[发明专利]智能反射面辅助毫米波通信系统的波束对准方法

说明书

本发明属于毫米波无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射面辅助毫米波通信系统的快速波束对准方法。通过将智能反射面相关的级联信道写成稀疏表示，提出了一种基于稀疏感知和无相位估计的快速波束对准方法，通过设计一系列稀疏感知矩阵，利用最大似然估计器恢复最优波束对。仿真实验表明，本发明提出的方法能以极低的导频训练开销达到与暴力搜索相近的性能，与现有的波束对准算法相比存在巨大的性能优势，并且在低信噪比下依然能维持较好的鲁棒性，体现了本发明的实际可行性。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种智能反射面辅助毫米波通信系统的波束对准方法。

背景技术

智能反射面(Reflecting Intelligent Surface，RIS)辅助毫米波通信是Beyond5G和6G移动通信物理层的关键技术之一。通过控制智能反射面的反射系数以及基站端的混合预编码向量实现联合主被动波束成形，可以实现无线通信环境的智能控制，从而拓宽信号覆盖范围，有效抑制小区内多用户干扰，增加物理层安全通信性能。实现精准的联合主被动波束成形需要基站-智能反射面-用户的联合信道状态信息。另一方面，由于智能反射面的无源特性，传统的波束对准/信道估计方法不能直接应用于智能反射面辅助毫米波通信系统。目前基于LS/MMSE的方法没有考虑毫米波信道的稀疏特性，优点是计算复杂度低，但需要大量的测量值。基于压缩感知的方法需要已知接收信号的全信息，需要的测量值数目较少，但计算复杂度高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于联合稀疏感知和无相位估计的快速波束对准方法，并将其应用到智能反射面辅助毫米波通信场景中。该方法涉及到稀疏感知矩阵的设计以及从无相位测量值中估计最优的波束对准方向两个方面。具体而言，通过设计一系列稀疏感知矩阵，分别实现在基站和智能反射面的多个窄波束扫描，利用用户接收到的多个无相位信号，进行最大似然估计，从而估计出智能反射面辅助毫米波通信系统的最优波束对准方向。

本发明的技术方案为：

面向智能反射面辅助毫米波通信系统的波束对准方法，系统中基站配置天线数为N_t,智能反射面单元数目为M，其特征在于，包括以下步骤：

S1、分别针对基站和智能反射面预设L个(近似)稀疏编码矩阵和其中V＝N_t/R和U＝M/Q，R和Q分别表示每一次波束扫描在基站和智能反射面端形成的窄波束数目；

S2、基站依据预设的稀疏编码矩阵发送信号，智能反射面依据预设的稀疏编码矩阵反射信号；

S3、用户基于预设的稀疏编码矩阵和接收信号矩阵进行最优的波束估计：

S301、基于预设的稀疏编码矩阵依次得到第l,l＝1,…,L轮接收的信号，对第l轮的接收信号矩阵中的每个元素Y_l(u_l,v_l),u_l＝1,…,U,v_l＝1,…,V进行能量检测，其中N_l表示第l轮对应的接收信号噪声。若元素Y_l(u_l,v_l)能量值小于某一预设阈值∈，则将该元素标记为零节点(nullton)。依次统计l＝1,…,L轮的零节点数目，将零节点数目最少的接收信号矩阵对应的轮次标记为NM(No-multiton)轮次，并保存对应的接收信号矩阵集合其中L^′为NM轮次的数目；

S302、对于第l轮的每一个可能的波束标号对(i,j),i＝1,…,M,j＝1,…,N_t,定义波束覆盖矩阵其中第(u,v)个元素定义为其中是稀疏编码矩阵C_l的第u列，是稀疏编码矩阵A_l的第v列，x(i)表示向量x的第i个元素。利用最大似然(Maximum Likelihood,ML)估计最优的波束标号对(i^*,j^*)：