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专利名称：一种可重构智能表面辅助MIMO系统分离信道重建方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211509806.4

专利申请（专利权）人：东南大学
权利人地址：江苏省南京市江宁区东南大学路2号

专利发明（设计）人：金石,凌泰炀,韩瑜,李潇

专利摘要：本发明公开了一种可重构智能表面辅助MIMO系统分离信道重建方法，包括如下步骤：用户发送两个时间段的导频，第一个时间段中采用单时刻、占用全部子载波的导频，第二个时间段中采用连续时刻、仅占用部分子载波的导频，并设置了随机RIS反射系数；通过RIS反射信号，基站抽取目标用户分离信道中所有传播路径的方向角、时延和增益信息；分离信道参数的抽取过程分成两个阶段，基站先根据RIS?BS段的已知LoS信道完成UE?RIS段角度和时延的抽。俑萸懊娴慕峁瓿蒖IS?BS段的其余NLoS路径角度和时延的抽。⒎直鸸兰圃鲆，最终完成全部的信道参数估计；基站利用参数完成分离信道重建。本发明实现了低信噪比条件下的RIS级联信道数据传输。

主权利要求：
1.一种可重构智能表面辅助MIMO系统分离信道重建方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1：用户发送两个时间段的导频，第一个时间段中采用单时刻、占用全部子载波的导频，并设计可重构智能表面RIS反射系数以保证性能；第二个时间段中采用连续时刻、仅占用部分子载波的导频，并设置随机RIS反射系数；
步骤2：通过RIS反射信号到达基站，基站抽取目标用户信道中所有传播路径的方向角、时延和增益信息；信道参数的抽取过程分成两个阶段，基站先根据可重构智能表面?基站RIS?BS段的已知视距LoS信道完成用户?可重构智能表面UE?RIS段角度和时延的抽。
步骤3：基站根据步骤2中的结果，完成RIS?BS段的非视距NLoS路径角度和时延的抽。⒎直鸸兰圃鲆，最终完成全部的信道参数估计；
步骤4：基站利用参数完成分离信道重建，用于RIS级联信道的用户数据传输；
其中：
所述步骤1具体为：
步骤1.1，用户分成两个时间段发送导频信号，并采取不同的RIS反射系数配置；
步骤1.2，对于第一个时间段，用户发送的导频信号具有单个时刻但是占用全部子载波的设置，同时设置了RIS反射系数以确保可靠信道估计，具体采取类离散傅里叶变换DFT矩阵的设计，其中第n个RIS单元的反射系数为 其中，N为RIS单元个数；
步骤1.3，对于第二个时间段，用户发送的导频信号具有连续多个时刻但是占用部分子载波的设置，同时设置了随机的RIS反射系数；
所述步骤2具体为：
步骤2.1，基站读取第一时间段的接收导频信号，根据RIS?BS段的已知LoS信道时延和角度参数，设计字典，并利用牛顿正交匹配追踪算法NOMP完成UE?RIS段各个路径的时延估计，并更新剩余信号；基站循环执行本步骤，直到路径能量小于设定的阈值时得到估计的路径数并进入下一步骤；
步骤2.2，基站读取第二时间段的接收导频信号，根据RIS?BS段的已知LoS信道时延和角度和估计得到的UE?RIS段各个路径的的时延，计算得到目标矩阵，设计字典，并利用NOMP算法完成UE?RIS段的角度估计；
步骤2.3，基站根据步骤2.1和步骤2.2得到的UE?RIS段各个路径的的时延参数和角度参数，构建测量矩阵，重新估计UE?RIS段的路径增益，并更新第二时间段的剩余导频信号；
所述步骤3具体为：
步骤3.1，基站获取第一时间段的剩余接收导频信号，对UE?RIS段路径根据增益强度进行排序，选择其中增益最强的路径参数，设计字典，利用NOMP算法完成RIS?BS段接收角度和时延的估计，并更新剩余信号，计算得到RIS?BS段的路径能量；
步骤3.2，基站读取第二时间段的剩余接收导频信号，根据排序得到的UE?RIS段增益最强路径的参数和估计得到的RIS?BS段各个路径的的接收角度和时延参数，计算得到目标矩阵，设计字典，并利用NOMP算法完成RIS?BS段各个路径的发射角度的估计；
步骤3.3)基站根据步骤3.1和步骤3.2得到的RIS?BS段的发射角度、接收角度和时延参数，构建测量矩阵，重新估计RIS?BS段各个路径的的路径增益，并更新第二时间段的剩余信号；
步骤3.4)基站循环执行步骤3.1?步骤3.3，直到步骤3.1中得到的RIS?BS段的路径能量小于设定的阈值Γ时，估计结束。 说明书 : 一种可重构智能表面辅助MIMO系统分离信道重建方法技术领域[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于RIS(可重构智能表面)辅助MIMO?OFDM(多输入多输出正交频分复用)系统的分离信道重建方法。背景技术[0002] 可重构智能超表面因为具有快速配置和低功耗的特点，近来被认为是满足未来无线网络需求的潜在解决方案。RIS通过部署大量近似无源的反射元件来可编程地配置无线传播环境，可以用于提高无线通信的覆盖范围和频谱效率，目前已被用于现有的无线通信系统，并且在室内定位、环境感知、收发信机等方面有着深入地研究和应用。此外，目前已经有无线行业的公司开始在带有基站和商业用户设备的5G网络中，进行基于RIS的原型系统测试。[0003] 然而RIS辅助无线系统中的信道估计却比传统系统中的信道估计更具困难，因为重新配置后的信道模型，实际增加了以配备了大量单元的RIS为核心的级联信道。并且RIS通常在近似无源的状态下工作，没有信号处理能力，这些问题使得获取完美信道状态信息(CSI)的信道估计难度大幅增加。研究的重点指向了更具体的导频开销问题的解决方案。因为训练导频的开销和RIS元件数密切相关，具有大量单元的RIS反射器必然导致多用户系统的导频开销大幅度增高，这是现有通信系统中无法接受的。[0004] 以稀疏信道估计为基。琑IS系统的信道参数估计方法意味着不仅需要得到信道矩阵，还需要根据信道矩阵获取衰落系数、到达方向(DOA)和延迟等与每个用户相关的大量信道参数，可以实现分离信道状态信息的估计，从而为执行预编码、信道重建、相干检测、环境感知、用户定位等工作提供重要指导。然而，目前的研究中，针对RIS端的参数估计目前较少，主要原因在于其信道估计的设计难度和计算难度都较高。但是其重要性不可忽视，例如准确获取的RIS信道的到达角和发射角，对于RIS反射控制和用户定位都有着重要的意义。此外，由于RIS复杂度的限制，针对多载波情况的研究仍然较少。[0005] 综上所述，如何以较小的导频开销获取具有高准确度的RIS级联信道CSI，以及如何实现RIS系统中分离信道的有效估计，成为RIS辅助MIMO?OFDM系统面临的难题。发明内容[0006] 技术问题：为解决上述问题，本发明提供一种基于RIS辅助MIMO?OFDM系统的分离信道重建方法，旨在以较低导频开销的条件下实现较为精确的信道估计，并实现具有较高准确度的分离信道重建。[0007] 技术方案：本发明的一种可重构智能表面辅助MIMO系统分离信道重建方法包括如下步骤：[0008] 步骤1：用户发送两个时间段的导频，第一个时间段中采用单时刻、占用全部子载波的导频，并设计可重构智能表面RIS反射系数以保证性能；第二个时间段中采用连续时刻、仅占用部分子载波的导频，并设置随机RIS反射系数；[0009] 步骤2：通过RIS反射信号到达基站，基站抽取目标用户信道中所有传播路径的方向角、时延和增益信息；信道参数的抽取过程分成两个阶段，基站先根据可重构智能表面?基站RIS?BS段的已知视距LoS信道完成用户?可重构智能表面UE?RIS段角度和时延的抽。籟0010] 步骤3：基站根据步骤2中的结果，完成RIS?BS段的非视距NLoS路径角度和时延的抽。⒎直鸸兰圃鲆，最终完成全部的信道参数估计；[0011] 步骤4：基站利用参数完成分离信道重建，用于RIS级联信道的用户数据传输。[0012] 其中：[0013] 所述步骤1具体为：[0014] 步骤1.1，用户分成两个时间段发送导频信号，并采取不同的RIS反射系数配置；[0015] 步骤1.2，对于第一个时间段，用户发送的导频信号具有单个时刻但是占用全部子载波的设置，同时设置了RIS反射系数以确保可靠信道估计，具体采取类离散傅里叶变换DFT矩阵的设计，其中第n个RIS单元的反射系数为 其中，N为RIS单元个数；[0016] 步骤1.3，对于第二个时间段，用户发送的导频信号具有连续多个时刻但是占用部分子载波的设置，同时设置了随机的RIS反射系数。[0017] 所述步骤2具体为：[0018] 步骤2.1，基站读取第一时间段的接收导频信号，根据RIS?BS段的已知LoS信道时延和角度参数，设计字典，并利用牛顿正交匹配追踪算法NOMP完成UE?RIS段各个路径的时延估计，并更新剩余信号；基站循环执行本步骤，直到路径能量小于设定的阈值时得到估计的路径数并进入下一步骤；[0019] 步骤2.2，基站读取第二时间段的接收导频信号，根据RIS?BS段的已知LoS信道时延和角度和估计得到的UE?RIS段各个路径的的时延，计算得到目标矩阵，设计字典，并利用NOMP算法完成UE?RIS段的角度估计；[0020] 步骤2.3，基站根据步骤2.1和步骤2.2得到的UE?RIS段各个路径的的时延参数和角度参数，构建测量矩阵，重新估计UE?RIS段的路径增益，并更新第二时间段的剩余导频信号。[0021] 所述步骤3具体为：[0022] 步骤3.1，基站获取第一时间段的剩余接收导频信号，对UE?RIS段路径根据增益强度进行排序，选择其中增益最强的路径参数，设计字典，利用NOMP算法完成RIS?BS段接收角度和时延的估计，并更新剩余信号，计算得到RIS?BS段的路径能量；[0023] 步骤3.2，基站读取第二时间段的剩余接收导频信号，根据排序得到的UE?RIS段增益最强路径的参数和估计得到的RIS?BS段各个路径的的接收角度和时延参数，计算得到目标矩阵，设计字典，并利用NOMP算法完成RIS?BS段各个路径的发射角度的估计；[0024] 步骤3.3)基站根据步骤3.1和步骤3.2得到的RIS?BS段的发射角度、接收角度和时延参数，构建测量矩阵，重新估计RIS?BS段各个路径的的路径增益，并更新第二时间段的剩余信号；[0025] 步骤3.4)基站循环执行步骤3.1?步骤3.3，直到步骤3.1中得到的RIS?BS段的路径能量小于设定的阈值Γ时，估计结束。[0026] 有益效果：本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：[0027] 1.现有RIS辅助的移动通信系统的信道估计方案大多基于级联信道估计，本发明所提方案以稀疏信道为基。⒘艘恢諶IS辅助的MIMOOFDM系统的分离信道参数估计算法，可以准确地获取分离信道各条路径的角度、时延、增益信息，有效地恢复了RIS两侧的分离信道。[0028] 2.本发明所提方案还针对RIS辅助的MIMOOFDM系统的信道模型，提出了对应的导频协议和RIS相移矩阵的配置方法，有效解决了RIS辅助系统信道估计中导频开销过大的问题，可以融合多用户等情形进一步拓展。附图说明[0029] 图1为本发明实施例提供的一种基于RIS辅助MIMO?OFDM系统的导频协议图；[0030] 图2为本发明实施例提供的一种基于RIS辅助MIMO?OFDM系统的信道参数估计算法流程图。具体实施方式[0031] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定的导频协议之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。[0032] 本发明的一种可重构智能表面辅助MIMO系统分离信道重建方法包括如下步骤：[0033] 步骤1：用户发送两个时间段的导频，第一个时间段中采用单时刻、占用全部子载波的导频，并设计可重构智能表面RIS反射系数以保证性能；第二个时间段中采用连续时刻、仅占用部分子载波的导频，并设置随机RIS反射系数；[0034] 步骤2：通过RIS反射信号到达基站，基站抽取目标用户信道中所有传播路径的方向角、时延和增益信息；信道参数的抽取过程分成两个阶段，基站先根据可重构智能表面?基站RIS?BS段的已知视距LoS信道完成用户?可重构智能表面UE?RIS段角度和时延的抽。籟0035] 步骤3：基站根据步骤2中的结果，完成RIS?BS段的非视距NLoS路径角度和时延的抽。⒎直鸸兰圃鲆，最终完成全部的信道参数估计；[0036] 步骤4：基站利用参数完成分离信道重建，用于RIS级联信道的用户数据传输。[0037] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图进行详细描述。本发明实施例提供的一种基于RIS辅助MIMO?OFDM系统的分离信道重建方法，基站(BS)和RIS均为均匀线性阵列(ULA)，并且分别配备了M个天线和N个反射单元，单天线用户通过Ns个子载波将信号以RIS为中转，发送给基站端，总共占用T个时隙。[0038] 基站的接收信号表示为 其中Z＝[z1…zT]分别为载波系数矩阵、RIS系数矩阵和噪声系数矩阵。其中 为组合增益， 为级联增益，为相移向量， 是第t个时刻的RIS的相移系数，zt为第tur rb个时刻的噪声矢量，L 和L 分别为UE?RIS路径数和RIS?BS路径数，下标分别对应于后面的l1和l2。设置 为基站角度向量，d为基站天线间距，λ为载波的波长；设置 为OFDM时延向量，Δf为子载波间隔；设置 为RIS角度向量，r为RIS元件间距。 是第q条RIS?BS路径的增益、接收角度、时延、发射角度，是第p条UE?RIS路径的增益、接收角度和时延。在一个示例中，第t个时刻的基站端接收信号可以表示为[0039][0040] 步骤1、用户发送两个时间段的导频，第一个时间段中采用单时刻多载波的导频，并设计了特殊RIS反射系数以保证性能，第二个时间段中采用连续时刻少载波的导频，并设置了随机RIS反射系数；[0041] 1.1)对于第一个时间段，如图1中左侧点状方块所示，用户发送的导频信号具有单个时刻但是占用全部子载波的设置，同时设置了特殊的RIS反射系数以确保可靠信道估计。具体采取了类DFT矩阵的设计，其中第n个RIS单元的反射系数为[0042][0043] 及其类似设置；[0044] 1.2)对于第二个时间段，用户发送的导频信号具有连续多个时刻但是占用部分子载波的设置，如图1中右侧斜线方块所示，在这一时间段内采用预设的Nu个子载波，与UE?RIS子信道的实际路径上限个数 有关。认为当满足 是可以完成估计的最低要求，否则可能会导致路径分离错误而导致估计误差。RIS单元则设置了随机的反射系数及其类似配置。[0045] 步骤2、通过RIS反射信号到达基站，基站抽取目标用户信道中所有传播路径的方向角、时延和增益信息；信道参数的抽取过程分成两个阶段，第一阶段完成基于LoS的信道参数估计，基站根据RIS?BS段的已知LoS信道完成对应的UE?RIS段角度和时延的抽。⑶夜兰芔E?RIS段的路径增益，具体步骤如下：[0046] 2.1)基站读取第一时间段的接收信号y1，res＝y1，根据RIS?BS段的已知LoS信道时延和角度参数，以过采样率βτ配置时延采样向量 并设计字典[0047][0048] 并利用牛顿正交匹配追踪算法(NOMP)，以D1为字典，以y1，res为待估输入信号，得到UE?RIS段中第l1条路径的时延估计值 和组合增益估计值 并更新剩余信号y1，res，其中 是已知RB?RIS段LoS路径的基站接收角度和时延，y1，res是步骤1中设置的第一个时间段剩余信号。基站循环执行本步骤，直到路径能量小于设定的阈值Γ，即满足[0049][0050] 时结束循环，得到估计UE?RIS的总路径数 并进入步骤2.2。[0051] 2.2)基站读取第二时间段的接收信号Y2：T，根据RIS?BS段的已知LoS信道时延和角度和步骤2.1得到的UE?RIS段的时延，计算相移向量 其中为使用了Nu个受限子载波的时延向量。计算得到目标矩阵[0052][0053] 以过采样率 配置角度采样向量 并设计子字典 考虑2到T时刻的RIS相移矩阵C2：T，设计字典[0054][0055] 将 作为NOMP算法的待估输入信号，以D2为字典，得到UE?RIS段中第l1条路径的接收角度估计值 和级联增益估计值 共循环 次直到所有UE?RIS段的路径完成估计。[0056] 2.3)基站根据2.1和2.2得到的所有估计参数，构建测量矩阵 其中 重新估计UE?RIS段的路径增益[0057][0058] 并更新第二时间段的剩余信号 其中 是第二时间段的接收信号 按列合并重组后的结果，得到更新后的剩余信号Y′res后，反向操作得到Y2：T，res，其中res表示剩余信号。[0059] 步骤3、第二阶段完成基于NLoS的信道参数估计，基站根据步骤2中的估计结果完成RIS?BS段的NLoS路径角度和时延的抽。⑶夜兰芌IS?BS段的路径增益；[0060] 3.1)基站获取第一时间段的剩余接收信号y1，res，提取步骤2中的UE?RIS段增益最强路径的参数，过采样率βθ配置时延采样向量 设计字典[0061][0062] 利用NOMP算法，以D3为字典，以y1，res为待估输入信号，得到RIS?BS段中第l2条路径的时延估计值 角度估计值 和组合增益估计值 并更新剩余信号y1，res。[0063] 如果估计得到的增益满足[0064][0065] 则进入步骤3.2和3.3继续估计其他参数，否则停止整个步骤3并且估计结束。[0066] 3.2)基站读取第二时间段的剩余接收信号Y2：T，res，利用估计得到的UE?RIS段增益最强的路径参数(默认按照路径增益的强弱进行排序，因此选取索引为1代表增益最强的路径)和3.1中得到的参数，计算相移向量 计算得到目标矩阵[0067][0068] 以过采样率 配置角度采样向量 设计RIS角度字典 并根据RIS的相移矩阵构建字典[0069][0070] 将 作为NOMP算法的待估输入信号，以D4为字典，得到RIS?BS段中第l2条路径的发射角度估计值 和级联增益估计值[0071] 3.3)基站根据3.1和3.2得到的参数，构建测量矩阵W满足重新估计RIS?BS段的路径增益[0072][0073] 并更新第二时间段的剩余信号 其中Y′是第二时间段的接收信号Y2：T，res按列合并重组后的结果，得到更新后信号后Y′res反向操作得到更新后的Y2：T，res。[0074] 步骤4、基站利用估计得到的参数完成级联信道的重建：[0075][0076] UE?RIS信道的重建：[0077][0078] 和RIS?BS信道的重建：[0079][0080] 并用于RIS级联信道的用户数据传输和其他相关技术。[0081] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-11-29

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115865575B