一种毫米波通信系统的信道估计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种毫米波通信系统的信道估计方法及系统，根据RIS辅助的MIMO多用户通信场景确定BS

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波通信系统的信道估计方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种毫米波通信系统的信道估计方法及系统，属于通信


技术介绍

[0002]最近，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)已成为未来5G/6G无线通信网络的一项有前景的技术，它的引入可以大幅提高频谱和能源效率。RIS通常被认为是具有大量无源反射元件的二维阵列，可以控制电磁特性并引起入射信号的相移。通过每个反射元素独立作用并以软件定义的方式重新配置，可以基于信道状态信息(channel state information,CSI)以期望的方式反射入射信号，以提高容量和系统吞吐量。此外，与现有的类似技术如放大转发(amplify
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and
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forward,AF)中继或多输入多输出(multiple
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input multiple
‑
output,MIMO)波束形成不同，RIS既不需要有源射频(radio frequency,RF)设备，也不需要复杂的基带信号处理模块，体现了该方法在未来通信系统中的应用有效性。
[0003]基于上述优点，RIS在MIMO系统中的引入和应用引起了人们的广泛关注。目前，大多数研究集中在收发器波束形成器和反射系数矩阵的联合优化上，但在实际应用和进一步研究之前，准确的CSI是必不可少的。然而，对于RIS辅助的通信系统下信道估计是一个主要挑战。其一是RIS配备了大量的反射元件，它们是无源设备，没有主动发射/接收和信号处理能力。另一种是RIS通常由大量反射单元组成，因此在实际中估计其级联信道所需的导频开销非常大。因此，从基站(base station,BS)到RIS和从RIS到用户的信道只能在BS或用户处进行估计，这导致了该信道估计问题区别于传统信道估计。因此，寻找新的信道估计协议和相应的低复杂度算法是解决大规模RIS辅助信道估计问题的关键。
[0004]对于RIS辅助的信道估计问题，目前的研究关注的是级联信道估计，即从BS天线到每个反射单元再到用户的信道。具体来说，一些研究旨在研究RIS辅助单用户通信系统的信道估计。Deepak Mishra提出了一种两阶段的估计方案，即RIS依次打开每个反射元素，同时保持其余反射单元处于关闭状态。然后，BS通过RIS依次估计从BS到用户的级联信道。后来Jie Chen将其应用场景从单用户通信系统被扩展为多用户通信系统并利用了级联信道的稀疏性，将信道估计问题表述为稀疏信道恢复问题即压缩感知问题(compressed sensing,CS)。不同于以往对级联信道估计和RIS开/关信道估计协议的研究，Ziwei Wan提出了一种下行传输框架。通过假设BS
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RIS的直达径(line of sight,LoS)信道已知的先验知识基础上设计导频信号，利用CS算法联合估计BS
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用户和RIS
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用户的信道。TobiasJensen通过在整个训练周期内打开所有RIS元素，提出了最小方差无偏信道估计器，其中RIS诱导的最优相移矩阵被视为离散傅里叶变换(DFT)矩阵。该方案后来得到了进一步的扩展，其中Beixiong Zheng假设RIS可以划分为多个次RIS，每个次RIS由一些相邻的反射元素组成，共享相同的反射系数。然而，以上方案中的导频开销与反射单元的数量成正比，这导致了较大的计算复杂度。
[0005]总的来说，目前的研究都集中在BS
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RIS
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用户的级联信道估计上，而没有同时考虑
估计BS
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用户通过散射体反射传播的传统信道。通常来说，RIS通常应用于从基站到用户的LoS径被阻挡而非直达径存在(non line of sight,NLoS)的通信场景，这意味着也需要考虑从BS到用户通过NLoS径的传统信道。然而，目前的研究大多考虑了一种开/关RIS的信道估计协议，在该协议中，首先通过保持所有RIS元素关闭来估计传统BS
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用户信道，然后通过打开RIS元素来估计BS
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RIS
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用户信道。该方法简单易行，可分别用于BS
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用户信道和BS
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RIS
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用户级联信道的估计。然而，在现实中，当RIS关闭时，整个表面应视为一般散射体，这意味着传统的BS
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用户信道将发生变化。此外，对于RIS辅助的信道估计，大多数研究采用级联信道表示来估计BS
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RIS信道和RIS
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用户信道的级联形式，而没有考虑分别估计BS
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RIS信道和RIS
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用户信道。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种毫米波通信系统的信道估计方法及系统。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种毫米波通信系统的信道估计方法，包括：
[0008]获取RIS辅助的MIMO多用户通信场景；
[0009]根据RIS辅助的MIMO多用户通信场景确定BS
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RIS信道、RIS
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用户信道、BS
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用户信道表达式，通过DFT矩阵将BS
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RIS信道、RIS
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用户信道、BS
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用户信道表达式转化成稀疏化的角度域信道表达形式；
[0010]在RIS附近设置已知BS和RIS位置的测试点T1，测试点T1配置为单天线；
[0011]关闭RIS，控制测试点T1向BS发送导频信号，根据测试点T1向BS发送的导频信号利用上行信道估计方式完成BS
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T1的信道估计；接着开启RIS，测试点T1继续向BS发送导频信号，根据导频信号利用VAMP算法得到BS
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RIS
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T1级联信道的信道估计，根据RIS位置和测试点T1位置，计算出T1
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RIS的直达径信道，利用所述BS
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RIS
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T1级联信道的信道估计和T1
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RIS的直达径信道计算BS
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RIS信道估计；
[0012]保持RIS开启，控制测设点T1向所有用户发送导频信号，根据测设点T1向所有用户发送导频信号利用VAMP算法进行T1
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RIS
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用户级联信道估计，利用T1
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RIS
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用户级联信道估计和T1
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RIS的直达径信道计算RIS
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用户信道估计；控制所有用户向BS返回RIS
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用户信道估计并向BS发送正交导频信号，根据正交导频信号在BS处进行多用户分离，通过所述BS
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RIS信道估计和RIS
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波通信系统的信道估计方法，其特征在于，包括：获取RIS辅助的MIMO多用户通信场景；根据RIS辅助的MIMO多用户通信场景确定BS
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RIS信道、RIS
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用户信道、BS
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用户信道表达式，通过DFT矩阵将BS
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RIS信道、RIS
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用户信道、BS
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用户信道表达式转化成稀疏化的角度域信道表达形式；在RIS附近设置已知BS和RIS位置的测试点T1，测试点T1配置为单天线；关闭RIS，控制测试点T1向BS发送导频信号，根据测试点T1向BS发送的导频信号利用上行信道估计方式完成BS
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T1的信道估计；接着开启RIS，测试点T1继续向BS发送导频信号，根据导频信号利用VAMP算法得到BS
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RIS
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T1级联信道的信道估计，根据RIS位置和测试点T1位置，计算出T1
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RIS的直达径信道，利用所述BS
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RIS
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T1级联信道的信道估计和T1
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RIS的直达径信道计算BS
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RIS信道估计；保持RIS开启，控制测设点T1向所有用户发送导频信号，根据测设点T1向所有用户发送导频信号利用VAMP算法进行T1
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RIS
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用户级联信道估计，利用T1
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RIS
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用户级联信道估计和T1
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RIS的直达径信道计算RIS
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用户信道估计；控制所有用户向BS返回RIS
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用户信道估计并向BS发送正交导频信号，根据正交导频信号在BS处进行多用户分离，通过所述BS
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RIS信道估计和RIS
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用户信道估计，计算得到BS
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用户信道估计。2.根据权利要求1所述的毫米波通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述RIS辅助的MIMO多用户通信场景为：以时分双工模式运行的RIS辅助的多用户通信系统，该多用户通信系统中BS和RIS各配备M根天线和N个反射单元，每个用户为单天线且用户总数为K；利用几何信道模型构建所述多用户通信系统中的BS
‑
RIS信道，RIS
‑
用户信道，BS
‑
用户信道，分别表示为天线域信道形式：信道，分别表示为天线域信道形式：信道，分别表示为天线域信道形式：其中，L
g
，L
r，k
和L
d，k
分别为BS
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RIS信道，RIS
‑
用户信道，BS
‑
用户信道的多径数，χ
g
，χ
p，k
和χ
q，k
分别表示BS
‑
RIS信道，RIS
‑
用户信道，BS
‑
用户信道的复增益，和分别表示BS
‑
RIS信道的离开角和到达角，和分别表示RIS
‑
用户信道的离开角和BS
‑
用户信道的离开角，和分别表示BS
‑
RIS信道的离开角导向矢量和到达角导向矢量，和分别为RIS
‑
用户信道和BS
‑
用户信道的离开角导向矢量，且BS和RIS都是均匀线阵，上标H表示共轭转置，和具体表示为：
其中，λ是波长，δ
BS
和δ
RIS
分别是BS和RIS的间距，且δ
BS
＝δ
RIS
＝λ/2，j表示复数单位。3.根据权利要求2所述的毫米波通信系统的信道估计方法，其特征在于，通过DFT矩阵将BS
‑
RIS信道、RIS
‑
用户信道、BS
‑
用户信道表达式转化成稀疏化的角度域信道表达形式，具体表达式为具体表达式为具体表达式为其中，和分别为M
×
M维和N
×
N维DFT酉矩阵，表示复数域M
×
M维，表示复数域N
×
N维。4.根据权利要求3所述的毫米波通信系统的信道估计方法，其特征在于，所述关闭RIS，控制测试点T1向BS发送导频信号，根据测试点T1向BS发送的导频信号利用上行信道估计方式完成BS
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T1的信道估计；接着开启RIS，测试点T1继续向BS发送导频信号，根据导频信号利用VAMP算法得到BS
‑
RIS
‑
T1级联信道的信道估计，根据RIS位置和测试点T1位置，计算出T1
‑
RIS的直达径信道，利用所述BS
‑
RIS
‑
T1级联信道的信道估计和T1
‑
RIS的直达径信道计算BS
‑
RIS信道估计，包括：BS接收到的从RIS发射过来的信号的表达式为其中，为测试点T1向BS发送导频信号功率，为b1时刻的测试点T1向BS发送的导频信号，为高斯白噪声，表示综合测量噪声向量，T1
‑
RIS信道为RIS信道为其中β
RT
为莱斯因子，为直达径分量，为非直达径分量，为直达径复增益，为到达角导向矢量，为T1
‑
RIS信道的到达角，为非直达径的路径损耗，为非直达径的路径损耗，为直达径信道，为非直达径信道，表示b1时刻RIS反射单元的反射相位，且
其中和表示每个RIS反射单元的反射振幅和反射相位，且表示RIS的每个单元均最大化波束成形增益，上标T表示转置，diag(
·
)表示对角化；将b1时刻的测试点T1向BS发送的导频信号设置为并合并τ1个接收的导频信号，(11)式改写为：其中，表示BS端接收τ1个信号的观测矩阵，表示反射系数矩阵，表示反射系数矩阵，表示τ1个时刻的噪声矩阵，这里反射系数矩阵设置为其中为τ1×
τ1DFT矩阵，为τ1×
(N
‑
τ1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：江浩，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：