CN113992483A - 可重构表面辅助simo系统中基于叠加导频的信道估计方法 - Google Patents

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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明涉及一种可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，属于无线通信技术领域。首先，堆叠接收信号为矩阵形式，基于最小二乘原理估计堆叠信道矩阵的初值，并构造等效级联信道矩阵来估计实际链路中的级联信道初值；然后，利用已知的导频信号矩阵，结合上一步中估计得到的堆叠信道矩阵检测数据符号；接着，通过迭代的方式更新堆叠信道矩阵和数据符号矩阵；最后，结合堆叠信道的迭代估计结果分析系统的频谱效率。本发明不但能有效增加导频长度，同时还延长了数据序列长度，使得系统频谱效率有望得到提升。

Description

可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法。
背景技术
在保证超高数据吞吐量的前提下，未来无线通信系统预计还需能够提供超低时延和超高可靠性的传播、感测、定位和计算等服务，然而仅关注无线通信环境两端的无线通信技术的创新已不能满足这些要求。在过去几年，已有部分研究利用传播环境的隐含随机性来简化收发机制和提高服务质量，例如空间调制(Spatial Modulation,SM)和基于媒体的调制(Media-Based Modulation,MBM)，但这些利用自然传输环境的技术，也无法有效地规避无线环境对通信效率和服务质量的负面影响。在这样的背景下，可重构智能表面(Reconfigurable IntelligentSurface,RIS)作为未来无线通信的革命性技术，能够通过智能地控制传播环境来提高无线通信系统的频谱效率和能量效率而广受关注。
在RIS辅助通信系统中，RIS由大量低成本、无源反射单元和一个控制器组成；控制器通过反射单元可独立地调整入射信号的幅度和相位，以此达到智能调控无线通信系统环境的目的。为充分利用RIS这一特性，大量研究集中在系统功率及传输和速率优化等方面。然而，以上研究往往假设基站和用户端均确知信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)。但在RIS辅助的通信系统中，由于通过智能地控制RIS反射单元的幅度和相位，导致传统获取CSI的方案将面临严峻的挑战。具体而言，RIS的无源性导致其不能直接参与信道估计过程，信道估计只能在基站或用户端完成；此外，RIS单元数通常较多，即信道链路数的数目较多，无形中增大信道估计难度。于是，除了传统的通过增加导频开销来估计信道的方案外，还出现了对RIS进行分组估计的方案和为RIS配置少量接收射频链来辅助信道估计方案。但前者大大地降低发送端的无源波束形成设计的自由度(Degrees-of-freedom,DoF)，后者将增加通信系统的硬件成本和功耗开销，从而限制了RIS的覆盖范围，提高了网络部署难度。值得注意的是，上述信道估计方案基于常规的复用导频(Multiplexed Pilot,MP)模式，即在相干时间内，导频信号和数据信号分别占据非重叠的时隙段。从整体来看，当RIS反射单元数增加时，系统中的链路数将成倍增加，导致导频开销亦成倍增加，从而不得不大幅减少相干时间内数据长度，使系统频谱效率下降。与MP配置模式不同，叠加导频(Superimposed Pilot,SP)配置模式，将相干时间内的导频信号与数据信号于发送端叠加后再进行发送。这种配置方案不但能有效增加导频长度，同时还延长了数据序列长度，因而，SP配置模式有可能在提高信道估计精确度的同时，使得系统频谱效率亦得到提升。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种RIS辅助通信系统中基于叠加导频的信道估计方法，设在RIS辅助的单用户SIMO上行通信系统中，其中用户配置单根发送天线，基站配置Nr根接收天线，RIS包含M块反射单元。基于该系统，本发明提供的基于叠加导频的信道估计方法包括如下步骤：
步骤一：堆叠L个数据子块的接收符号构造接收矩阵Y，将接收信号对应的数据部分视为噪声并利用已知的导频矩阵得到堆叠信道的估计初值
Figure BDA0003333528720000021
上标(0)表示初值估计过程中的结果；并给相关参数I，α和ΘH赋值：I表示预先设置的最大迭代次数，α表示预先设置的数据发送功率占总发送功率的比值，又称为功率分配因子，ΘH表示预先设置的RIS反射相移矩阵，其中H表示对矩阵求共轭转置；
步骤二：利用堆叠信道的估计值
Figure BDA0003333528720000022
构造等效级联信道的估计矩阵
Figure BDA0003333528720000023
并求解得到级联信道
Figure BDA0003333528720000024
其中上标(i-1)表示第(i-1)次迭代估计过程中的结果，初值估计过程中i＝1，1≤i≤I；
步骤三：减去接收矩阵中对应的导频数据部分，利用上一步得到的堆叠信道估计值
Figure BDA0003333528720000025
检测发送数据
Figure BDA0003333528720000026
并进行硬判决处理为
Figure BDA0003333528720000027
步骤四：减去接收矩阵中对应的发送数据部分，更新堆叠信道估计值
Figure BDA0003333528720000028
步骤五：重复步骤二到步骤四，直到迭代次数i达到预先设置的最大值I；
步骤六：利用迭代估计得到堆叠信道矩阵
Figure BDA0003333528720000029
对系统进行频谱效率分析，推算最佳功率分配因子α0。
进一步，所述步骤一中按以下矩阵形式堆叠接收信号Y：
Figure BDA0003333528720000031
其中
Figure BDA0003333528720000032
表示在第l个数据子块发送期间的接收信号矩阵，Nr表示接收端配置的天线数，P表示数据子块长度，
Figure BDA0003333528720000033
表示第l个数据子块发送期间的级联信道矢量，
Figure BDA0003333528720000034
为第l个数据子块矢量，
Figure BDA0003333528720000035
为第l个数据子块发送期间所采用的导频矢量，
Figure BDA0003333528720000036
表示第l个数据子块发送期间的背景噪声矩阵，l＝1,...,L。基于最小二乘准则堆叠信道矩阵的估计初值
Figure BDA0003333528720000037
其中上标
Figure BDA0003333528720000038
表示矩阵的伪逆
Figure BDA0003333528720000039
满足条件限制P≥L。
进一步，所述步骤二中由于堆叠信道的估计值
Figure BDA00033335287200000310
和等效级联信道的估计矩阵
Figure BDA00033335287200000311
的区别在于等效级联估计矢量
Figure BDA00033335287200000312
的排列方式不同，具体如下：
Figure BDA00033335287200000313
Figure BDA00033335287200000314
因此，利用已知的反射相移矩阵ΘH，可以解出级联信道
Figure BDA00033335287200000315
进一步，所述步骤三中将数据部分视为有效部分，于是减去对应的导频部分后，结合上一步过程的堆叠信道估计矩阵
Figure BDA00033335287200000316
来检测对应迭代过程的数据矩阵
Figure BDA00033335287200000317
再经硬判决运算为
Figure BDA00033335287200000318
进一步，所述步骤四中减去第(i-1)次迭代过程中估计值
Figure BDA00033335287200000319
和
Figure BDA00033335287200000320
的影响，利用确知的导频矩阵C更新堆叠信道矩阵的估计结果
Figure BDA00033335287200000321
该过程表示为：
Figure BDA00033335287200000322
进一步，所述步骤六中结合迭代估计得到的堆叠信道矩阵
Figure BDA00033335287200000323
推导系统的频谱效率：
Figure BDA0003333528720000041
通过对功率分配因子α求一阶偏导，分别解得初值估计和迭代估计过程中的最佳功率分配因子αo。
本发明的有益效果在于：本发明基于叠加导频来完成信道估计，其中叠加导频配置方法按一定的功率分配因子比例，将数据信号和导频信号先叠加再发送的方式来增加导频序列长度，而基于最小二乘的迭代估计方法在有限的迭代次数内进一步提高信道估计准确度。通过该方法不但能快速估计信道，而且通过该估计信道列写出系统频谱效率并推导出最佳功率分配因子，还能进一步提高数据传输过程中的系统频谱效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为RIS辅助的上行SIMO系统模型；
图2为基于叠加导频的信道估计的具体实现流程。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为RIS辅助的上行SIMO系统模型示意图。表1为本发明提供的叠加导频序列结构。附图2为本发明提供的基于叠加导频的信道估计的具体实现流程图。
本发明的RIS辅助的单用户单输入多输出(Single Input Multiple Output，SIMO)系统模型如图1所示，设该链路由配备单根天线的用户，配备Nr根天线的基站和包含M块反射单元的RIS组成。基站与用户之间的视距链路因障碍物遮挡，引入RIS以辅助实现通信过程。
RIS各单元的反射相移受到微控制器控制，假设微控制器通过回程链路与基站交互反射相移矢量信息，以达到控制通信环境的目的。将待发送数据分割成如表2所示的长度为P的数据子块，每块用长度为P的行矢量表示。
表2叠加导频序列结构
反射相移为θ<sub>1</sub>期间 ... 反射相移为θ<sub>L</sub>期间
发送序列为(b<sub>1</sub>+c<sub>1</sub>) ... 发送序列为(b<sub>L</sub>+c<sub>L</sub>)
假设发送第l个数据子块时，RIS反射单元的相移矢量为
Figure BDA0003333528720000051
其中
Figure BDA0003333528720000052
于是，在第l个数据子块发送期间的等效级联信道矢量
Figure BDA0003333528720000053
可表示为：
ql＝Hrdiag(θl)ht
其中
Figure BDA0003333528720000054
为RIS到基站链路的信道矩阵，
Figure BDA0003333528720000055
为单天线用户到RIS链路的信道矢量。假设信道相干时间长度为L×P，即Hr和ht在信道相干时间内保持不变。将ht对角化后，再与Hr相乘得到级联信道矩阵：
H＝Hrdiag(ht)
其中
Figure BDA0003333528720000056
的每个行矢量
Figure BDA0003333528720000057
为基站第n根天线与RIS间的级联信道矢量，其中上标T表示转置运算。具体而言，行矢量元素
Figure BDA0003333528720000058
表示以RIS第m块反射单元为连接点的两条通信信道(用户到第m块反射单元的信道和第m块反射单元到基站第n根天线的信道)称为一条级联信道。进一步，考虑到受RIS相位偏移矢量θl的影响，等效信道矢量ql可表示为：
ql＝Hθl
设基站端天线按均匀线阵的形式排列，RIS的M个反射单元按
Figure BDA0003333528720000061
均匀方阵的形式排列。RIS到基站链路的信道矩阵可表示为：
Figure BDA0003333528720000062
其中β1为RIS到基站链路的路径损耗因子，φ和σ分别为RIS离开方向的方位角和仰角，ζ为基站接收端到达方向的方位角。
Figure BDA0003333528720000063
aB(ζ)＝fR(sin(ζ))
Figure BDA0003333528720000064
其中λ为载波波长，d为RIS相邻单元间隔，为简化运算通常取d/λ＝1/2，
Figure BDA0003333528720000065
表示克罗内克积运算。用户到RIS链路的信道矢量可表示为：
Figure BDA0003333528720000066
其中β2为用户到RIS链路的路径损耗因子。
利用时分双工(Time Division Duplexing,TDD)上下行信道的互易性，在信道相干时间内，按照表2提供的叠加导频方案，用户发送的第l个叠加导频数据子块可以表示为：
sl＝bl+cl
其中
Figure BDA0003333528720000067
为第l个数据子块矢量，满足功率限制||bl||2＝Pα，α为功率分配因子表示数据部分功率与总发送功率的比值；
Figure BDA0003333528720000068
为第l个数据子块发送期间所采用的导频矢量，其为长度为P的周期序列，满足功率限制||cl||2＝P(1-α)，规定在第l+1个数据子块发送期间所采用的导频矢量cl+1为cl右移一位所得。并且每发送长度为P的叠加信号，RIS改变一次相移；RIS相移共计改变L次，则发送的叠加信号共L×P个。于是，在第l个数据子块发送期间，接收信号
Figure BDA0003333528720000069
可表示为：
Yl＝ql(bl+cl)+Nl
其中
Figure BDA00033335287200000610
为附加背景噪声矩阵，其中元素服从均值为零，方差为σ2的复高斯分布。
基于以上系统并结合表2，对本发明提供的基于叠加导频的信道估计的迭代步骤和频谱效率分析进行一一说明。
(1)基于叠加导频的迭代估计过程
在基站接收端，堆叠连续的L个数据子块传输相对应的接收符号，构成接收矩阵：
Figure BDA0003333528720000071
进一步，利用等效级联信道矢量ql构造等效级联信道矩阵
Figure BDA0003333528720000072
且还可表示为：
Figure BDA0003333528720000073
以下将结合图2对基于叠加导频的信道估计具体流程作详细说明：
1：基于最小二乘准则有堆叠信道矩阵的估计初值：
Figure BDA0003333528720000074
其中上标
Figure BDA0003333528720000075
表示矩阵的伪逆
Figure BDA0003333528720000076
满足条件限制P≥L。提取
Figure BDA0003333528720000077
中对应的等效级联矢量
Figure BDA0003333528720000078
构成
Figure BDA0003333528720000079
可得级联信道估计初值：
Figure BDA00033335287200000710
2：数据序列的迭代估计过程
基于上一次信道估计初值
Figure BDA00033335287200000711
和已知的导频矩阵，可得第(i-1)次迭代中对应的数据序列估计值：
Figure BDA00033335287200000712
其中上标(i-1)代表迭代次数，初值估计过程中令i＝1。得到
Figure BDA00033335287200000713
后再硬判决为
Figure BDA00033335287200000714
3：通过迭代估计更新估计信道
从接收信号的堆叠矩阵Y减去对应的估计数据部分
Figure BDA00033335287200000715
后，基于最小二乘准则迭代更新堆叠估计信道：
Figure BDA0003333528720000081
提取等效信道
Figure BDA0003333528720000082
中的等效矢量部分改写为
Figure BDA0003333528720000083
后，更新估计信道为：
Figure BDA0003333528720000084
若达到预定迭代次数，停止迭代，否则，返回第2步继续循环。
(2)频谱效率分析
接收矩阵与估计得到的堆叠信道矩阵的关系可表示为：
Figure BDA0003333528720000085
再剔除对应的导频部分，则：
Figure BDA0003333528720000086
第i次迭代时，用户的上行频谱效率为：
Figure BDA0003333528720000087
针对初次信道估计过程和迭代信道估计过程的SINR(i)不同，作以下详细说明：
1：基于初值信道估计结果的SINR(0)
根据以上推导
Figure BDA0003333528720000088
其中：
f1＝L2β2β1M-LPβ2β1M
f2＝L2σ2+LPβ2β1M
f3＝L2β2β1M-LPσ2
f4＝L2σ2+LPσ2
由一阶偏导公式，最优功率分配因子可表示为
Figure BDA0003333528720000089
其中αo取[0,1]之间的解。
2：基于迭代信道估计结果的SINR(i)
根据以上推导
Figure BDA0003333528720000091
其中：
Figure BDA0003333528720000092
v2＝PLβ2β1MNr+L2d2peβ2β1MNr+L2σ2Nr
Figure BDA0003333528720000093
v4＝L2d2peβ2β1MNr+L2σ2Nr+LPσ2Nr
其中
Figure BDA0003333528720000094
表示第(i-1)次堆叠信道的估计误差，
Figure BDA0003333528720000095
表示堆叠信道估计误差的方差，pe表示硬判决过程的判决误差。由一阶偏导公式，迭代过程中的最优功率分配因子可表示为：
Figure BDA0003333528720000096
其中αo在[0,1]之间取值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，其特征在于：该方法包括以下几个步骤：
步骤一：堆叠L个数据子块的接收符号构造接收矩阵Y，将接收信号对应的数据部分视为噪声，并利用已知的导频矩阵得到堆叠信道的估计初值
Figure FDA0003333528710000011
其中上标(0)表示初值估计过程中的结果；并给相关参数I，α和ΘH赋值：I表示预先设置的最大迭代次数，α表示预先设置的数据发送功率占总发送功率的比值，又称为功率分配因子，ΘH表示预先设置的RIS反射相移矩阵，其中H表示对矩阵求共轭转置；
步骤二：利用堆叠信道的估计值
Figure FDA0003333528710000012
构造等效级联信道的估计矩阵
Figure FDA0003333528710000013
并求解得到级联信道
Figure FDA0003333528710000014
其中上标(i-1)表示第(i-1)次迭代估计过程中的结果，初值估计过程中i＝1，1≤i≤I；
步骤三：减去接收矩阵中对应的导频数据部分，利用上一步得到的堆叠信道估计值
Figure FDA0003333528710000015
检测发送数据
Figure FDA0003333528710000016
并进行硬判决处理为
Figure FDA0003333528710000017
步骤四：减去接收矩阵中对应的发送数据部分，更新堆叠信道估计值
Figure FDA0003333528710000018
步骤五：重复步骤二到步骤四，直到迭代次数i达到预先设置的最大值I；
步骤六：利用迭代估计得到堆叠信道矩阵
Figure FDA0003333528710000019
对系统进行频谱效率分析，推算最佳功率分配因子α0。
2.根据权利要求1所述的可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，其特征在于：所述步骤一按以下矩阵形式堆叠接收信号Y：
Figure FDA00033335287100000110
其中
Figure FDA00033335287100000111
表示在第l个数据子块发送期间的接收信号矩阵，Nr表示基站接收端配置的天线数，P表示数据子块长度，
Figure FDA00033335287100000112
表示第l个数据子块发送期间的级联信道矢量，
Figure FDA00033335287100000113
为第l个数据子块矢量，
Figure FDA00033335287100000114
为第l个数据子块发送期间所采用的导频矢量，
Figure FDA00033335287100000115
表示第l个数据子块发送期间的背景噪声矩阵，l＝1,...,L；基于最小二乘准则有堆叠信道矩阵的估计初值：
Figure FDA00033335287100000116
其中上标
Figure FDA0003333528710000021
表示矩阵的伪逆
Figure FDA0003333528710000022
满足条件限制P≥L。
3.根据权利要求1所述的可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，其特征在于：所述步骤二中，堆叠信道的估计值和等效级联信道的估计矩阵之间的区别在于对等效级联估计矢量
Figure FDA0003333528710000023
的排列方式不同，具体如下：
Figure FDA0003333528710000024
而
Figure FDA0003333528710000025
利用已知的反射相移矩阵ΘH，解出级联信道
Figure FDA0003333528710000026
4.根据权利要求1所述的可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，其特征在于：所述步骤三中，将数据部分视为有效部分，于是减去对应的导频部分后，结合上一步过程的堆叠信道估计矩阵
Figure FDA0003333528710000027
来检测对应迭代过程的数据矩阵
Figure FDA0003333528710000028
Figure FDA0003333528710000029
再经硬判决运算为
Figure FDA00033335287100000210
5.根据权利要求1所述的可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，其特征在于：所述步骤四中，减去第(i-1)次迭代过程中估计值
Figure FDA00033335287100000211
和
Figure FDA00033335287100000212
的影响，利用确知的导频矩阵C更新堆叠信道矩阵的估计结果
Figure FDA00033335287100000213
表示为：
Figure FDA00033335287100000214
6.根据权利要求1所述的可重构表面辅助SIMO系统中基于叠加导频的信道估计方法，其特征在于：所述步骤六中，结合迭代估计得到的堆叠信道矩阵
Figure FDA00033335287100000215
来推导系统的频谱效率SE：
Figure FDA00033335287100000216
通过对功率分配因子α求一阶偏导，分别解得初值估计和迭代估计过程中的最佳功率分配因子αo。
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