[发明专利]双时间尺度协同感知的毫米波智能超表面信道估计方法

说明书

本发明公开了一种双时间尺度协同感知的毫米波智能超表面信道估计方法。首先基于基站端与智能超表面的最大距离设计相应的感知信号，并确定最大盲区距离；再设计基站端的相应感知波束赋形矢量。其次，通过设计智能超表面的移相器相位，在基站端与智能超表面间进行大时间尺度协同感知，以获取两者之间的等效信道。最后，通过依次开启智能超表面单元，并在基站端接收用户发出的训练序列，获得小时间尺度下的用户与智能超表面间的信道状态信息。本发明通过协同感知获取的真实等效准静态信道，能够以比较低的导频开销准确估计出用户端与智能超表面的信道，以提升通信系统的性能。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于协同感知的双时间尺度智能超表面辅助混合构型毫米波通信系统的多用户信道估计方法。

背景技术

毫米波大规模多输入多输出（massive MIMO）是实现5G及6G网络容量要求的关键技术之一。然而，传统的全数字MIMO系统（即每个天线由独立的射频链驱动）面临着一些实际问题，例如，功耗、硬件复杂和系统成本。为了解决上述问题，混合架构（即大量的天线连接到少量的射频链）提出，以在系统性能和能源消耗之间取得平衡。然而，混合毫米波系统的能耗不能满足实际应用的要求，同时还要面对毫米波信道的固有特性，如高传播损耗和高阻塞概率。

为了提高毫米波系统的能效性和可靠性，研究人员提出了智能超表面（RIS）的相关概念，以低能耗和低硬件复杂度的全被动智能反射元件以增大覆盖区域，成为未来通信具有研究潜力的技术之一。具体来说，智能超表面是一个由大量无源反射元件组成的可编程元表面。通过调整设计超表面上的反射元件，可以动态地调制入射信号的相位和振幅，从而实现空间电磁波的智能调制，并通过无源波束形成智能地改变无线通信通道。一方面，超表面通过提供额外的无源波束成形增益，能够将能量集中在所需的位置，以提高小区边缘的覆盖率，对抗毫米波通道固有的衰减和穿透损耗特性。另一方面，通过耦合的级联信道（基站端-智能超表面-用户端），超表面可以为解决干扰提供额外的自由度，也是对抗阻塞的途径之一。

大规模MIMO混合模数架构与新兴的智能超表面技术相结合，可以建立成本更低，能效比更高，更加灵活的通信系统。相应的，智能超表面的相位设计及部署依赖于智能超表面两侧的信道信息。然而，由于智能超表面没有配置处理复杂信号能力的射频链路，智能超表面辅助下的模数混合架构的信道估计较传统信道估计面临更加严峻的挑战。

发明内容

本发明针对智能超表面辅助下的混合模数架构毫米波通信系统，提出了一种基于双时间尺度协同感知的毫米波智能超表面信道估计方法。所述方法将信道估计时间划分为大时间尺度和小时间尺度，分别估计基站端和智能超表面高维度等效准静态信道和用户端与智能超表面时变低维信道。本方法首先基于基站端与智能超表面的距离设计相应的感知信号，并确定最大盲区距离。基站端通过发射接收感知信号，获取基站端与智能超表面之间的最强传播路径，并据此设计基站端的相应感知波束赋形矢量。其次，通过设计智能超表面的移相器相位，在基站端与智能超表面间进行大时间尺度协同感知，以获取两者之间的等效信道。并通过利用基站端与智能超表面之间的视距角度，来克服其等效信道感知过程中的相位模糊问题。最后，通过依次开启智能超表面单元，并在基站端接收用户发出的训练序列，可获得小时间尺度下的用户与智能超表面间的信道状态信息。本实施例基于所述的双时间尺度信道估计方法，通过协同感知获取的真实等效准静态信道进而能够以比较低的导频开销准确估计出用户端与智能超表面的信道，以提升通信系统的性能。此外，本发明考虑了智能超表面离散相位控制方案与连续相位控制方案对信道估计性能的影响，仿真证明，本发明提出的方法在低比特量化离散相位控制方案下亦能获得较好的估计结果。

双时间尺度协同感知的毫米波智能超表面信道估计方法，包括以下步骤。

步骤1、场景假设和信道模型。

步骤2、根据基站端与感知智能超表面之间的距离，设计感知信号长度，并确定最大盲区距离，以在基站端获取与智能超表面间的最强视距达到角。