CN114172546B - Ris辅助mimo系统中一种多参数迭代估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及RIS辅助MIMO系统中一种多参数迭代估计方法。针对RIS辅助MIMO系统,重点解决传统CSI估计方法中,由于待估计的信道参数过于庞大带来复杂度高,精度下降等问题。其实现步骤为:1)在瑞利信道条件下,MS不断传输导频序列进入RIS,通过RIS反射给BS,随后在BS端构造一个基于多维矩阵的具有PN的RIS辅助MIMO系统信号模型;2)BS对传输来的导频序列向量化,按合适的顺序进行排列组合,得到基于平行因子(PARAFAC)模型的两种剖面形式;3)基于PARAFAC的分解特性,多次运用双线性交替最小二乘(BALS)拟合算法估计出单独的信道,再利用奇异值分解(SVD)获得收发端各自的PN估计值。本发明提出的迭代估计方法对多参数联合估计具有精度高的优势,同时相比已有竞争方法具有更强的鲁棒性,因此更加符合实际通信系统的需求。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,特别针对RIS辅助MIMO系统中一种多参数迭代估计方法。
背景技术
可重构智能表面(RIS)具有低硬件成本和低能耗的优点,它能够提高多输入多输出(MIMO)通信系统的覆盖范围和容量。一般来说,部署由大量无源元件组成的RIS,可以建立基站(BS)和移动站(MS)之间额外的链接,根据周围环境重新配置这些RIS元件,从而提供更高的波束成形增益。然而,可靠的波束成形需要精确的信道状态信息(CSI),因此,为RIS辅助MIMO系统开发新的信道估计方案是非常必要的。
虽然信道估计技术在传统的无线通信领域已经得到广泛的研究,但传统的信道估计方法直接应用到RIS辅助MIMO系统中会面临新的问题和挑战。首先,每个RIS元件的被动反射都需要进行合理的设计,以实现信号聚焦或干扰抵消。此外,考虑到RIS通常有大量的反射元件,因此需要估计庞大的相关信道参数系数。
目前,已经有较多文献介绍了相对完善的针对RIS辅助MIMO系统的信道估计算法。有文献提出了一种基于三阶段导频训练的方法获得上行RIS辅助多用户系统的级联信道估计值。此外,还有文献介绍了RIS辅助毫米波系统中基于低秩特性的两阶段信道估计框架来获得单独的信道。尽管如此,这些文献并没有充分讨论相位噪声(PN)带来的影响。从某种程度上说,PN会产生相位误差和载波间干扰,它极大地限制了通信系统的性能。因此,已有竞争算法在进行信道检测时往往会出现较大偏差,不符合实际通信场景的需求。
发明内容
发明目的:本发明针对现有技术的缺陷,提出RIS辅助MIMO系统中一种多参数迭代估计方法,以获得更高精度的CSI。
技术方案:本发明所述的RIS辅助MIMO系统中一种多参数迭代估计方法包括:
在瑞利信道条件下,MS不断传输导频序列进入RIS,通过RIS反射给BS,随后在BS端构造一个基于多维矩阵的具有PN的RIS辅助MIMO系统信号模型;
BS对传输来的导频序列向量化,按合适的顺序进行排列组合,得到基于平行因子(PARAFAC)模型的两种剖面形式;
基于PARAFAC的分解特性,多次运用双线性交替最小二乘(BALS)拟合算法估计出单独的信道,再利用奇异值分解(SVD)获得收发端各自的PN估计值;
进一步的,所述在瑞利信道条件下,MS不断传输导频序列进入RIS,通过RIS反射给BS,随后在BS端构造一个基于多维矩阵的具有PN的RIS辅助MIMO系统信号模型,具体包括:
假设MS和BS端分别配置了NT和NR根天线,同时RIS由N个无源元件组成。整个信道训练过程被分成K个信号块,每个信号块对应L个时间片。在实际系统配置中,天线之间往往部署有互不影响的振荡器,也就是说,收发端的PN(表示为和)在每个时间片l=1,…,L之间是不同的。考虑服从瑞利分布的MS-RIS信道和RIS-BS信道BS在第k=1,…,K个信号块的第l个时间片上接收到的导频序列可以表示为:
其中F是MS发射的导频信号,diag((P2)l·)和diag((P1)l·)分别表示由矩阵P2和P1的第l行组成的对角方阵,同样diag(Φk·)也表示由RIS相移矩阵的第k行组成的对角方阵,是BS端的合并矩阵,假定其在KL个时间片中保持不变,Nk,l是服从高斯分布的噪声矩阵。
进一步的,所述BS对传输来的导频序列向量化,按合适的顺序进行排列组合,得到基于平行因子(PARAFAC)模型的两种剖面形式,具体包括:
首先考虑不含噪声的接收信号Xk,l,对它执行向量化操作,得到:
随后,将所有KL个时间片里对应的向量化导频序列按一定顺序进行排列组合,再把忽略的噪声加上,即有:
进一步的,基于PARAFAC的分解特性,多次运用双线性交替最小二乘(BALS)拟合算法估计出单独的信道,再利用奇异值分解(SVD)获得收发端各自的PN估计值,具体包括:
其中表示伪逆操作,重复上述迭代过程直至收敛。该算法的收敛条件为|e(i)-e(i-1)|/|e(i-1)|≤ε,其中且表示第i次迭代时利用估计出来的加载矩阵重构得到的紧凑模式,ε表示阈值并设为10-5。由于和存在尺度模糊,因此我们考虑将矩阵P的首行置一,即进而得到:
有益效果:与现有技术相比,其主要优点在于:本发明能在BS端联合估计出系统的信道和PN;而且利用所提的BALS拟合算法,可以实现精确的CSI估计。
附图说明
图1为本发明的RIS辅助MIMO系统中多参数迭代估计方法流程图;
图2为本发明的RIS辅助MIMO系统结构示意图;
图3为本发明在不同导频长度LP和信号块K下,与已有SVD方法的MS-RIS信道估计归一化均方误差(NMSE)性能图;
图4为本发明在不同导频长度LP和信号块K下,与已有SVD方法的RIS-BS信道估计NMSE性能图;
图5为本发明在不同导频长度LP和信号块K下,与已有SVD方法的发送端PN估计NMSE性能图;
图6为本发明在不同导频长度LP和信号块K下,与已有SVD方法的接收端PN估计NMSE性能图。
具体实施方式
为使本发明的特点和优势更加明显易懂,下面结合附图对本发明进行详细说明。
图2为本发明的RIS辅助MIMO系统结构示意图,如图2所示的收发端存在PN的上行RIS辅助MIMO系统,其中MS发送导频到RIS,再经RIS反射至BS端。MS和BS分别部署有NT和NR根天线,RIS由N个无源电子元件紧密排列而成。由于不利的传播条件,假设MS和BS之间的直接路径高度衰减,因此,针对所提的RIS辅助的MIMO系统,直接链路可以不用考虑在内。
实施实例一
请参见图3和图4,这两张图为本发明在不同导频长度LP和信号块K下,与已有SVD方法的信道估计NMSE性能图。系统参数为:NT=NR=4,N=40,T=6和LP/K={6/48,12/48,12/96}。可以发现随着导频长度LP或信号块K的增加,信道训练的时间更长,因此所提方法和已有SVD方法的信道NMSE相应降低。而且随信噪比(SNR)增大,所提方法的NMSE曲线始终位于已有SVD方法的NMSE曲线下方,这也意味着无论采取哪种参数配置,所提方法的信道估计精度都高于已有SVD方法。
实施实例二
请参见图5和图6,这两张图为本发明在不同导频长度LP和信号块K下,与已有SVD方法的PN估计NMSE性能图。我们考虑NT=NR=4,N=40,T=6和LP/K={6/48,12/48,12/96}。它们表明,当导频长度LP或信号块K增加时,可以用来估计信道的信息增多,因此所提方法和已有SVD方法的PN估计精度相应提高。尽管两种方法之间的性能差距不断减小,但所提方法的NMSE始终低于已有SVD方法的NMSE,即说明所提方法在估计PN上具有更好的鲁棒性。
综上,本发明考虑RIS辅助MIMO系统中一种多参数迭代估计方法,通过MS发送导频,经RIS反射到BS端,并借助所提的BALS拟合算法,使CSI参数都可以获得较好的估计性能。
以上实施例的说明仅为帮助理解本发明的方法和其主要思想。本说明书的内容不能以此来限定本发明的权利范围,因此,本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.RIS辅助MIMO系统中一种多参数迭代估计方法,其特征在于该方法包括:
在瑞利信道条件下,MS不断传输导频信号进入RIS,通过RIS反射给BS,随后在BS端构造一个基于多维矩阵的具有相位噪声(PN)的RIS辅助MIMO系统信号模型,具体包括:假设MS和BS端分别配置了NT和NR根天线,同时RIS由N个无源元件组成,整个信道训练过程被分成K个信号块,每个信号块对应L个时间片,在实际系统配置中,天线之间部署互不影响的振荡器,收发端的PN包括和在每个时间片l=1,…,L之间是不同的,考虑服从瑞利分布的MS-RIS信道和RIS-BS信道BS在第k=1,…,K个信号块的第l个时间片上的接收信号可以表示为
其中F是MS发射的导频信号,diag((P2)l·)和diag((P1)l·)分别表示由矩阵P2和P1的第l行组成的对角方阵,同样diag(Φk·)也表示由RIS相移矩阵的第k行组成的对角方阵,是BS端的合并矩阵,假定其在KL个时间片中保持不变,Nk,l是服从高斯分布的噪声矩阵;
BS对接收信号进行向量化,并按合适的顺序排列组合,得到基于平行因子(PARAFAC)模型的两种剖面形式,具体包括:首先考虑不含噪声的接收信号Xk,l,对它执行向量化操作,得到
其中vec(·)表示将一个矩阵转换成向量形式,和分别表示级联信道矩阵Π的第k列和联合PN矩阵P的第l行,符号和⊙分别表示克罗内克积和Khatri-Rao积,(·)T表示转置,随后,将所有KL个时间片对应的向量化接收信号按一定顺序进行排列组合,再把忽略的噪声加上,即有
基于PARAFAC的分解特性,多次运用双线性交替最小二乘(BALS)拟合算法估计出单独的信道,再利用奇异值分解(SVD)获得收发端各自的PN估计值,具体包括:根据BALS算法的基本原理,通过优化以下两个最小二乘(LS)准则来更新加载矩阵和P,即
其中表示伪逆操作,该算法的收敛条件为|e(i)-e(i-1)|/|e(i-1)|≤ε,其中且表示第i次迭代时利用估计出来的加载矩阵重构得到的紧凑模式,ε表示阈值并设为10-5,考虑将矩阵P的首行置一,即进而得到
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