本發(fā)明涉及無線通信，尤其是涉及一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、在無線通信系統(tǒng)中，ris被認為是一種很有發(fā)展前景的恢復死區(qū)通信的技術(shù)。與部署密集微型基站(bs)或中繼等其他可實現(xiàn)的方法相比，ris更有效成本更低，ris可以對無線傳輸環(huán)境重新塑造，進而改變反射電磁波的幅度和相位，而不需要額外的能量消耗，實現(xiàn)較高的波束成形增益。ris通常由大量精心設計的電磁單元排列組成，通過給電磁單元上的可調(diào)元件施加控制信號，可以動態(tài)地控制這些電磁單元的電磁性質(zhì)，進而實現(xiàn)對空間電磁波可編程進行主動的智能調(diào)控，形成幅度、相位等參數(shù)可控制的電磁場，這一機制提供了ris的電磁世界和信息科學的數(shù)字世界之間的接口，對于未來無線網(wǎng)絡的發(fā)展極具吸引力。在ris輔助的通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)環(huán)境來重新配置ris元件，從而提供較高的波束成形增益，使用戶接收的信號功率最大化，但是可靠的波束成形需要準確的信道狀態(tài)信息(csi)，因此需要對ris輔助的無線通信系統(tǒng)進行精確的信道估計。

2、目前，由于ris是由無源的器件組成，無法使用ris直接對信號進行處理來完成信道參數(shù)的估計；此外ris通常具備大量的反射單元，這導致所需要估計的信道維度遠遠大于傳統(tǒng)的無線信道；最小二乘算法雖然復雜度低，但信道狀態(tài)信息精度較差，特別是在低信噪比環(huán)境下；傳統(tǒng)的omp算法雖然利用了信道矩陣的稀疏性，但卻忽略了其特有的雙稀疏結(jié)構(gòu)，從而導致較大的導頻開銷；最小均方誤差(mmse)它需要用到信道統(tǒng)計特性，在現(xiàn)實中很難獲得。因此，如何提高基于ris輔助的無線通信系統(tǒng)信道估計的準確性，成為本領域需要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法及裝置，能夠顯著提高信道估計精度，同時降低導頻開銷。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，包括以下步驟：s1，獲取基站接收的導頻信號，所述基站位于預先構(gòu)建的ris輔助通信系統(tǒng)中；s2，基于所述導頻信號，利用最小二乘法進行信道估計，得到有限反射元素觀測值的粗估計級聯(lián)信道矩陣；s3，利用預先構(gòu)建的多頭注意力殘差網(wǎng)絡對所述粗估計級聯(lián)信道矩陣進行去噪，得到精確級聯(lián)信道矩陣。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述ris輔助通信系統(tǒng)包括基站、ris板和多個單天線用戶，所述基站配置多個天線，所述ris板包括多個反射元件。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述s2中，第d種相移模式下基站接收的導頻信號表示為：

6、

7、式中，hk為第k個用戶要估計的級聯(lián)信道，k為用戶數(shù)量，pd表示在第d種相移模式下的反射相移矩陣，vd表示噪聲矩陣，m為接收天線數(shù)量，l為導頻長度，為發(fā)送的導頻信號。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述s2中，全部相移模式下基站接收的導頻信號yk表示為：

9、yk＝hkp+v

10、式中，為高斯噪聲矩陣，p表示具有d種相移模式的反射相移矩陣。

11、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，具有d種相移模式的反射相移矩陣p表示為：

12、

13、式中，n為反射元件數(shù)量，w＝ej2π/d。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述粗估計級聯(lián)信道矩陣為：

15、

16、式中，表示p的偽逆矩陣，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置。

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述最小二乘法的估計誤差為：

18、

19、式中，表示矩陣的2范數(shù)，σ2表示高斯噪聲方差。

20、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述s3具體包括：獲取所述粗估計級聯(lián)信道矩陣的相同維數(shù)的實部和虛部作為雙通道輸入所述多頭注意力殘差網(wǎng)絡；利用第一卷積層提取初始特征并利用relu函數(shù)激活，得到當前的矩陣；將當前的矩陣依次輸入雙層注意塊，每層所述注意塊包括多頭注意力網(wǎng)絡和第二卷積層；利用跳接結(jié)構(gòu)將第一卷積層的特征信息連接至雙層注意塊的輸出；將連接后的矩陣輸入第三卷積層，得到相應的精確級聯(lián)信道矩陣。

21、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述多頭注意力網(wǎng)絡包括依次連接的第一線性層、縮放的點積注意力層、拼接層和第二線性層，在所述第一線性層中，輸入序列中每個位置的向量均分別進行多次線性變換。

22、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計裝置，所述裝置用于實現(xiàn)所述的方法，所述裝置包括信號獲取模塊、級聯(lián)信道矩陣粗估計模塊以及信道矩陣去噪模塊，所述信號獲取模塊用于獲取基站接收的導頻信號，所述基站位于預先構(gòu)建的ris輔助通信系統(tǒng)中；所述級聯(lián)信道矩陣粗估計模塊用于基于所述導頻信號，利用最小二乘法進行信道估計，得到有限反射元素觀測值的粗估計級聯(lián)信道矩陣；所述信道矩陣去噪模塊用于利用預先構(gòu)建的多頭注意力殘差網(wǎng)絡對所述粗估計級聯(lián)信道矩陣進行去噪，得到精確級聯(lián)信道矩陣。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、1、本發(fā)明基于傳統(tǒng)的最小二乘方法，通過只打開整個反射元素的一部分來減少延遲和復雜性，采用最小二乘算法與深度神經(jīng)去噪網(wǎng)絡結(jié)合，從基于噪聲的導頻觀測中恢復出精確的信道矩陣，使用多頭注意力網(wǎng)絡與殘差網(wǎng)絡在特征提取和去噪方面的優(yōu)勢，從粗估計的信道矩陣中恢復出所期待的級聯(lián)信道矩陣，能夠在減少導頻開銷的同時，提升信道的估計精度，提供較高的波束成形增益，使用戶接收的信號功率最大化；

25、2、本發(fā)明采用的深度去噪網(wǎng)絡模型基于自注意力網(wǎng)絡進行改進，整體上加入了多頭注意力機制和殘差跳躍網(wǎng)絡，并調(diào)整了網(wǎng)絡的深度和卷積核大小，相比于其他深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡，本發(fā)明提供的多頭注意力網(wǎng)絡具有更大的接受野，網(wǎng)絡計算的復雜度更低，擁有更好的特征提取能力，通過引入跳接結(jié)構(gòu)能夠使深層網(wǎng)絡與淺層網(wǎng)絡的特征信息聯(lián)系起來，防止細節(jié)特征丟失，加速網(wǎng)絡訓練過程，且只需要relu函數(shù)進行激活，能夠減少信道矩陣在特征提取時的信息丟失，提高整個網(wǎng)絡的去噪效果，進而提高ris輔助通信系統(tǒng)信道估計的準確性。

技術(shù)特征：

1.一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，所述ris輔助通信系統(tǒng)包括基站、ris板和多個單天線用戶，所述基站配置多個天線，所述ris板包括多個反射元件。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，在所述s2中，第d種相移模式下基站接收的導頻信號表示為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，在所述s2中，全部相移模式下基站接收的導頻信號yk表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，具有d種相移模式的反射相移矩陣p表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，所述粗估計級聯(lián)信道矩陣為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，所述最小二乘法的估計誤差為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，所述s3具體包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計方法，其特征在于，所述多頭注意力網(wǎng)絡包括依次連接的第一線性層、縮放的點積注意力層、拼接層和第二線性層，在所述第一線性層中，輸入序列中每個位置的向量均分別進行多次線性變換。

10.一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的ris輔助通信系統(tǒng)信道估計裝置，其特征在于，所述裝置用于實現(xiàn)權(quán)利要求1-9任一所述的方法，所述裝置包括信號獲取模塊、級聯(lián)信道矩陣粗估計模塊以及信道矩陣去噪模塊，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于多頭注意力殘差網(wǎng)絡的RIS輔助通信系統(tǒng)信道估計方法。該方法獲取基站接收的導頻信號，基站位于預先構(gòu)建的RIS輔助通信系統(tǒng)中；基于導頻信號，利用最小二乘法進行信道估計，得到有限反射元素觀測值的粗估計級聯(lián)信道矩陣；利用預先構(gòu)建的多頭注意力殘差網(wǎng)絡對粗估計級聯(lián)信道矩陣進行去噪，得到精確級聯(lián)信道矩陣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有顯著提高信道估計精度，同時降低導頻開銷等優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：楊柳,張?zhí)斐?黎明
受保護的技術(shù)使用者：上海電機學院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21