CN116781461A - 信道估计方法、数据传输方法、装置、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种信道估计方法、数据传输方法、装置、系统及介质，涉及通信技术领域，用于解决如何在相对较低的导频信号开销下有效地进行IRS无线通信系统的信道估计的问题，所述方法包括：获取导频信号在无线通信系统通过BS‑UE信道和BS‑IRS‑UE信道传输的配置参数；根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS‑UE信道分量和BS‑IRS‑UE信道分量；求解双信道输入输出模型，以获得BS‑UE信道分量估计结果和BS‑IRS‑UE信道分量估计结果。本公开通过求解BS‑UE信道分量和BS‑IRS‑UE信道分量，降低了导频开销，为IRS无线通信系统提出了有效的信道估计方法。
Description
技术领域
本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种信道估计方法、数据传输方法、信道估计装置、数据传输装置、无线通信系统及计算机可读存储介质。
背景技术
智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)作为一种在无线通信系统中增强通信的技术，在扩大无线通信覆盖范围，提高数据传输速率以及提高系统能效方面具有显著优势。为了使IRS实现较高的波束成形增益，需要获取完整的信道状态信息，所以，信道估计是IRS无线通信系统需要解决的重要问题。
IRS无线通信系统的复信道的大小随反射单元数量线性增加，实际IRS通常配置大规模的反射单元，信道数量增加导致信道估计的复杂性增加。应用于不包括IRS的无线通信系统的信道估计方法，通常利用接收端的信号估计整个信道，如果在IRS无线通信系统中估计整个信道将产生非常大的导频信号开销。
公开内容
本公开所要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种信道估计方法、数据传输方法、信道估计装置、数据传输装置、无线通信系统及计算机可读存储介质，以解决如何在相对较低的导频信号开销下有效地进行IRS无线通信系统的信道估计的问题。
第一方面，本公开提供一种信道估计方法，所述方法包括：
获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数；
根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量；
求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
其中，IRS是智能反射面，BS是基站，UE是用户设备。
第二方面，本公开提供一种数据传输方法，所述方法通过数据传输协议传输数据，所述数据传输协议用于：
将无线通信系统的相干时间划分为三个阶段；
在第一阶段，使导频信号在无线通信系统中通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，并采用如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
在第二阶段，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数；
在第三阶段，基于优化的反射系数、BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果传输数据。
第三方面，本公开提供一种信道估计装置，包括：
获取配置模块，用于获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数；
建立模型模块，与获取配置模块连接，用于根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量；
求解结果模块，与建立模型模块连接，用于求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
其中，IRS是智能反射面，BS是基站，UE是用户设备。
第四方面，本公开提供一种数据传输装置，所述装置设置数据传输协议，所述数据传输协议用于：
将无线通信系统的相干时间划分为三个阶段；
在第一阶段，使导频信号在无线通信系统中通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，并采用如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
在第二阶段，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数；
在第三阶段，基于优化的反射系数、BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果传输数据。
第五方面，本公开提供一种无线通信系统，包括：
BS，用于接收UE发送的导频信号，根据导频信号执行如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数，以及将优化的反射系数发送给IRS控制器；
IRS控制器，与BS连接，用于接收BS发送的优化的反射系数，并根据优化的反射系数控制IRS；
IRS，与IRS控制器连接，用于根据IRS控制器的控制调整IRS每个反射单元的反射系数；
BS与IRS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果和优化的反射系数通过BS-IRS-UE信道传输数据，BS基于BS-UE信道分量估计结果通过BS-UE信道传输数据。
第六方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器运行时，实现如上第一方面所述的信道估计方法、或如上第二方面所述的数据传输方法。
本公开提供一种信道估计方法、数据传输方法、信道估计装置、数据传输装置、无线通信系统及计算机可读存储介质，通过建立导频信号关于BS-UE信道和BS-IRS-UE信道的输入输出模型，将估计对象转换为BS-UE信道和BS-IRS-UE信道两个分量，求解模型分别获得BS-UE信道和BS-IRS-UE信道的估计结果，降低了导频开销，为IRS无线通信系统提出了有效的信道估计方法。
附图说明
图1是本公开实施例的一种IRS无线通信系统的场景图；
图2是本公开实施例的一种信道传输协议的示意图；
图3是本公开实施例的一种信道估计方法的流程图；
图4是本公开实施例的再一种信道估计方法的流程图；
图5是本公开实施例的一种IRS的反射单元分组示意图；
图6是本公开实施例的一种信道估计装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
可以理解的是，此处描述的具体实施例和附图仅仅用于解释本公开，而非对本公开的限定。
可以理解的是，在不冲突的情况下，本公开中的各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
可以理解的是，为便于描述，本公开的附图中仅示出了与本公开相关的部分，而与本公开无关的部分未在附图中示出。
可以理解的是，本公开的实施例中所涉及的每个单元、模块可仅对应一个实体结构，也可由多个实体结构组成，或者，多个单元、模块也可集成为一个实体结构。
可以理解的是，在不冲突的情况下，本公开的流程图和框图中所标注的功能、步骤可根据不同于附图中所标注的顺序发生。
可以理解的是，本公开的流程图和框图中，示出了根据本公开各实施例的系统、装置、设备、方法的可能实现的体系架构、功能和操作。其中，流程图或框图中的每个方框可代表一个单元、模块、程序段、代码，其包含用于实现规定的功能的可执行指令。而且，框图和流程图中的每个方框或方框的组合，可用实现规定的功能的基于硬件的系统实现，也可用硬件与计算机指令的组合来实现。
可以理解的是，本公开实施例中所涉及的单元、模块可通过软件的方式实现，也可通过硬件的方式来实现，例如单元、模块可位于处理器中。
为了便于理解本公开，首先介绍本公开的主要发明思路。
如图1所示，IRS无线通信系统包括基站(Base Station，BS)、IRS、用户设备(UserEquipments，UEs)，IRS包括多个反射单元和IRS控制器，IRS利用大量反射元件反射具有可调系数(幅度ω和相位θ)的信号，进而有效改善传播环境，IRS控制器可以控制每个反射单元的反射系数，IRS无线通信系统的信道包括BS-UE链路(也叫直连链路)和BS-IRS-UE链路(也叫级联链路)，链路也即信道。
在基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的IRS无线通信系统中，由于存在多路径延迟扩散，所以会增加信道系数的数量，这使信道估计问题变得更加具有挑战性。不同于传统OFDM通信系统，基于OFDM的IRS无线通信系统同时需要对IRS级联链路进行信道估计，其中IRS级联信道系数的数量随反射元件数量的增加呈线性增长，实际IRS会涉及上千个反射元件。
相干时间是无线通信系统信道保持恒定的最大时间差范围，发射端的同一信号在相干时间之内到达接收端，信号的衰落特性完全相似，接收端认为是一个信号，如图2所示，基于OFDM的IRS无线通信系统信道传输信号的过程，每个相干时间包括三个阶段，其中，相干时间是归一化为OFDM符号持续时间，第一阶段是导频传输和信道估计，第二阶段是反馈时延，第三阶段是数据传输，传统的信道估计方法将需要大量的导频信号传输和反馈时延，进而压缩了数据传输。
由于存在上述问题，一些针对窄带通信系统的信道估计方法，由于在宽带OFDM系统中的计算复杂度很大而难以应用。而另外一些针对宽带OFDM系统提出的方法，包括IRS半无源以协助信道估计，提出一种算法通过迭代来补偿较少的导频信号开销，以及采用深度学习算法等，或者需要在IRS上安装接收RF链或传感器，具有较高的实施成本和能耗，或者要求大量训练数据集和验证数据集，而IRS通信系统可灵活应用于多种场景，目前提供复合场景要求的数据集难度较高。
针对IRS为无源设备，不需要安装任何接收RF链或传感器，本公开以OFDM输入输出模型为依据，通过将估计对象由整个信道转换为BS-UE信道和BS-IRS-UE信道分量，通过最小二乘估计方法分别获得BS-UE信道和BS-IRS-UE信道系数的值，降低了导频传输数量和反馈时延，同时具有较低的实施成本和能耗，不需要大量训练数据集和验证数据集。
另外，对于一些对时延要求较高的场景，存在导频数目无法满足最小二乘估计获得唯一解的问题，本公开利用IRS级联信道系数矩阵列向量的分布特点，对于导频数目无法满足最小二乘估计获得唯一解的问题，提出降低信道系数矩阵的维度，进而估计信道的方法。
总体来说，本公开为基于OFDM的IRS通信系统提出了有效的信道估计方法，所述方法可以有效降低导频信号开销以及可以灵活应用于不同信号延迟要求的场景，更详细的实现方式见下面的实施例。
实施例1：
如图3所示，本公开提供一种信道估计方法，所述方法包括：
S11、获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数；
S12、根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量；
S13、求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
其中，IRS是智能反射面，BS是基站，UE是用户设备。
具体而言，在本实施例中，IRS用于增强BS和UEs之间的通信，信号(数据)会通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，信道估计通过建立导频信号关于BS-UE信道和BS-IRS-UE信道的输入输出模型，将估计对象转换为BS-UE信道和BS-IRS-UE信道两个分量，求解模型分别获得BS-UE信道和BS-IRS-UE信道的估计结果，降低了导频开销，为IRS无线通信系统提出了有效的信道估计方法，同时所述方法针对无源智能反射面系统提出，具有较低的实施成本和能耗，所提出的模型求解方法求解复杂度较低，且不需要大量训练数据集和验证数据集。
在一实施方式中，获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数，具体包括：
对C个导频信号在无线通信系统均通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，配置无线通信系统的N个IRS反射单元对C个导频信号的反射系数其中/>表示N个反射单元对一个信号的反射系数的集合，获取包括Ω的配置参数；
其中，表示N×C维复数集，/>表示N维复数集。
具体而言，在本实施例中，如图1所示，IRS有N个被动反射单元，这些单元以二维网格的形式排列，行数和列数分别对应Nrow和Ncolumn，N＝Nrow*Ncolumn，IRS和IRS控制器连接，IRS控制器可调整每个反射单元的反射系数，可以通过输入C控制导频信号长度(个数)，先执行如图4所示的步骤S101，根据C、N配置Ω，再执行步骤S102，建立导频信号的双信道输入输出模型，利用Ω将估计对象由整个信道转换为BS-UE信道和BS-IRS-UE信道分量，可以根据系统传输不同的导频信号数量对信道进行估计，从而降低导频开销和后续模型求解的复杂度。
在一实施方式中，根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量，具体包括：
对无线通信系统传输的每个信号，基于OFDM建立单信号系统输入输出模型，其中包括FIR相关项，FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成；
根据BS-IRS-UE信道响应与Ω相关，将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型；
其中，OFDM是正交频分复用，FIR是有限长单位冲激响应。
具体而言，在本实施例中，考虑基于正交频分复用的多用户天线系统，可以类似传统的OFDM系统建立单信号系统输入输出模型，再将其中的FIR相关项表示为BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量，从而建立双信道输入输出模型。
在一实施方式中，对无线通信系统传输的每个信号，基于OFDM建立单信号系统输入输出模型，其中包括FIR相关项，FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成，具体包括：
将无线通信系统为每个用户服务的带宽划分为K个正交子载波，将发射信号表示为离散时间信号{x[k],k＝1,...,K}，接收信号表示为：
其中，{hθ[k]:k＝0,…,M-1}表示时域中描述宽带信道的FIR系数，M为抽头个数，抽头索引l＝{0,1,…,M-1}，{w[k]}为接收器处的噪声，
其中，hd[l]表示时域中BS-UE信道响应，/>表示时域中BS-IRS-UE信道响应，/>表示时域中BS-IRS-UE信道分量；
通过增加长度为Ncp的循环前缀对式(1)进行DFT，将信道传输信号转换为K个并行子信道传输信号，以获得基于OFDM建立的单信号系统输入输出模型：
将式(2)简写为
其中，Ncp+1<K，DFT是离散傅里叶变换，表示由K个接收信号组成的列向量，/>表示由K个FIR系数组成的列向量，/>表示由K个发射信号组成的列向量，/>表示由K个噪声组成的列向量。
具体而言，在本实施例中，OFDM-IRS通信系统为每个用户服务的带宽为B，其被划分为K个正交的子载波，经过sinc(正弦波)滤波器传输，基站上传输的信号(连续时间信号)集合表示为离散时间信号{x[k],k＝1,...,K}，在大多数数字信号微处理器上，FIR计算可以通过循环单个指令来完成，将sinc滤波器作为FIR滤波器，滤波系数序列hθ[l]，输入样本x[k]，序列进行卷积，输出z[k]序列，UE接收器的信号为其中，{hθ[l]:l＝0,…,M-1}表示时域中描述宽带信道的FIR，抽头个数为M，一个抽头是一个系数/延迟对，实际应用中，抽头数量越多滤波器实现效果越好，接收器处的噪声用{w[k]}表示，为循环对称复高斯噪声，冲激响应hθ[l]由BS-UE信道和BS-IRS-UE信道响应组成，其表示为/>对应抽头索引l＝{0,1,…,M-1}，hd[l]是BS-UE信道系数，/>是通过N个反射单元的每个级联信道(包含IRS的BS-IRS-UE信道)系数，/>表示IRS表面每个反射单元的反射系数的集合，/>表示N维复数集，在时域信号(离散时间信号)前面增加长度为Ncp的循环前缀(Ncp+1<K)，通过离散傅里叶变换(DFT，Discrete Fourier Transform)将信道转换为K个并行子信道传输，获得基于OFDM建立的单信号系统输入输出模型。
在一实施方式中，根据FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成、且BS-IRS-UE信道响应与Ω相关，将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型，具体包括：
根据式(3)获得第c个导频信号对应的单信号系统输入输出模型：
根据FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成，令：
其中，F是一个DFT矩阵、大小为K×M、表示对BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应做K点DFT，BS-UE信道分量hd＝[hd[0],…,hd[Ncp]]T，BS-IRS-UE信道分量T表示矩阵的转置，/>表示N×M维复数集；
根据式(4)和(5)将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型：
其中，[1,…,1]表示C个导频信号的hd无IRS反射，
具体而言，在本实施例中，在导频信号传输过程中，如，发射功率P＝1W，带宽(符号速率)B＝10MHz，所提供的参数由通信系统决定，仅供参考，当传输第c个导频信号时，IRS配置为一个正交子载波传输信号的功率为/>得到式(4)；为了估计信道分量BS-UE信道(hd＝[hd[0],…,hd[Ncp]]T)和BS-IRS-UE信道，/>得到式(5)；当导频信号的长度为C，系统传输C个导频信号时，IRS配置为 接收到的导频传输信号用信道分量BS-UE信道hd和BS-IRS-UE信道V表示为式(6)，从而完成将整个信道转换为两个分量。
在一实施方式中，求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，具体包括：
响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
或者，响应于C<N+1，对N降维至将双信道输入输出模型中的BS-IRS-UE信道分量和Ω项降维至/>采用最小二乘估计方法求解降维后的双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果。
具体而言，在本实施例中，IRS单元在入射信号上引入相移，单元之间的相位差为180°。由于每个IRS元件都有“ON”和“OFF”两种状态，我们分别用“+1”和“-1”表示这两种状态，所以导频矩阵可以用列向量正交的Hadamard矩阵(哈达玛矩阵，是由+1和-1元素构成的且满足Hn*Hn’＝nI)n阶方阵，Hn’为Hn的转置，I为单位方阵)HN表示，满足 与HN转置共轭，IN表示N阶单位方阵，即所有导频信号可以表示为：
系统预设反射系数为Ω，根据式(6)导频传输矩阵为：
当Ωpilot满秩时，即利用最小二乘估计方法，得到系统的唯一信道估计值的解，即如图4所示，执行步骤S103，判断是否C≥N+1，如果是，Ωpilot满秩，否则需要对N执行步骤S104，降维至/>使降维后导频传输矩阵满秩，再执行步骤S105计算降维后的Ωde，在公式(6)中执行步骤S106，N＝Nde、Ω＝Ωde，然后执行步骤S107，最小二乘法求解双信道输入输出模型，最后执行步骤S108，输出双信道估计结果。
在一实施方式中，响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，具体包括：
响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法处理式(6)得到：
根据W忽略不计，得到：
其中，为BS-UE信道分量估计结果，/>为BS-IRS-UE信道分量估计结果。
具体而言，在本实施例中，一般情况下，最小二乘估计过程中，W不包含忽略不计；/>表示[hd,VT]的估计结果；/>即计算结果，计算过程包括滤波器信号处理和DFT计算，实际数字是仿真后的结果；反射系数是IRS的重要参数，发射信号经IRS的N个元件的反射，相位和幅度产生变化。
在一实施方式中，响应于C<N+1，对N降维至将双信道输入输出模型中的BS-IRS-UE信道分量和Ω项降维至/>采用最小二乘估计方法求解降维后的双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果，具体包括：
响应于C<N+1，对N降维：
其中i∈{1,2,…,N}，对i从1开始取值，直到满足条件以相邻的(i+1)个反射单元组成反射组，获得/>个反射组；
对每个反射组随机选取其中一个反射单元的反射系数作为组中每个反射单元的反射系数，获得个反射组的反射系数/> 其中表示/>个反射组对一个信号的反射系数的集合；
将Ωde代入式(6)得到：
对式(9)进行最小二乘估计得到：
其中，Vde为降维后的BS-IRS-UE信道分量，为BS-UE信道分量估计结果，/>为降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果。
具体而言，在本实施例中，当导频长度C<N+1时，Ωpilot不能满足满秩的条件，我们无法通过最小二乘估计获得信道分量的解，导频信号的长度是指发射C个导频信号，IRS需要配置C次： 考虑通过降维的方法进行信道估计，由于IRS表面每个IRS元件的体积很小，所以考虑忽略IRS相邻元件间的多径衰落差异，将其视为相同的信道增益，提出一种降低信道矩阵大小的方法，如图5所示(以i＝1为例)，将多个反射单元视为一个反射组，每组包含的元件数量为(i+1)，/>表示对IRS的元件降维后的个数，原来视为IRS的元件个数为N，现在视为IRS的元件个数为/>C<N+1，而/>随机取反射组中一个元件的反射系数作为该组所有元件的反射系数，使每个反射组中的元件具有相同的反射系数，降维后的IRS配置表示为Ωde，代入式(6)得到式(9)，利用最小二乘估计方法求解式(9)得到式(10)。
实施例2：
如图2所示，本公开实施例2提供一种数据传输方法，所述方法通过数据传输协议传输数据，所述数据传输协议用于：
将无线通信系统的相干时间划分为三个阶段；
在第一阶段，使导频信号在无线通信系统中通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，并采用如实施例1所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
在第二阶段，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数；
在第三阶段，基于优化的反射系数、BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果传输数据。
在一实施方式中，相干时间是归一化为OFDM符号持续时间，导频信号是UE发送的C个导频信号，由BS根据接收到的C个导频信号执行所述信道估计方法，由BS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数并将优化的反射系数发送给IRS控制器，由IRS控制器基于优化的反射系数控制调整IRS每个反射单元的反射系数，BS与IRS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果和优化的反射系数通过BS-IRS-UE信道传输数据，BS基于BS-UE信道分量估计结果通过BS-UE信道传输数据。
具体而言，在本实施例中，在相干时间的第一阶段进行导频传输和信道估计，具体可以是，从用户发送C个导频信号到BS并由IRS反射，发射导频信号是为了信道估计，经过此导频信号传输过程，BS基于接收到的信号估计BS-UE信道和BS-IRS-UE信道，实施例1主要是执行该阶段的信道估计；第二阶段反馈时延，BS基于估计的信道，优化反射系数并反馈给IRS控制器，反馈时延为τ；第三阶段进行数据传输，系统基于优化的反射系数和估计的信道传输数据，导频信号和发射数据经过同样的信道。理论上也可以基站发射导频信号。
实施例1和2提出的信道估计方法可应用于基于OFDM的IRS无线通信系统，可以根据系统传输不同的导频信号数量对信道进行估计，通过重复传输导频信号，在接收端通过最小二乘方法，对BS-UE信道和BS-IRS-UE信道分别估计，同时提出了一种数据传输协议支持信道估计方法。
实施例3：
如图6所示，本公开实施例3提供一种信道估计装置，包括：
获取配置模块11，用于获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数；
建立模型模块12，与获取配置模块11连接，用于根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量；
求解结果模块13，与建立模型模块12连接，用于求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
其中，IRS是智能反射面，BS是基站，UE是用户设备。
在一实施方式中，获取配置模块11，具体用于：
对C个导频信号在无线通信系统均通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，配置无线通信系统的N个IRS反射单元对C个导频信号的反射系数其中/>表示N个反射单元对一个信号的反射系数的集合，获取包括Ω的配置参数；
其中，表示N×C维复数集，/>表示N维复数集。
在一实施方式中，建立模型模块12，具体包括：
第一模型单元，用于对无线通信系统传输的每个信号，基于OFDM建立单信号系统输入输出模型，其中包括FIR相关项，FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成；
第二模型单元，用于根据BS-IRS-UE信道响应与Ω相关，将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型；
其中，OFDM是正交频分复用，FIR是有限长单位冲激响应。
在一实施方式中，求解结果模块13，具体包括：
直接求解单元，用于响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
降维求解单元，用于响应于C<N+1，对N降维至将双信道输入输出模型中的BS-IRS-UE信道分量和Ω项降维至/>采用最小二乘估计方法求解降维后的双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果。/>
实施例4：
如图2所示，本公开实施例4提供一种数据传输装置，所述装置设置数据传输协议，所述数据传输协议用于：
将无线通信系统的相干时间划分为三个阶段；
在第一阶段，使导频信号在无线通信系统中通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，并采用如实施例1所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
在第二阶段，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数；
在第三阶段，基于优化的反射系数、BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果传输数据。
实施例5：
如图1所示，本公开实施例5提供一种无线通信系统，包括：
BS，用于接收UE发送的导频信号，根据导频信号执行如实施例1所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数，以及将优化的反射系数发送给IRS控制器；
IRS控制器，与BS连接，用于接收BS发送的优化的反射系数，并根据优化的反射系数控制IRS；
IRS，与IRS控制器连接，用于根据IRS控制器的控制调整IRS每个反射单元的反射系数；
BS与IRS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果和优化的反射系数通过BS-IRS-UE信道传输数据，BS基于BS-UE信道分量估计结果通过BS-UE信道传输数据。
实施例6：
本公开实施例6提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器运行时，实现如实施例1所述的信道估计方法、或如实施例2所述的数据传输方法。
所述计算机可读存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性或非易失性、可移除或不可移除的介质。计算机可读存储介质包括但不限于RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)，ROM(Read-Only Memory，只读存储器)，EEPROM(Electrically ErasableProgrammable read only memory，带电可擦可编程只读存储器)、闪存或其他存储器技术、CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory，光盘只读存储器)，数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。
另外，本公开还可以提供一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行如实施例1所述的信道估计方法、或如实施例2所述的数据传输方法。
其中，存储器与处理器连接，存储器可采用闪存或只读存储器或其他存储器，处理器可采用中央处理器或单片机。
本公开实施例1-6提供一种信道估计方法、数据传输方法、信道估计装置、数据传输装置、无线通信系统及计算机可读存储介质，通过建立导频信号关于BS-UE信道和BS-IRS-UE信道的输入输出模型，将估计对象转换为BS-UE信道和BS-IRS-UE信道两个分量，求解模型分别获得BS-UE信道和BS-IRS-UE信道的估计结果，降低了导频开销，为IRS无线通信系统提出了有效的信道估计方法。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (14)
1.一种信道估计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数；
根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量；
求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
其中，IRS是智能反射面，BS是基站，UE是用户设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数，具体包括：
对C个导频信号在无线通信系统均通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，配置无线通信系统的N个IRS反射单元对C个导频信号的反射系数其中表示N个反射单元对一个信号的反射系数的集合，获取包括Ω的配置参数；
其中，表示N×C维复数集，/>表示N维复数集。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量，具体包括：
对无线通信系统传输的每个信号，基于OFDM建立单信号系统输入输出模型，其中包括FIR相关项，FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成；
根据BS-IRS-UE信道响应与Ω相关，将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型；
其中，OFDM是正交频分复用，FIR是有限长单位冲激响应。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对无线通信系统传输的每个信号，基于OFDM建立单信号系统输入输出模型，其中包括FIR相关项，FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成，具体包括：
将无线通信系统为每个用户服务的带宽划分为K个正交子载波，将发射信号表示为离散时间信号{x[k],k＝1,...,K}，接收信号表示为：
其中，{hθ[l]:l＝0,…,M-1}表示时域中描述宽带信道的FIR系数，M为抽头个数，抽头索引l＝{0,1,…,M-1}，{w[k]}为接收器处的噪声，
其中，hd[l]表示时域中BS-UE信道响应，/>表示时域中BS-IRS-UE信道响应，/>表示时域中BS-IRS-UE信道分量；
通过增加长度为Ncp的循环前缀对式(1)进行DFT，将信道传输信号转换为K个并行子信道传输信号，以获得基于OFDM建立的单信号系统输入输出模型：
将式(2)简写为
其中，Ncp+1<K，DFT是离散傅里叶变换，表示由K个接收信号组成的列向量，/>表示由K个FIR系数组成的列向量，/>表示由K个发射信号组成的列向量，/>表示由K个噪声组成的列向量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成、且BS-IRS-UE信道响应与Ω相关，将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型，具体包括：
根据式(3)获得第c个导频信号对应的单信号系统输入输出模型：
其中，c＝1,...,C，P为发射功率，B为带宽，为一个正交子载波传输信号的功率；
根据FIR由BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应组成，令：
其中，F是一个DFT矩阵、大小为K×M、表示对BS-UE信道响应和BS-IRS-UE信道响应做K点DFT，BS-UE信道分量 BS-IRS-UE信道分量T表示矩阵的转置，/>表示N×M维复数集；
根据式(4)和(5)将C个导频信号对应的单信号系统输入输出模型组合并提取BS-UE信道分量、BS-IRS-UE信道分量和Ω项，以获得双信道输入输出模型：
其中，[1,…,1]表示C个导频信号的hd无IRS反射，
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，具体包括：
响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
或者，响应于C<N+1，对N降维至将双信道输入输出模型中的BS-IRS-UE信道分量和Ω项降维至/>采用最小二乘估计方法求解降维后的双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，具体包括：
响应于C≥N+1，采用最小二乘估计方法处理式(6)得到：
根据W忽略不计，得到：
其中，为BS-UE信道分量估计结果，/>为BS-IRS-UE信道分量估计结果。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，响应于C<N+1，对N降维至将双信道输入输出模型中的BS-IRS-UE信道分量和Ω项降维至/>采用最小二乘估计方法求解降维后的双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果，具体包括：
响应于C<N+1，对N降维：
其中i∈{1,2,…,N}，对i从1开始取值，直到满足条件以相邻的(i+1)个反射单元组成反射组，获得/>个反射组；
对每个反射组随机选取其中一个反射单元的反射系数作为组中每个反射单元的反射系数，获得个反射组的反射系数/> 其中/>表示/>个反射组对一个信号的反射系数的集合；
将Ωde代入式(6)得到：
对式(9)进行最小二乘估计得到：
其中，Vde为降维后的BS-IRS-UE信道分量，为BS-UE信道分量估计结果，/>为降维后的BS-IRS-UE信道分量估计结果。
9.一种数据传输方法，其特征在于，所述方法通过数据传输协议传输数据，所述数据传输协议用于：
将无线通信系统的相干时间划分为三个阶段；
在第一阶段，使导频信号在无线通信系统中通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，并采用如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
在第二阶段，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数；
在第三阶段，基于优化的反射系数、BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果传输数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，相干时间是归一化为OFDM符号持续时间，导频信号是UE发送的C个导频信号，由BS根据接收到的C个导频信号执行所述信道估计方法，由BS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数并将优化的反射系数发送给IRS控制器，由IRS控制器基于优化的反射系数控制调整IRS每个反射单元的反射系数，BS与IRS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果和优化的反射系数通过BS-IRS-UE信道传输数据，BS基于BS-UE信道分量估计结果通过BS-UE信道传输数据。
11.一种信道估计装置，其特征在于，包括：
获取配置模块，用于获取导频信号在无线通信系统通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输的配置参数；
建立模型模块，与获取配置模块连接，用于根据配置参数建立导频信号在无线通信系统传输的双信道输入输出模型，其中包括BS-UE信道分量和BS-IRS-UE信道分量；
求解结果模块，与建立模型模块连接，用于求解双信道输入输出模型，以获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
其中，IRS是智能反射面，BS是基站，UE是用户设备。
12.一种数据传输装置，其特征在于，所述装置设置数据传输协议，所述数据传输协议用于：
将无线通信系统的相干时间划分为三个阶段；
在第一阶段，使导频信号在无线通信系统中通过BS-UE信道和BS-IRS-UE信道传输，并采用如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果；
在第二阶段，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数；
在第三阶段，基于优化的反射系数、BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果传输数据。
13.一种无线通信系统，其特征在于，包括：
BS，用于接收UE发送的导频信号，根据导频信号执行如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法获得BS-UE信道分量估计结果和BS-IRS-UE信道分量估计结果，基于BS-IRS-UE信道分量估计结果优化反射系数，以及将优化的反射系数发送给IRS控制器；
IRS控制器，与BS连接，用于接收BS发送的优化的反射系数，并根据优化的反射系数控制IRS；
IRS，与IRS控制器连接，用于根据IRS控制器的控制调整IRS每个反射单元的反射系数；
BS与IRS基于BS-IRS-UE信道分量估计结果和优化的反射系数通过BS-IRS-UE信道传输数据，BS基于BS-UE信道分量估计结果通过BS-UE信道传输数据。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器运行时，实现如权利要求1-8任一项所述的信道估计方法、或9-10任一项所述的数据传输方法。
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