本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及一種基于otfs的ris輔助的無線信道估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，移動通信技術(shù)迅速發(fā)展，6g移動通信系統(tǒng)將包含海量節(jié)點(diǎn)，并對移動通信系統(tǒng)提出高達(dá)1000km/h的移動性需求。智能超表面(reflecting?intelligent?surface,ris)作為無線通信環(huán)境智能化的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為應(yīng)對未來無線通信網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)的一種潛在解決方案。

2、ris本質(zhì)上是一種由超材料構(gòu)成的系統(tǒng)，其每個元素能夠獨(dú)立調(diào)整反射信號的幅度和相位，從而改善無線通信環(huán)境并提高通信質(zhì)量。此外，將ris置于基站和用戶之間，可以為因障礙物阻擋而受影響的直射鏈路提供額外的傳輸路徑，進(jìn)一步提升通信質(zhì)量。目前，ris輔助的無線通信系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)在許多方面都具有明顯優(yōu)勢，如覆蓋增強(qiáng)、系統(tǒng)容量提升、增強(qiáng)物理層安全傳輸?shù)?。為了?shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要對ris的反射單元進(jìn)行一定調(diào)控，如波束賦形等，這對信道狀態(tài)信息(csi，channel?state?information)的精度提出要求。由于ris元件的無源特性以及自身缺乏處理能力，目前很難用傳統(tǒng)的估計(jì)方法直接獲得信道狀態(tài)信息。

3、傳統(tǒng)的ris通信系統(tǒng)的信道估計(jì)方法主要集中于準(zhǔn)靜態(tài)信道場景，認(rèn)為信道特性在短時間內(nèi)保持不變。因此，這些方法在準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境中能夠有效地進(jìn)行信道估計(jì)。但是，隨著高速移動場景的出現(xiàn)，如高鐵和衛(wèi)星通信等，信道特性快速動態(tài)變化，使得傳統(tǒng)方法無法及時捕捉這些變化。這種局限性可能導(dǎo)致信道估計(jì)不準(zhǔn)確，從而影響通信質(zhì)量和系統(tǒng)性能。因此，亟需發(fā)展新的信道估計(jì)技術(shù)，以適應(yīng)這些高動態(tài)環(huán)境的需求。

4、目前，針對ris輔助的信道估計(jì)方案已有廣泛研究，例如深度學(xué)習(xí)(dl)、自適應(yīng)信道估計(jì)方法、壓縮感知等。dl在提取信道特征上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，當(dāng)這一技術(shù)應(yīng)用于ris信道估計(jì)時，能顯著提升估計(jì)的精準(zhǔn)度。然而，dl方法需要大量數(shù)據(jù)集進(jìn)行耗時的離線訓(xùn)練且泛化能力相對有限，制約了在更廣泛場景中的直接應(yīng)用。自適應(yīng)信道估計(jì)方法能適用于不同的信道條件，能夠自適應(yīng)調(diào)整以優(yōu)化性能。自適應(yīng)信道估計(jì)方法具有實(shí)時性強(qiáng)和靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)信道狀態(tài)的變化動態(tài)調(diào)整估計(jì)參數(shù)，提高準(zhǔn)確性和魯棒性。然而，該方法存在收斂速度慢和對先驗(yàn)知識依賴的缺點(diǎn)，同時在高噪聲環(huán)境中可能表現(xiàn)出較弱的性能。壓縮感知技術(shù)具有一種獨(dú)特的能力，能夠通過較少的觀測樣本精確地還原出信號或信道狀態(tài)，減少導(dǎo)頻開銷。這使得它在信道估計(jì)中發(fā)揮著重要作用。但是，利用壓縮感知技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一是稀疏信道矩陣的重建。目前，貪婪匹配追蹤算法如正交匹配追蹤算法(omp)優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，思路簡單。但是omp的穩(wěn)定性很弱，因?yàn)槊看蔚荒苓x擇一個原子，而這個原子有時可能是次優(yōu)的。在壓縮采樣匹配追蹤(cosamp)算法中，采用了壓縮采樣匹配追蹤(cosamp)方法從支持集中去除錯誤的原子。然而，在實(shí)際稀疏度k是未知的。因此，自適應(yīng)匹配追蹤算法(samp)提出通過迭代步長逼近真實(shí)稀疏度。為確保準(zhǔn)確性，初始步長通常設(shè)小，但若遠(yuǎn)小于實(shí)際稀疏性，會導(dǎo)致大量迭代，增加計(jì)算時間。在高速移動場景下，這種時間開銷不滿足高性能估計(jì)的需求。

5、在6g通信中，毫米波廣泛應(yīng)用于高速移動場景，因其具備極寬帶寬、低時延和在各種氣候條件下的穩(wěn)定性等顯著優(yōu)勢。然而，由于自由空間傳播路徑的損耗，毫米波主要依賴視距傳播和一次反射的非視距傳播。這種稀疏的信道特性導(dǎo)致信道中的有效路徑有限，從而使信道估計(jì)問題相對簡化。根據(jù)毫米波信道稀疏的特性，利用級聯(lián)信道響應(yīng)的稀疏性，引入cs技術(shù)用于ris輔助的無線通信系統(tǒng)進(jìn)行信道估計(jì)可以減少導(dǎo)頻開銷。壓縮感知技術(shù)具有一種獨(dú)特的能力，即能夠通過較少的觀測樣本精確地還原出信號或信道狀態(tài)，這使得它在信道估計(jì)中發(fā)揮著重要作用。

6、針對在有限的幀長內(nèi)，快速實(shí)現(xiàn)對高多普勒頻移信道的估計(jì)。hadani等人在2017年提出了正交時頻空間(orthogonal?time?frequency?space,otfs)調(diào)制技術(shù)。otfs技術(shù)是一種創(chuàng)新的調(diào)制方式，它在時延-多普勒(dd,delay-doppler)域進(jìn)行調(diào)制，將時頻(timefrequency,tf)域的時變信道轉(zhuǎn)換為dd域的時不變信道。通過這種轉(zhuǎn)換，otfs技術(shù)能夠獲得時間和頻率上的全部信道分集增益，從而顯著提高通信系統(tǒng)的性能?；谏鲜?，otfs在高速移動場景下的性能增益明顯高于傳統(tǒng)的ofdm調(diào)制技術(shù)。這一結(jié)論表明otfs技術(shù)在應(yīng)對高速移動場景下的信道估計(jì)問題時的有效性。

7、由于ris的反射單元具有無源特性且數(shù)量眾多，導(dǎo)致信道估計(jì)的復(fù)雜度顯著增加。此外，在多天線配置下，估計(jì)參數(shù)的規(guī)模呈倍數(shù)增長，進(jìn)一步提高了計(jì)算復(fù)雜度和資源消耗。因此，在高速移動及多天線場景下，探索高效、低復(fù)雜度的信道估計(jì)解決方案顯得尤為重要。

8、針對以上問題，本發(fā)明提出了一個高效信道估計(jì)方案。在應(yīng)對高速移動場景下的無線通信挑戰(zhàn)時，本發(fā)明利用ris-otfs無線通信系統(tǒng)，通過在時延-多普勒(dd)域處理信號，有效地減輕高多普勒頻移對系統(tǒng)性能的影響。為了進(jìn)一步增強(qiáng)信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，本發(fā)明在稀疏信道矩陣恢復(fù)階段提出了一種創(chuàng)新的算法——基于dice系數(shù)的可變步長目標(biāo)匹配算法dice?variable-step?target?orthogonal?matching?pursuit?dv-stomp)。dv-stomp算(法是對傳統(tǒng)omp算法的一種改進(jìn)，它引入了dice系數(shù)作為匹配準(zhǔn)則，替代了傳統(tǒng)的內(nèi)積準(zhǔn)則。這一改進(jìn)使得算法能夠更精確地識別與信號最相關(guān)的基向量。同時，本發(fā)明引入了目標(biāo)估計(jì)稀疏度k，以獲取初始的稀疏度估計(jì)。考慮到稀疏度在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的不確定性，本發(fā)明設(shè)計(jì)了可變步長機(jī)制來優(yōu)化算法，從而加快了收斂速度。為了降低信道估計(jì)的復(fù)雜度，減少估計(jì)參數(shù)，本發(fā)明對ris的相鄰元素進(jìn)行了分組處理。這種分組策略不僅簡化了信道估計(jì)問題，還降低了計(jì)算負(fù)擔(dān)。在此基礎(chǔ)上，為了保證信道估計(jì)的精度并充分利用ris元素通道間的相關(guān)性，本發(fā)明采用了拉格朗日插值法。將分組的信道估計(jì)矩陣恢復(fù)到完整的矩陣形式，提升了信道估計(jì)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種在高速移動通信場景下的信道估計(jì)方法，旨在提高ris輔助的無線通信信道估計(jì)效率。

2、第一方面，提供一種基于otfs的面向ris輔助的無線信道估計(jì)方法，將數(shù)據(jù)信息和導(dǎo)頻編碼在單個多普勒-時延域幀中編碼，根據(jù)最大時延和最大多普勒偏移設(shè)計(jì)保護(hù)間隔；利用低峰均功率比序列作為導(dǎo)頻信號，達(dá)到信號的峰值功率與平均功率之間的差距較小的目的，提高信號傳輸效率和穩(wěn)定性；針對毫米波信道估計(jì)，基于otfs的多普勒-時延域的信道狀態(tài)信息矩陣是稀疏的，將信道估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為稀疏信道信息矩陣恢復(fù)問題。

3、進(jìn)一步地，正交匹配的貪婪算法，其特征在于，原子相關(guān)度和步長優(yōu)化兩部分，包括：使用dice系數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相似性計(jì)算；然后利用雙閾值方法動態(tài)調(diào)整步長，以確保最終的稀疏矩陣恢復(fù)精度。

4、進(jìn)一步地，將ris反射單元分組的方法，其特征在于，減少待估計(jì)通道數(shù)，提高估計(jì)效率，減少在高速移動場景中信道估計(jì)的復(fù)雜度，所述方法包括：首先通過將ris的相鄰反射元素分組，每組包含n0個元素，則需要估計(jì)的通道數(shù)為減少了信道估計(jì)的復(fù)雜度。

5、進(jìn)一步地，基于拉格朗日插值提高信道信息矩陣精度的方法，其特征在于，根據(jù)參考點(diǎn)和待插值點(diǎn)之間的位置構(gòu)造基函數(shù)。采用分段插值和構(gòu)造低次基函數(shù)的方法，降低插值的復(fù)雜性，以及避免插值結(jié)果顯著偏離原始數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

6、第二方面，提供一種otfs的ris輔助的無線信道估計(jì)裝置，包括：

7、獲得單元，基于otfs的無線通信信道模型，獲得接收信號、和本地參考信號；

8、獲得單元，根據(jù)接收到的多普勒-時延域的導(dǎo)頻信號，利用改進(jìn)的稀疏信道矩陣恢復(fù)算法估計(jì)信道在多普勒-時延域的響應(yīng)；

9、處理單元，利用估計(jì)出的分組信道狀態(tài)信息進(jìn)行上采樣，以恢復(fù)完整的信道狀態(tài)信息矩陣；

10、處理單元，利用信道狀態(tài)信息恢復(fù)出傳輸?shù)男盘枴?/p>

11、第三方面，本技術(shù)提供一種電子設(shè)備，該電子設(shè)備包括：處理器和存儲器，所述存儲器與所述處理器耦合，所述存儲器用于存儲計(jì)算機(jī)程序代碼，所述計(jì)算機(jī)程序代碼包括計(jì)算機(jī)指令，所述處理器從所述存儲器中讀取所述計(jì)算機(jī)指令，以使得所述電子設(shè)備執(zhí)行如第一方面所述的基于otfs的ris輔助的無線信道估計(jì)方法。

12、第四方面，本技術(shù)提供一種計(jì)算機(jī)存儲介質(zhì)，包括計(jì)算機(jī)指令，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)指令在終端上運(yùn)行時，使得所述終端執(zhí)行如第一方面所述的基于otfs的ris輔助的無線信道估計(jì)方法。

13、第五方面，本技術(shù)提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品在計(jì)算上運(yùn)行時，使得所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如第一方面所述的基于otfs的ris輔助的無線信道估計(jì)方法。

14、此外，本發(fā)明提出了一個高效信道估計(jì)方案。本發(fā)明利用ris-otfs無線通信系統(tǒng)，通過在時延-多普勒(dd)域處理信號，有效地減輕高多普勒頻移對系統(tǒng)性能的影響。為了進(jìn)一步增強(qiáng)信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，本發(fā)明在稀疏信道矩陣恢復(fù)階段提出了一種創(chuàng)新的算法——基于dice系數(shù)的可變步長目標(biāo)匹配算法(dv-stomp)。dv-stomp算法是對傳統(tǒng)omp算法的一種改進(jìn)，它引入了dice系數(shù)作為匹配準(zhǔn)則，替代了傳統(tǒng)的內(nèi)積準(zhǔn)則。這一改進(jìn)使得算法能夠更精確地識別與信號最相關(guān)的基向量。同時，本發(fā)明引入了目標(biāo)估計(jì)稀疏度k，以獲取初始的稀疏度估計(jì)。考慮到稀疏度在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的不確定性，本發(fā)明設(shè)計(jì)了可變步長機(jī)制來優(yōu)化算法，從而加快了收斂速度。為了降低信道估計(jì)的復(fù)雜度，減少估計(jì)參數(shù)，本發(fā)明將ris的相鄰元素分為一組。在此基礎(chǔ)上，采用了拉格朗日插值法，將分組的信道估計(jì)矩陣恢復(fù)到完整的矩陣形式，提升了信道估計(jì)的性能。

15、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。