一种智能空间电磁单元损伤诊断方法及系统

本发明属于无线通信及信号处理，尤其涉及一种智能空间电磁单元损伤诊断方法及系统。

背景技术：

1、无线通信和信号处理一直是最近十几年热门的研究领域。随着无线通信领域的进步，可重构智能超表面可以智能地重塑无线信道，为信号的传输创造智能空间，且毫米波技术的出现使得多输入多输出天线阵列和可重构智能超表面阵列在单位面积内可以集成更多电磁单元。毫米波的短波长、高损耗使得在智能空间下的毫米波通信系统中，电磁单元更容易受到覆盖物(水渍、雪、灰尘等)的堵塞，从而对信号的传播产生强烈影响。为了控制可重构智能超表面大量的无源反射单元，需要极为密集的控制电路和调整单元，这也导致可重构智能超表面更容易受到制造和部署环境的影响。因此可重构智能超表面辅助毫米波通信系统中的硬件损伤诊断也成为一个不可忽视的重要问题，主要目标是在信道状态信息已知的情况下完成对电磁单元损伤向量的估计，起到对智能空间电磁单元损伤的诊断作用。

2、目前的技术是基于单输入单输出系统的方法。这些模型都会有所缺陷，比如不能考虑多输入多输出系统，不允许多个天线的信号同时经过智能空间电磁单元，这在现实生活中并不实际。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种智能空间电磁单元损伤诊断方法及系统，以达到更高的诊断精度，更广的应用范围。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种智能空间电磁单元损伤诊断方法及系统。其中，一种智能空间电磁单元损伤诊断方法，包括：

3、基于智能空间电磁单元损伤环境构建任意输入任意输出信道模型；

4、通过接收信号和传输信号的差值构建代价函数，将阵列问题转化为最小化问题；

5、通过损伤电磁单元的稀疏特性，进一步重构最小化问题；

6、使用共轭梯度法优化电磁单元损伤向量，并使用复数软阈值对所述电磁单元损伤向量进行迭代更新；

7、当目标函数触发预设停止准则时，完成诊断并获得阵列诊断结果；否则，继续优化，更新共轭梯度法优化和复数软阈值迭代循环直至目标函数触发预设停止准则。

8、优选地，所述基于智能空间电磁单元损伤环境构建任意输入任意输出信道模型的过程包括，

9、基于智能空间电磁单元损伤环境，利用智能空间电磁单元对导频信号进行反射，并考虑智能空间电磁单元损伤影响，调整幅度相位后构建获得所述任意输入任意输出信道模型。

10、优选地，所述任意输入任意输出信道模型的表达式为：

11、rt＝gφtdiag(b)hst+wt

12、其中，g是用户-智能空间电磁单元信道矩阵，φt是t时隙时智能空间电磁单元的相移矩阵，b是智能空间电磁单元的损伤向量，h是智能空间电磁单元-基站信道矩阵，st是t时隙时传输的随机导频信号，wt是t时隙时的复高斯噪声，rt是t时隙时的接收信号。

13、优选地，所述代价函数的公式表达式为：

14、

15、其中，为对应b的估计值，t为总时隙数。

16、优选地，通过损伤电磁单元的稀疏特性，进一步重构最小化问题的过程包括，

17、由于损伤电磁单元通常只是少数，故具有稀疏性，则进一步重构最小化问题为：

18、

19、subject to|bm|≤1

20、其中，e是元素全为1的向量，bm为电磁单元损伤向量b的第m个元素，代表智能空间的第m个电磁单元。

21、优选地，所述bm为：

22、

23、其中，0≤ηm≤1,0≤βm≤2π，代表复数虚部单位。

24、优选地，所述使用共轭梯度法优化电磁单元损伤向量，并使用复数软阈值对所述电磁单元损伤向量进行迭代更新的过程包括，

25、使用共轭梯度法优化电磁单元损伤向量，获得欧几里得梯度函数，对所述欧几里得梯度函数进行迭代更新，并使用线搜索法选择步长。

26、优选地，所述欧几里得梯度函数的表达式为：

27、

28、其中，代表哈达玛积，λ为正则化参数，u为l1范数共轭求导后经过复数软阈值判决的结果。

29、优选地，对所述梯度函数进行迭代更新的过程包括，

30、使用复数软阈值对电磁单元损伤向量进行迭代更新，同时更新电磁单元损伤向量，当目标函数基本不下降时，触发停止准则，完成阵列诊断；

31、所述复数软阈值的表达式为：

32、ui＝sign(xi)max(|xi|-ω,0)

33、其中，符号函数sign在复数域中表示为

34、

35、所述更新电磁单元损伤向量：

36、

37、本发明还提供一种智能空间电磁单元损伤的诊断方法及系统，包括：

38、接收信号模型构建模块、阵列诊断模型构建模块、共轭梯度优化模块和复数软阈值迭代更新模块；

39、其中，接收信号模型构建模块用于通过考虑智能空间电磁单元损伤造成的影响，构建任意输入任意输出信道模型；

40、所述阵列诊断模型构建模块用于利用接收信号和导频信号的差值构建代价函数，将阵列诊断问题转化为最小化问题；

41、所述共轭梯度优化模块用于使用共轭梯度法优化电磁单元损伤向量；

42、所述复数软阈值迭代更新模块用于确保正常工作单元不受优化过程影响，通过不断迭代更新，完成诊断。

43、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

44、本发明根据任意输入任意输出系统构建信道模型，更符合毫米波通信的实际应用情况，具有更广的应用范围；以接收天线获取的接收信号和导频信号的差值构建代价函数，用损伤电磁单元的稀疏性来使用更少导频完成优化；使用复数软阈值迭代更新优化目标来保证正常工作单元在每次迭代中不受优化过程影响；当目标函数基本不下降时，触发停止准则，完成阵列诊断。

45、本发明通过考虑智能空间电磁单元损伤构建任意输入任意输出信道模型，可以有效在不同环境下完成对阵列的诊断；通过考虑智能空间损伤电磁单元的稀疏特性，可以使用更少的导频完成阵列诊断；通过使用共轭梯度法，可以有效完成阵列诊断；通过使用复数软阈值迭代更新优化目标，可以有效避免正常工作单元带来的干扰。

技术特征：

1.一种智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

9.根据权利要求7所述的智能空间电磁单元损伤诊断方法，其特征在于，

10.一种智能空间电磁单元损伤诊断系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种智能空间电磁单元损伤诊断方法及系统，包括：基于智能空间电磁单元损伤环境构建任意输入任意输出信道模型；通过接收信号和传输信号的差值构建代价函数，将阵列问题转化为最小化问题；通过损伤电磁单元的稀疏特性，进一步重构最小化问题；使用共轭梯度法优化电磁单元损伤向量，使用复数软阈值对电磁单元损伤向量进行迭代更新，并使用线搜索法选择步长；当目标函数触发预设停止准则时，完成诊断并获得阵列诊断结果；否则，继续优化，更新共轭梯度法优化和复数软阈值迭代循环直至目标函数触发预设停止准则。本发明可以在智能空间电磁单元损伤环境下完成对智能空间电磁单元损伤的诊断和达到更高的阵列诊断精度。

技术研发人员：李莉萍,应润,李迎松,何雷
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17