基于壓縮感知的智能超表面信道估計

摘 要：針對智能超表面（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ） 輔助通信系統中無源反射陣列所導致的信道估計導頻開銷大的問題，提出了一種低導頻開銷的壓縮感知（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，ＣＳ） 信道估計算法。根據毫米波信道的特征，分析級聯信道所存在的三重結構稀疏性，即所有用戶角級聯信道的公共行稀疏性、不同非零行之間非零元素偏移相同和所有用戶不同非零行之間列偏移相同。根據毫米波信道的稀疏結構，對現有的正交匹配追蹤（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｐｕｒｓｕｉｔ，ＯＭＰ） 算法進行改進，通過設計合理的判決準則減少噪音所帶來的誤差擴大。仿真結果表明，在實現相同的信道估計精度時，所提算法在低信噪比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ，ＳＮＲ） 條件下比現有方案所需的導頻開銷要低。

關鍵詞：智能超表面；信道估計；稀疏結構；壓縮感知

中圖分類號：ＴＮ９２９． ５ 文獻標志碼：Ａ

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１２－２８３３－０８

０ 引言

近年來，隨著各種先進技術（如太赫茲通信、毫米波通信和超密集網絡）的發展，未來多樣化的通信場景不僅對無線網絡的異構程度提出更多需求，還對各種技術的能耗、復雜度和硬件成本等方面提出了更高的要求［１－２］。這就要求６Ｇ 不僅要比上一代技術更進一步，還要在５Ｇ 進展較慢的領域（如覆蓋范圍和成本效率等）有所突破［３］。為應對這些挑戰，智能超表面（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｕｒｆａｃｅ，ＲＩＳ）作為一種具有廣泛應用前景的新技術，由于其具備智能化、可擴展、低功耗、低成本、輕量化、易部署等特點，引起了眾多學者們的關注，被視為是６Ｇ潛在的通信技術之一［４］。

ＲＩＳ 本質上是一種超材料，是由大量低成本、低尺寸的無源反射陣列所構成的均勻平面陣列（Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｐｌａｎａｒ Ａｒｒａｙ，ＵＰＡ）［５］。通過連接的ＲＩＳ控制器，ＲＩＳ 上每個無源陣列都可以獨立地對反射信號的幅度和相位進行一定的調控從而改善無線通信的環境并提高通信質量［６］。將ＲＩＳ 置于發射端和接收端之間，能為直射鏈路被障礙物所阻擋的通信系統提供額外的鏈路用于通信傳輸，并且ＲＩＳ 之間還能相互疊加，進一步滿足通信的質量速率等要求［７］。目前，ＲＩＳ 輔助的無線通信系統相對于傳統通信系統在很多方面都取得了進展，如提高系統的容量［８］、增加頻譜效率［９］、保證安全傳輸［１０］、擴大覆蓋范圍［１１］和輔助無人機通信［１２］等。