、到達方向(doa)和延遲等與每個用戶相關的大量信道參數，可以實現分離信道狀態信息的估計，從而為執行預編碼、信道重建、相干檢測、環境感知、用戶定位等工作提供重要指導。然而，目前的研究中，針對ris端的參數估計目前較少，主要原因在於其信道估計的設計難度和計算難度都較高。但是其重要性不可忽視，例如準確獲取的ris信道的到達角和發射角，對於ris反射控制和用戶定位都有著重要的意義。此外，由於ris複雜度的限制，針對多載波情況的研究仍然較少。
5.綜上所述，如何以較小的導頻開銷獲取具有高準確度的ris級聯信道csi，以及如何實現ris系統中分離信道的有效估計，成為ris輔助mimo-ofdm系統面臨的難題。
技術實現要素：
6.技術問題：為解決上述問題，本發明提供一種基於ris輔助mimo-ofdm系統的分離信道重建方法，旨在以較低導頻開銷的條件下實現較為精確的信道估計，並實現具有較高準確度的分離信道重建。
7.技術方案：本發明的一種可重構智能表面輔助mimo系統分離信道重建方法包括如下步驟：
8.步驟1：用戶發送兩個時間段的導頻，第一個時間段中採用單時刻、佔用全部子載波的導頻，並設計可重構智能表面ris反射係數以保證性能；第二個時間段中採用連續時刻、僅佔用部分子載波的導頻，並設置隨機ris反射係數；
9.步驟2：通過ris反射信號到達基站，基站抽取目標用戶信道中所有傳播路徑的方向角、時延和增益信息；信道參數的抽取過程分成兩個階段，基站先根據可重構智能表面-基站ris-bs段的已知視距los信道完成用戶-可重構智能表面ue-ris段角度和時延的抽取；
10.步驟3：基站根據步驟2中的結果，完成ris-bs段的非視距nlos路徑角度和時延的抽取，並分別估計增益，最終完成全部的信道參數估計；
11.步驟4：基站利用參數完成分離信道重建，用於ris級聯信道的用戶數據傳輸。
12.其中：
13.所述步驟1具體為：
14.步驟1.1，用戶分成兩個時間段發送導頻信號，並採取不同的ris反射係數配置；
15.步驟1.2，對於第一個時間段，用戶發送的導頻信號具有單個時刻但是佔用全部子載波的設置，同時設置了ris反射係數以確保可靠信道估計，具體採取類離散傅立葉變換dft矩陣的設計，其中第n個ris單元的反射係數為其中，n為ris單元個數；
16.步驟1.3，對於第二個時間段，用戶發送的導頻信號具有連續多個時刻但是佔用部分子載波的設置，同時設置了隨機的ris反射係數。
17.所述步驟2具體為：
18.步驟2.1，基站讀取第一時間段的接收導頻信號，根據ris-bs段的已知los信道時延和角度參數，設計字典，並利用牛頓正交匹配追蹤算法nomp完成ue-ris段各個路徑的時延估計，並更新剩餘信號；基站循環執行本步驟，直到路徑能量小於設定的閾值時得到估計的路徑數並進入下一步驟；
19.步驟2.2，基站讀取第二時間段的接收導頻信號，根據ris-bs段的已知los信道時延和角度和估計得到的ue-ris段各個路徑的的時延，計算得到目標矩陣，設計字典，並利用nomp算法完成ue-ris段的角度估計；
20.步驟2.3，基站根據步驟2.1和步驟2.2得到的ue-ris段各個路徑的的時延參數和角度參數，構建測量矩陣，重新估計ue-ris段的路徑增益，並更新第二時間段的剩餘導頻信號。
21.所述步驟3具體為：
22.步驟3.1，基站獲取第一時間段的剩餘接收導頻信號，對ue-ris段路徑根據增益強度進行排序，選擇其中增益最強的路徑參數，設計字典，利用nomp算法完成ris-bs段接收角度和時延的估計，並更新剩餘信號，計算得到ris-bs段的路徑能量；
23.步驟3.2，基站讀取第二時間段的剩餘接收導頻信號，根據排序得到的ue-ris段增益最強路徑的參數和估計得到的ris-bs段各個路徑的的接收角度和時延參數，計算得到目標矩陣，設計字典，並利用nomp算法完成ris-bs段各個路徑的發射角度的估計；
24.步驟3.3)基站根據步驟3.1和步驟3.2得到的ris-bs段的發射角度、接收角度和時延參數，構建測量矩陣，重新估計ris-bs段各個路徑的的路徑增益，並更新第二時間段的剩餘信號；
25.步驟3.4)基站循環執行步驟3.1-步驟3.3，直到步驟3.1中得到的ris-bs段的路徑能量小於設定的閾值γ時，估計結束。
26.有益效果：本發明採用上述技術方案，能產生如下技術效果：
27.1.現有ris輔助的移動通信系統的信道估計方案大多基於級聯信道估計，本發明所提方案以稀疏信道為基礎，開發了一種ris輔助的mimo ofdm系統的分離信道參數估計算法，可以準確地獲取分離信道各條路徑的角度、時延、增益信息，有效地恢復了ris兩側的分離信道。
28.2.本發明所提方案還針對ris輔助的mimo ofdm系統的信道模型，提出了對應的導頻協議和ris相移矩陣的配置方法，有效解決了ris輔助系統信道估計中導頻開銷過大的問題，可以融合多用戶等情形進一步拓展。
附圖說明
29.圖1為本發明實施例提供的一種基於ris輔助mimo-ofdm系統的導頻協議圖；
30.圖2為本發明實施例提供的一種基於ris輔助mimo-ofdm系統的信道參數估計算法流程圖。
具體實施方式
31.以下描述中，為了說明而不是為了限定，提出了諸如特定的導頻協議之類的具體細節，以便透徹理解本發明。然而，本領域的技術人員應當清楚，在沒有這些具體細節的其它實施例中也可以實現本發明。
32.本發明的一種可重構智能表面輔助mimo系統分離信道重建方法包括如下步驟：
33.步驟1：用戶發送兩個時間段的導頻，第一個時間段中採用單時刻、佔用全部子載波的導頻，並設計可重構智能表面ris反射係數以保證性能；第二個時間段中採用連續時刻、僅佔用部分子載波的導頻，並設置隨機ris反射係數；
34.步驟2：通過ris反射信號到達基站，基站抽取目標用戶信道中所有傳播路徑的方向角、時延和增益信息；信道參數的抽取過程分成兩個階段，基站先根據可重構智能表面-基站ris-bs段的已知視距los信道完成用戶-可重構智能表面ue-ris段角度和時延的抽取；
35.步驟3：基站根據步驟2中的結果，完成ris-bs段的非視距nlos路徑角度和時延的抽取，並分別估計增益，最終完成全部的信道參數估計；
36.步驟4：基站利用參數完成分離信道重建，用於ris級聯信道的用戶數據傳輸。
37.為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖進行詳細描述。本發明實施例提供的一種基於ris輔助mimo-ofdm系統的分離信道重建方法，基站(bs)和ris均為均勻線性陣列(ula)，並且分別配備了m個天線和n個反射單元，單天線用戶通過ns個子載波將信號以ris為中轉，發送給基站端，總共佔用t個時隙。
38.基站的接收信號表示為其中其中z＝[z1ꢀ…ꢀzt
]分別為載波係數矩陣、ris係數矩陣和噪聲系
數矩陣。其中為組合增益，為級聯增益，為相移向量，是第t個時刻的ris的相移係數，z
t
為第t個時刻的噪聲矢量，l
ur
和l
rb
分別為ue-ris路徑數和ris-bs路徑數，下標分別對應於後面的l1和l2。設置為基站角度向量，d為基站天線間距，λ為載波的波長；設置為ofdm時延向量，δf為子載波間隔；設置為ris角度向量，r為ris元件間距。是第q條ris-bs路徑的增益、接收角度、時延、發射角度，是第p條ue-ris路徑的增益、接收角度和時延。在一個示例中，第t個時刻的基站端接收信號可以表示為
[0039][0040]
步驟1、用戶發送兩個時間段的導頻，第一個時間段中採用單時刻多載波的導頻，並設計了特殊ris反射係數以保證性能，第二個時間段中採用連續時刻少載波的導頻，並設置了隨機ris反射係數；
[0041]
1.1)對於第一個時間段，如圖1中左側點狀方塊所示，用戶發送的導頻信號具有單個時刻但是佔用全部子載波的設置，同時設置了特殊的ris反射係數以確保可靠信道估計。具體採取了類dft矩陣的設計，其中第n個ris單元的反射係數為
[0042][0043]
及其類似設置；
[0044]
1.2)對於第二個時間段，用戶發送的導頻信號具有連續多個時刻但是佔用部分子載波的設置，如圖1中右側斜線方塊所示，在這一時間段內採用預設的nu個子載波，與ue-ris子信道的實際路徑上限個數有關。認為當滿足是可以完成估計的最低要求，否則可能會導致路徑分離錯誤而導致估計誤差。ris單元則設置了隨機的反射係數及其類似配置。
[0045]
步驟2、通過ris反射信號到達基站，基站抽取目標用戶信道中所有傳播路徑的方向角、時延和增益信息；信道參數的抽取過程分成兩個階段，第一階段完成基於los的信道參數估計，基站根據ris-bs段的已知los信道完成對應的ue-ris段角度和時延的抽取，並且估計ue-ris段的路徑增益，具體步驟如下：
[0046]
2.1)基站讀取第一時間段的接收信號y
1，res
＝y1，根據ris-bs段的已知los信道時延和角度參數，以過採樣率β
τ
配置時延採樣向量並設計字典
[0047][0048]
並利用牛頓正交匹配追蹤算法(nomp)，以d1為字典，以y
1，res
為待估輸入信號，得到
ue-ris段中第l1條路徑的時延估計值和組合增益估計值並更新剩餘信號y
1，res
，其中是已知rb-ris段los路徑的基站接收角度和時延，y
1，res
是步驟1中設置的第一個時間段剩餘信號。基站循環執行本步驟，直到路徑能量小於設定的閾值γ，即滿足
[0049][0050]
時結束循環，得到估計ue-ris的總路徑數並進入步驟2.2。
[0051]
2.2)基站讀取第二時間段的接收信號y
2：t
，根據ris-bs段的已知los信道時延和角度和步驟2.1得到的ue-ris段的時延，計算相移向量其中為使用了nu個受限子載波的時延向量。計算得到目標矩陣
[0052][0053]
以過採樣率配置角度採樣向量並設計子字典考慮2到t時刻的ris相移矩陣c
2：t
，設計字典
[0054][0055]
將作為nomp算法的待估輸入信號，以d2為字典，得到ue-ris段中第l1條路徑的接收角度估計值和級聯增益估計值共循環次直到所有ue-ris段的路徑完成估計。
[0056]
2.3)基站根據2.1和2.2得到的所有估計參數，構建測量矩陣其中重新估計ue-ris段的路徑增益
[0057][0058]
並更新第二時間段的剩餘信號其中是第二時間段的接收信號按列合併重組後的結果，得到更新後的剩餘信號y
′
res
後，反向操作得到y
2：t，res
，其中res表示剩餘信號。
[0059]
步驟3、第二階段完成基於nlos的信道參數估計，基站根據步驟2中的估計結果完成ris-bs段的nlos路徑角度和時延的抽取，並且估計ris-bs段的路徑增益；
[0060]
3.1)基站獲取第一時間段的剩餘接收信號y
1，res
，提取步驟2中的ue-ris段增益最強路徑的參數，過採樣率β
θ
配置時延採樣向量設計字典
[0061][0062]
利用nomp算法，以d3為字典，以y
1，res
為待估輸入信號，得到ris-bs段中第l2條路徑的時延估計值角度估計值和組合增益估計值並更新剩餘信號y
1，res
。
[0063]
如果估計得到的增益滿足
[0064][0065]
則進入步驟3.2和3.3繼續估計其他參數，否則停止整個步驟3並且估計結束。
[0066]
3.2)基站讀取第二時間段的剩餘接收信號y
2：t，res
，利用估計得到的ue-ris段增益最強的路徑參數(默認按照路徑增益的強弱進行排序，因此選取索引為1代表增益最強的路徑)和3.1中得到的參數，計算相移向量計算得到目標矩陣
[0067][0068]
以過採樣率配置角度採樣向量設計ris角度字典並根據ris的相移矩陣構建字典
[0069][0070]
將作為nomp算法的待估輸入信號，以d4為字典，得到ris-bs段中第l2條路徑的發射角度估計值和級聯增益估計值
[0071]
3.3)基站根據3.1和3.2得到的參數，構建測量矩陣w滿足重新估計ris-bs段的路徑增益
[0072][0073]
並更新第二時間段的剩餘信號其中y
′
是第二時間段的接收信號y
2：t，res
按列合併重組後的結果，得到更新後信號後y
′
res
反向操作得到更新後的y
2：t，res
。
[0074]
步驟4、基站利用估計得到的參數完成級聯信道的重建：
[0075][0076]
ue-ris信道的重建：
[0077][0078]
和ris-bs信道的重建：
[0079][0080]
並用於ris級聯信道的用戶數據傳輸和其他相關技術。
[0081]
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何
熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。