基于定位信息辅助的信道估计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计方法及系统，方法如下：基于车联网系统，获得基站、智能反射面即RIS及车辆的相对位置信息；求得基站到RIS以及RIS到接收端，有效信号在视距传播过程中的方位角与仰角；构建基站到RIS的级联信道G，及RIS到接收端的级联信道h

【技术实现步骤摘要】
基于定位信息辅助的信道估计方法及系统
本专利属于车联网环境下RIS(智能表面)辅助通信的信道估计
，特别涉及一种车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计方法及系统。
技术介绍
近年来，可重构智能表面(RIS)被提出，以低硬件成本和能耗提高无线通信系统的覆盖范围和容量。RIS概念建立在控制电磁波在通信信道中的传播以提高通信系统的性能的基础上。具体的而言，IRS是一个由若干微面元组成的元表面，这些微面元可以控制入射信号的相位。理想状态下，被控制的相位是连续的，但是元表面使用亚波长尺寸的若干离散“元素”来近似这一点，每个“元素”引起不同的相移。这样，当信号入射时，使得所有相移的联合效应是在选定方向上的放射光束。一般来说，由大量的被动式低成本元素组成的RIS可以被部署来在基站和用户之间建立额外的链接。通过根据周围环境重新配置这些RIS元件，RIS可以提供高波束形成增益。可靠的波束形成需要准确的信道状态信息(CSI)。将RIS系统应用于车联网中，特别是对于收发都是单天线的系统，利用RIS的波束形成增益，可以增加接收信号的功率，并提供空间与多普勒分集增益。传统信道估计方案直接应用于RIS辅助系统有两个主要障碍。首先，所有的RIS元件都是无源的，它不能发送、接收或处理任何导频信号以实现信道估计。其次，由于一个RIS通常由数百个元素组成，因此要估计信道的尺寸比传统系统中的尺寸要大得多，这将导致急剧增加信道估计的导频开销。因此，必须为RIS辅助无线通信系统开发准确的信道估计方案。专利技术内容本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计方法及系统，本专利技术可以提高RIS系统中信道估计的精度并降低估计时间。具体来说，本专利技术针对RIS系统，基于行结构稀疏性的OMP算法改进，提高信道估计方法的性能。为了达到上述的目的，本专利技术采用以下技术方案：一种车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计方法，包括如下步骤：步骤1：基于车联网系统，获得基站、智能反射面(RIS)以及车辆(接收端)的相对位置信息；步骤2：根据相对位置可以求得基站到RIS以及RIS到接收端，有效信号在视距传播过程中的方位角与仰角；步骤3：基于步骤2所得到信息构建基站到RIS的级联信道G，以及RIS到接收端的级联信道hr,k，并求解级联信道Hk；步骤4：构建信道模型，考虑将下行链路导频传输分为Q个时隙，不同时隙构建不同维度的RIS反射向量，构建Q个时隙的整体测量矩阵Hk；步骤5：根据角域级联信道，进一步将Hk写成CS模型，根据接收信号与反射信号的方位角与仰角，构造新的字典矩阵D，并构建新的感知矩阵Aq＝(D*Θ′q)H；步骤6：对接收端接收信号设为初始化残差向量r0，计算感知矩阵A与残差向量r0的相关性，根据相关性求得振幅最大行row*；步骤7：根据所求得到的row*，通过LS算法得到估计信道H的稀疏向量，更新残差向量，得到估计信道。优选的，步骤1具体如下：基于车联网系统获得通信中物体的相对位置信息，首先初始化发送端，智能反射面以及接收端的相对位置，设BS:(x1,y1,z1)RIS:(x2,y2,z2)User:(x3,y3,z3)其中，所设坐标均为对应通信设备的中心点位置。优选的，步骤2具体如下：根据所得到的基站，RIS以及接收端的相对位置，可求出BS的方位角与仰角分别为：RIS接收信号的方位角与仰角分别为：RIS反射信号的方位角与仰角分别为：优选的，步骤3具体如下：基于步骤2所得到信息构建基站到RIS的级联信道G，以及RIS到接收端的级联信道hr,k，即其中，M,N分别对应基站的天线数量与RIS反射元件的数量。αG表示基站到RIS的路径损耗；其中，N是RIS反射元件的数量。αr,k表示RIS到第k个用户的路径损耗，a(ν,ψ)与进一步表示为其中，λ是载波波长，d通常满足d＝λ/2的天线间距，表示克罗内克积；进一步定义作为第k个用户的M×N级联信道，利用虚拟角域，可以进一步写为其中定义为M×N角域级联联信道，UM与UN分别表示为BS和RIS上的M×M与N×N的字典酉矩阵。优选的，步骤4具体如下：在下行链路中BS通过Q个时隙将已知的导频信号传输给用户，特别的，在第q个时隙第k个用户接收到的信号为其中，sk,q表示发送给第k个用户的导频信号，θq＝[θq,1,...,θq,N]T是RIS的反射向量，θq,n表示RIS的第n个元件(n＝1,...,N)在第q个时隙的反射系数。nk,q为均值为0，方差为σ2的接收噪声。由级联信道进一步写为yk,q＝Hkθqsk,q+nk,q经过Q个时隙导频传输，获得M×Q整体测量矩阵Yk＝[yk,1,...,yk,Q，假定sk,q＝1，即其中Θ＝[θ1,...,θQ]，Wk＝[nk,1,...nk,Q]优选的，步骤5具体如下：由步骤3所得到的角域级联矩阵，进一步将整体体量矩阵写为CS模型其中，为Q×M有效测量矩阵，为有效噪声矩阵，为Q×N感知矩阵；通过对角域级联信道的转换，构建新的训练字典矩阵D辅助OMP算法做信道估计，首先构建一个随机的RIS反射向量矩阵其中Θ′q为第q个时隙RIS的N个元件的反射系数，取设由thate1与thate2进一步得到由新的字典矩阵构建新的感知矩阵Aq＝(D*Θ′q)H，作为训练字典，通过接收信号做信道估计。优选的，步骤6具体如下：对接收端接收信号设为初始化残差向量r0r0＝Yk其中Yk是第k个用户接收到的信号，计算感知矩阵A与残差向量r0的相关性，根据相关性求得振幅最大行row，即优选的，步骤7具体如下：根据所求得到的row*，通过LS算法得到估计信道Hk的稀疏向量，即Ω＝A(:,row*)；hc＝zeros(N,1)；hc(row*,:)＝(ΩTΩ)-1Ω*Yk更新残差向量，即r0＝S-Ω*hc最终得到估计信道hc。本专利技术还公开了一种车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计系统，其特征是包括如下模块：位置信息获取模块：基于车联网系统，获得基站、智能反射面即RIS以及车辆的相对位置信息；角度求解模块：根据相对位置求得基站到RIS以及RIS到接收端，有效信号在视距传播过程中的方位角与仰角；信道构建模块：基于角度求解模块所得到信息构建基站到RIS的级联信道G，以及RIS到接收端的级联信道hr,k，并求解级联信道Hk；信道模型构建模块：构建信道模型，考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计方法，其特征是包括如下步骤：/n步骤1：基于车联网系统，获得基站、智能反射面即RIS以及车辆的相对位置信息；/n步骤2：根据相对位置求得基站到RIS以及RIS到接收端，有效信号在视距传播过程中的方位角与仰角；/n步骤3：基于步骤2所得到信息构建基站到RIS的级联信道G，以及RIS到接收端的级联信道h

【技术特征摘要】
1.车联网环境下RIS系统中基于定位信息辅助的信道估计方法，其特征是包括如下步骤：
步骤1：基于车联网系统，获得基站、智能反射面即RIS以及车辆的相对位置信息；
步骤2：根据相对位置求得基站到RIS以及RIS到接收端，有效信号在视距传播过程中的方位角与仰角；
步骤3：基于步骤2所得到信息构建基站到RIS的级联信道G，以及RIS到接收端的级联信道hr,k，并求解级联信道Hk；
步骤4：构建信道模型，考虑将下行链路导频传输分为Q个时隙，不同时隙构建不同维度的RIS反射向量，构建Q个时隙的整体测量矩阵Hk；
步骤5：根据角域级联信道，进一步将Hk写成CS模型，根据接收信号与反射信号的方位角与仰角，构造新的字典矩阵D，并构建新的感知矩阵Aq＝(D*Θ′q)H；H是矩阵的共轭转置；
步骤6：对接收端接收信号设为初始化残差向量r0，计算感知矩阵A与残差向量r0的相关性，根据相关性求得振幅最大行row*；
步骤7：根据所求得到的row*，通过LS算法得到估计信道H的稀疏向量，更新残差向量，得到估计信道。


2.如权利要求1所述车联网环境下中基于定位信息辅助的信道估计方法，其特征是，
步骤1具体如下：基于车联网系统，获得基站、智能反射面即RIS以及车辆的相对位置信息，首先初始化发送端，智能反射面以及接收端的相对位置，设
BS:(x1,y1,z1)
RIS:(x2,y2,z2)
User:(x3,y3,z3)
其中，所设坐标均为对应通信设备的中心点位置。


3.如权利要求2所述车联网环境下中基于定位信息辅助的信道估计方法，其特征是，步骤2具体如下：根据所得到的基站，RIS以及接收端的相对位置，求出BS的方位角与仰角分别为：






RIS接收信号的方位角与仰角分别为：






RIS反射信号的方位角与仰角分别为：








4.如权利要求3所述车联网环境下中基于定位信息辅助的信道估计方法，其特征是，步骤3具体如下：基于步骤2所得到信息构建基站到RIS的级联信道G，以及RIS到接收端的级联信道hr,k，即



其中，M,N分别对应基站的天线数量与RIS反射元件的数量；αG表示基站到RIS的路径损耗；



其中，N是RIS反射元件的数量；αr,k表示RIS到第k个用户的路径损耗，a(ν,ψ)与进一步表示为






其中，

λ是载波波长，d通常满足d＝λ/2的天线间距，表示克罗内克积；
进一步定义作为第k个用户的M×N级联信道，利用虚拟角域，进一步写为



其中定义为M×N角域级联联信道，UM与UN分别表示为BS和RIS上的M×M与N×N的字典酉矩阵。


5.如权利要求4所述车联网环境下中基于定位信息辅助的信道估计方法，其特征是，步骤4：在下行链路中BS通过Q个时隙将已知的导频信号传输给用户，在第q个时隙第k个用户接收到的信号为
yk,q＝Gdiag(θq)hr,ksk,q+nk,q
＝Gdiag(hr,k)θqsk,q+nk,q
其中，sk,q表示发送给第...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾嵘，杭潇，邵智敏，包建荣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33