一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法技术

本发明专利技术涉及移动通讯领域，公开了一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，包括如下步骤：步骤1、构建RIS辅助上行无线通信系统模型，以及UE

【技术实现步骤摘要】
一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法


[0001]本专利技术涉及移动通讯
，尤其涉及一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法。

技术介绍

[0002]可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为6G移动通信的潜在技术之一，具有广阔的应用前景。RIS辅助大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统可以显著提高无线通信覆盖率、吞吐量和频谱效率。然而毫米波信道的高损耗特性导致用户(User equipment,UE)与基站(Base Station,BS)的视距(Line ofSight,LoS)径极易被阻断，从而严重影响通信质量。
[0003]引入RIS可以动态调整每个反射单元的信号幅度或相移以改善该难题，但需要UE
‑
RIS
‑
BS链路的准确信道状态信息(Channel State Information,CSI)作为支撑。因为BS和RIS的空间位置保持不变，所以RIS
‑
BS端的毫米波信道可建模为准静态信道，而用户端缓慢移动或车辆和行人等散射体的突然阻塞会导致UE
‑
RIS端信道遭受信道突变和角度缓慢变化。因此，在多个时隙内追踪UE
‑
RIS信道角度参数以保证估计性能，并且分离估计UE
‑
RIS
‑
BS级联信道，减少不必要的信道估计开销以降低计算复杂度成为了当前的研究重点。
[0004]目前已有大量文献对RIS辅助毫米波信道估计进行了研究，但是现有大部分研究并没有考虑存在角度变化时的信道追踪问题，对于RIS的实际应用不具有普适性。还有一些研究虽然考虑了UE
‑
RIS信道随时间的变化，但是所用算法仅能追踪整个级联信道，无法分离估计单个信道，导致计算复杂度巨大。由此可见，在散射体突然变化和用户缓慢移动场景下研究低复杂度的信道追踪方案具有十分重要的实际意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，能够在保证优越性能的前提下，达到更低的计算复杂度，极大节省算力资源。
[0006]本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：
[0007]一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，应用在散射体突然变化和用户端缓慢移动环境下的毫米波信道追踪问题中，包括以下步骤：
[0008]S1、构建RIS辅助上行无线通信系统模型，以及UE
‑
RIS
‑
BS链路的双时间尺度模型和角度变化模型；
[0009]S2、使用二维快速傅里叶变换算法初始化信道角度参数，并使用最大似然算法初始化路径增益参数；
[0010]S3、基于牛顿算法追踪UE
‑
RIS水平方向的信道角度；
[0011]S4、对信道矩阵H(t)是否会发生突变进行检测，若检测到信道矩阵H(t)突变，则再次初始化参数，否则使用牛顿算法继续追踪角度参数。
[0012]进一步，针对UE
‑
RIS
‑
BS链路的信道仅能通过RIS端反射进行通信，所述步骤S1的
方法具体包括以下步骤：
[0013]S101、在BS端配备N
R
根均匀线性阵列天线，服务于配备N
T
根天线的单用户，RIS由个反射单元组成，其中，和分别为RIS水平和竖直方向上反射元素的数目；
[0014]S102、在RIS水平与竖直方向上分别连接L个RF链，并且UE到BS的LoS径被阻断，UE在第t个时隙发送的信号仅能通过RIS反射到BS端，BS端的接收信号为：
[0015]Y(t)＝GH(t)Γ(t)+N(t)
[0016]其中，为RIS
‑
BS的信道矩阵，为UE
‑
RIS的信道矩阵，为UE发送的导频信号，T为时隙数，导频信号满足正交条件为UE发送的导频信号，T为时隙数，导频信号满足正交条件是均值为0，方差为的复高斯白噪声；
[0017]S103、假设RIS
‑
BS的毫米波信道G是准静态信道，分别对UE
‑
RIS和RIS
‑
BS的信道矩阵G和H(t)进行建模。
[0018]进一步，基于双时间尺度模型对信道矩阵G和H(t)进行建模，所述步骤S103中，对UE
‑
RIS和RIS
‑
BS信道矩阵建模，具体为：
[0019][0020][0021]其中，L
a
和L
b
分别为UE
‑
RIS和RIS
‑
BS的路径数，为信道H(t)第l
a
条路径增益，为信道G第l
b
条路径增益，为UE离开角(AoD)，和分别为RIS到达角(AoA)的仰角和方位角，和分别为RIS的AoD的仰角和方位角，为BS的AoA，和为信道H(t)的阵列导向矢量。
[0022]进一步，基于马尔科夫链对角度变化进行建模，所述信道H(t)的阵列导向矢量和分别为：
[0023][0024][0025]其中，d
U
和d
I
分别为UE和RIS端天线间距，λ为电磁波波长；
[0026]表达式与类似，将和d
U
分别用和d
B
代替，d
B
为BS端天线间距，表达式与类似，将和分别用和代替；
[0027]第t个时隙中UE
‑
RIS所有路径的角度参数集合O(t)为：
[0028][0029]由于相邻时隙的信道角度变化可以建模为一阶马尔可夫链，所以第t个时隙存在角度变化时的角度模型为：
[0030]O(t)＝O(t
‑
1)+u(t)
[0031]其中，表示均值为0，角度变化方差为的复高斯白噪声，Q
U
为u(t)的协方差矩阵。
[0032]进一步，所述步骤S2中，使用二维快速傅里叶变换算法初始化信道角度参数，包括RIS在水平方向上估计角度和RIS在竖直方向上估计角度，所述RIS在水平和竖直方向上估计角度的方法相同，所述RIS在水平方向上估计角度具体包括以下步骤：
[0033]S201、RIS水平方向上的接收信号为：
[0034][0035]其中，为UE到RIS水平方向信道矩阵，N
x
(t)为高斯白噪声，将接收信号与导频进行解相关后补零得到
[0036]S202、通过2D
‑
FFT得到信号空间谱具体为：
[0037][0038]其中，为H
x
(t)的空间谱，为得到补零后的接收信号所叠加高斯白噪声N
′
x
(t)的空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，其特征在于：所述方法应用在散射体突然变化和用户端缓慢移动环境下的毫米波信道追踪问题中，包括以下步骤：S1、构建RIS辅助上行无线通信系统模型，以及UE
‑
RIS
‑
BS链路的双时间尺度模型和角度变化模型；S2、使用二维快速傅里叶变换算法初始化信道角度参数，并使用最大似然算法初始化路径增益参数；S3、基于牛顿算法追踪UE
‑
RIS水平方向的信道角度；S4、对信道矩阵H(t)是否会发生突变进行检测，若检测到信道矩阵H(t)突变，则再次初始化参数，否则使用牛顿算法继续追踪角度参数。2.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，其特征在于：针对UE
‑
RIS
‑
BS链路的信道仅能通过RIS端反射进行通信，所述步骤S1的方法具体包括以下步骤：S101、在BS端配备N
R
根均匀线性阵列天线，服务于配备N
T
根天线的单用户，RIS由个反射单元组成，其中，和分别为RIS水平和竖直方向上反射元素的数目；S102、在RIS水平与竖直方向上分别连接L个射频链，并且UE到BS的直射径被阻断，UE在第t个时隙发送的信号仅能通过RIS反射到BS，BS的接收信号为：Y(t)＝GH(t)Γ(t)+N(t)其中，为RIS
‑
BS的信道矩阵，为UE
‑
RIS的信道矩阵，为UE发送的导频信号，T为时隙数，导频信号满足正交条件N(t)CN是均值为0，方差为的复高斯白噪声；S103、假设RIS
‑
BS的毫米波信道G是准静态信道，分别对UE
‑
RIS和RIS
‑
BS的信道矩阵G和H(t)进行建模。3.根据权利要求2所述的一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，其特征在于：基于双时间尺度模型对信道矩阵G和H(t)进行建模，所述步骤S103中，对UE
‑
RIS和RIS
‑
BS信道矩阵具体建模为：矩阵具体建模为：其中，L
a
和L
b
分别为UE
‑
RIS和RIS
‑
BS的路径数，为信道H(t)第l
a
条路径增益，为信道G第l
b
条路径增益，为UE离开角(AoD)，和分别为RIS到达角(AoA)的仰角和方位角，和分别为RIS的AoD的仰角和方位角，为BS的AoA，和为信道H(t)的阵列导向矢量。4.根据权利要求3所述的一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，其特征在
于：基于马尔科夫链对角度变化进行建模，所述信道H(t)的阵列导向矢量和分别为：分别为：其中，d
U
和d
I
分别为UE和RIS端天线间距，λ为电磁波波长；表达式与类似，将和d
U
分别用和d
B
代替，d
B
为BS端天线间距，表达式与类似，将和分别用和代替；第t个时隙中UE
‑
RIS所有路径的角度参数集合O(t)为：由于相邻时隙的信道角度变化可以建模为一阶马尔可夫链，所以第t个时隙存在角度变化时的角度模型为：O(t)＝O(t
‑
1)+u(t)其中，表示均值为0，角度变化方差为的复高斯白噪声，Q
U
为u(t)的协方差矩阵。5.根据权利要求1所述的一种基于可重构智能表面的毫米波信道追踪方法，其特征在于：所述步骤S2中，使用二维快速傅里叶变换算法初始化信道角度参数，包括RIS在水平方向上估计角度和RIS在竖直方向上估计角度，所述RIS在水平和竖直方向上估计角度的方法相同，所述RIS在水平方向上估计角度具体包括以下步骤：S201、RIS水平方向上的接收信号为：其中，为UE到RIS水平方向信道矩阵，N
x
(t)为高斯白噪声，将接收信号与导频进行解相关后补零得到S202、通过2D
‑
FFT得到信号空间谱具体为：其中，为H
x
(t)的空间谱，为得到补零后的接收信号所叠加高斯白噪声N
′
x
(t)的空间谱，F
L
′
和为补零后的傅里叶矩阵，信道矩阵中第m行n列的元素为：

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲旭敏，刘雁翔，孙致南，李静洁，陈前斌，金石，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：