一种基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法

本发明属于无线通信，尤其涉及一种基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法。

背景技术：

1、为了实现全覆盖、全频谱、全应用、全数字、全感官、强安全的愿景，第六代(6th-generation,6g)移动通信系统有望引进可重构智能表面(reconfigurable intelligentsurface，ris)这一潜在关键技术。在ris辅助通信环境中，为了实现更精确的方向调控以及更强的反射波束增益，所应用的ris常常会被设计成承载更多的电磁反射单元。此时，ris的尺寸将进一步增大，这意味着它具有更大的瑞利距离，发射端、接收端以及环境中的散射体更可能位于ris的近场区域，此时到达ris不同电磁反射单元的信号波的球面传播特性将无法再近似为平面波。

2、现有技术中已经提出了不同算法用于信道参数估计。已有研究中提出了一种基于空间迭代广义期望最大化的参数估计算法对信道中多径分量的时延、到达角、离开角、多普勒频偏、复振幅以及ris端的入射角和反射角进行估计，但缺点是估计过程中假设信号以平面波的形式在ris和收发端之间传播，忽略了ris近场信道下距离参数和耦合极化矩阵参数的估计，难以准确地反映ris近场信道的信道特性。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于近场球面波假设的ris信道参数估计方法,以解决现有技术存在的无法全面估计ris近场信道下所有信道参数的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、s1、基于球面波假设构造可重构智能表面辅助近场通信信号传输模型；

4、s2、获取不同可重构智能表面传输模式下的信道测量数据；

5、s3、基于空间迭代期望最大化算法对信道中多径的时延、到达角、离开角、多普勒频偏、极化矩阵进行估计；基于极大似然原理对多径在可重构智能表面端的角度参数、距离参数和耦合极化矩阵进行估计；

6、s4、估计参数的分布式更新迭代。所述步骤s1具体包括：

7、步骤s101、考虑现有的ris辅助mimo无线通信环境，其中发射端(transmitter，tx)和接收端(receiver，rx)分别配备规模为mt,mr的多天线阵列；将ris设置为平面阵列，由mris＝mx×my个具有不规则反射功能的无源电磁反射单元组成；设置该信道环境中共有l条多径与ris作用，其传播特性将受到ris的影响并且整个发射端-ris-接收端的播链路划分为发射端-ris和ris-接收端子链路；这里，将每条子链路的极化矩阵表示为和在以上无线通信环境中，信号矢量sris(t；θl)表示如下：

8、

9、其中，代表发射信号，θl代表第l条径的参数集合，由时延τl、离开角到达角多普勒频偏νl和极化矩阵al组成，极化矩阵al包含了水平和垂直极化方向的复幅度信息，代表收端的天线响应，代表发端的天线响应，在微波暗室测量得到，g1,g2分别代表ris对于水平、垂直极化方向来波的响应。

10、步骤s102、在ris近场球面波假设下，对于发射端-ris链路，来自发射端(或环境中其他散射体)的电磁波将以不同的角度到达ris不同的电磁反射单元，角度的取值将和电磁反射单元在ris上的位置有关。将中心处的电磁反射单元设为参考单元，其位置向量表示为对于ris上的第m反射单元，其位置向量表示为rris,m。对于经过散射体(或从发射端射出)并入射到ris的多径l，记散射体在ris坐标系下的位置向量为sin,l，和ris中心的距离为din,l，且满足din,l小于ris的瑞利距离，多径l到ris上参考单元的参考入射角为则散射体的位置sin,l可以表示为：

11、

12、进一步地，多径l到ris上第m个电磁反射单元的入射角可以根据电磁反射单元的位置rris,m、和din,l求出：

13、

14、其中，||·||代表取模运算。类似地，对于ris-接收端链路中由ris反射到其他散射体(或接收端)的多经l的反射角将与ris电磁反射单元的位置有关，其经过第m个电磁反射单元的反射角为：

15、

16、其中，sre,l,dre,l,分别表示散射体的位置向量、散射体到ris中心的距离、多径l从ris上参考单元反射到散射体的参考反射角。进一步地可以得到基于球面波假设的ris导向矢量cris,1，cris,2：

17、

18、

19、进一步的，所述步骤s2指通过多次测量并每次手动调整ris传输模式获取所需要的信道测量数据。所述ris的传播模式是指ris单元阵列可调相位的一组调控配置。

20、进一步的，所述步骤s3具体包括：

21、s301、利用接收数据，基于空间迭代广义期望最大化算法得到不同传输模式下的信道时延、到达角、离开角、多普勒频偏、复振幅等参数；

22、s302、基于在不同传输模式下估计得到的复振幅计算ris相关参数的对数似然函数：

23、

24、其中代表ris响应，它与ris端的入射角与反射角有关，代表gl的矩阵变换，代表多次测量引入的初始相位的估计值，代表s301所述极化矩阵参数的矩阵变换；

25、s303、对所述对数似然函数求偏导并令得到用于对ris角度参数、距离参数进行似然估计的目标函数；

26、s304、将目标函数最大化得到额外参数的估计值；

27、s305、参数耦合极化矩阵的估计结果在得到ris角度参数、距离参数的估计值的基础上获得：

28、

29、其中，和分别代表s302所述和s301所述极化矩阵的估计值。

30、进一步的，所述步骤s4具体做法是将参数集划分为相对应的参数子集，依次进行空间迭代期望最大化算法中的e步骤和m步骤连续更新迭代过程，直到信道参数迭代收敛。最后一次的迭代结果即为该信道参数估计方法输出的估计值，其中，e步骤即是获得第k个传输模式下的观察数据xl,k(t)的过程，方法如下：

31、

32、其中，代表上一次迭代中所估计的第k个传输模式下第l条径的参数集，yk(t)代表第k个传输模式下得到的接收信号，代表除第l条径外，环境中其他l-1条径信号的和。m步骤是搜索参数值，求解使得步骤s302中的目标函数最大化的参数值的过程。

33、本发明的基于近场球面波假设的ris近场信道参数估计方法，具有以下优点：本发明针对ris近场无线通信场景，推导了基于球面波假设的时域信号传播模型，利用ris端角度参数、ris到散射体的距离参数和耦合极化矩阵参数来刻画ris近场球面波传播特性，并基于极大似然估计理论和空间迭代广义期望最大化原理提出了相应的估计算法，实现了对该场景所有信道参数的全面、准确估计，这对于ris辅助无线近场信道特性的研究以及提高ris辅助无线信道建模的准确性具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，其特征在于，多径l到ris上第m个电磁反射单元的入射角根据电磁反射单元的位置rris,m、和din,l求出：

4.根据权利要求3所述的基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，其特征在于，所述步骤s2指通过多次测量并每次手动调整ris传输模式获取所需要的信道测量数据；所述ris的传播模式是指ris单元阵列可调相位的一组调控配置。

5.根据权利要求4所述的基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，其特征在于，所述步骤s4具体做法是将参数集划分为相对应的参数子集，依次进行空间迭代期望最大化算法中的e步骤和m步骤连续更新迭代过程，直到信道参数迭代收敛；最后一次的迭代结果即为该信道参数估计方法输出的估计值，其中，e步骤即是获得第k个传输模式下的观察数据xl,k(t)的过程，方法如下：

技术总结
本发明公开了一种基于球面波假设的可重构智能表面信道参数估计方法，具体包括以下步骤：S1、基于球面波假设构造可重构智能表面辅助近场通信信号传输模型；S2、获取不同可重构智能表面传输模式下的信道测量数据；S3、基于空间迭代期望最大化算法对信道中多径的时延、到达角、离开角、多普勒频偏、极化矩阵进行估计；基于极大似然原理对多径在可重构智能表面端的角度参数、距离参数和耦合极化矩阵进行估计；S4、估计参数的分布式更新迭代。与现有技术相比，本发明提供的信道参数估计方法可更准确地估计出可重构智能表面辅助近场通信场景中的所有重要信道参数。

技术研发人员：王承祥,续英杰,孙颖卓,黄佳玲,辛立建,黄杰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16