[发明专利]一种基于空间随机采样的智能超表面信道估计方法及系统

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于空间随机采样的智能超表面信道估计方法及系统，基于空间随机采样的智能超表面信道估计方法包括：空间随机采样；通过电子开关控制少量单元连接到射频链路及基带信号处理模块；通过矩阵补全算法恢复出反射面板上所接收到的所有导频信号；通过压缩感知类算法估计信道状态信息，智能超表面以所述信道状态信息为依据合理调整反射单元的反射系数，实现波束赋形。本发明通过对宽带电磁波信号相关性质的充分发掘，以较低的RIS硬件成本极大减轻系统用于信道估计阶段的计算开销，使得信道估计更加高效、精确。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于空间随机采样的智能超表面信道估计方法及系统，智能超表面也被称作Large Intelligent Surface、ReconfigurableIntelligent Surface、Software Defined Surface、Meta-surface、IRS、IntelligentReflecting Surface、Reconfigurable Meta-Surfaces、Holographic MIMO等，均用RIS表述。

背景技术

目前，毫米波通信是未来的5G/B5G乃至6G无线通信网络中的关键赋能技术之一。理论上通过开发利用毫米波频段上存在的超大带宽，本发明精心设计的无线通信系统是很有可能达到更高的系统吞吐率的。但是在目前的实际部署中，这个优势还没有被完全发挥出来，主要是由于以下二者的限制：信号覆盖范围和能量消耗问题。具体来说，高穿透损耗和高指向性的波束(缺乏散射路径)会使得毫米波信号容易受到阻塞。而且，目前毫米波基站的大规模部署也会导致无线通信系统的能量消耗过高。针对以上问题的一个可能的解决方案是，利用RIS构建出一个智能无线电环境(Smart Radio Environments,SRE)。部署在无线通信系统中的合适位置之后，RIS可以1)通过灵活地反射无线电磁信号来避免通信链路中阻塞事件的出现；2)回收无线通信环境中已有的电磁波而不会产生新的电磁信号。即RIS能用于解决毫米波通信系统中频繁发生的阻塞/遮挡问题的一项关键技术，并能够在视距路径(Line of Sight,LOS)不可用的情况下确保通信质量。因此最近出现的带有低成本无源器件的RIS这一概念被认为是B5G/6G无线通信系统中一个很有潜力的范例，因为它具有动态调整电磁波在环境中的传播方式的能力，而几乎不带来额外的能量消耗。

尽管具有以上这些在实际应用中的潜力，但RIS辅助的无线通信系统从根本上来说还存在着两个基本问题亟待解决，它们都是围绕如何合理地设计RIS上各单元的反射系数使其有利于系统性能的提升而展开的。第一个问题在于准确获取系统全局的信道状态信息(Channel State Information,CSI)，这是智能反射的基础。第二是采用何种多变量优化的策略来调整每个元素的反射系数，从而使智能超表面完成辅助波束赋形的特定功能。由于在未来基于大规模MIMO系统的B5G/6G无线通信系统中，收发机两端的天线数量急剧增加，因此高维信道的准确的CSI是比较难获取的。尤其当RIS参与到通信过程中时，其表面上大规模布设的反射单元所额外引入的高维级联通道将使得准确估计出全局的CSI并将其反馈到另一侧的收发机变得更加困难(当信道互易性存在时)。因此，通过传统的信道估计算法直接估计出全局的高维级联信道可能是不现实的。目前有些研究者尝试用矩阵分解的办法来将基站(Base Station,BS)与RIS、RIS与用户设备(User Equipment,UE)之间的级联信道解耦合，但此时信道系数的先验分布需要预先获取；还有研究者假设BS和RIS之间的信道是已知的，然后在此基础上估计RIS-UE的部分信道。然而，由于RIS无源特性的影响，上述这些方法不能将级联信道的两个子部分很好地解耦合。一个明显的表现是，估计RIS-UE信道时，显式的高维BS-RIS信道矩阵仍将以较高的计算复杂性参与运算，例如矩阵分解和求逆等。本发明注意到尽管以上方法不会显着增加RIS的能耗，但由于高维的BS-RIS信道矩阵始终参与运算，因此它将仍然给收发机带来巨大的计算负担。特别是当收发机上都配备有多天线时，这个计算负担将变得尤为沉重。