具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的无线通信信道估计方法及系统。

参见图1(a)，可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface,RHS)：由馈源、波导、超材料辐射单元阵列构成，其中，超材料辐射单元为基于二极管的可重构超材料辐射单元，馈源发出电磁波，波导可以为平行板波导，参见图1(b)，电磁波在波导上传播，传播过程中，通过调节控制每个超材料辐射单元的多个PIN二极管的开关状态，可实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的离散辐射振幅调节，其中超材料辐射单元具有有限个离散幅度可调节值，而二极管开关状态与在超材料辐射单元上辐射出的电磁波的幅度值具有一一对应关系，若有I个PIN二极管控制一个超材料辐射单元，则该单元具有2^I个离散幅度可调节值。

需要说明的是，上述超材料辐射单元的超材料是一种自然界没有的，人工制造的能够改变电磁波辐射特性的超材料。超材料单元为亚波长尺寸，整个单元具有特殊的电磁特性，比如其可以对电磁波的辐射振幅进行调节。此处，对上述超材料进行一下简单介绍：上述超材料为人工电磁材料，这种材料能够对电磁波的传输特性产生影响。所谓人工电磁材料，是英文“metamaterial”的中文翻译，其中“meta-”是希腊语前缀，可译为“超”的意思。因此，最早metamaterial 被中国学者翻译为超材料。还有些学者称其为负折射率材料等。但到目前为止，对于metamaterial被大家广泛认可的中文称谓是新型人工电磁材料。该称谓贴切实用，直接体现了该媒质材料的特性，即人为制造的，与自然界本来就有的材料直观地区别开来。且该称谓极为广义，它将以往对metamaterial的各种称谓进行了统一。自然界的绝大多数材料是由原子或分子组成的，相比于作用在电磁材料上的电磁波波长，原子或者分子的电尺寸是极小的，可以在宏观上认为是均匀媒质，并可以利用介电常数ε和磁导率μ来描述。而构成新型人工电磁材料的基本单元结构点尺寸都在λ/10波长左右，将其按照一定周期或者准周期设计在三维空间中进行排列。因此在宏观上也可以认为新型人工电磁材料是等效均匀媒质，用等效电磁参数和来描述其材料基本电磁属性，相应的参数提取方法现如今已经非常成熟。

需要说明的是，二极管与超材料辐射单元的连接关系有很多种。

比如，将二极管与超材料辐射单元串联，二极管开/关的时候，分走的电压不同，对应的，使超材料辐射单元两端的电压得到改变。因此，将超表面单元中的电源的偏置电压调节为目标偏置电压，在所述超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。

又比如，在超材料辐射单元上开缝隙，缝隙的尺寸不一样，在缝隙中连接二极管，通过改变二极管的开/关状态，可实现对超材料辐射单元辐射振幅的调整。

当然，二极管与超材料辐射单元的连接不仅限于以上两种方式，凡是可以实现通过二极管的开/关状态改变超材料辐射单元的辐射振幅的连接方式均属于本申请的保护范围。

这对上述可重构全息超表面，本申请提供了一种无线通信信道估计方法，在介绍该无线通信信道估计方法之前，先对信道状态信息(Channel State Information，CSI)进行简单介绍。

信道状态信息(Channel State Information，CSI)：用来估计一条通信链路特性的信息，包括RI、PTI(Precoding Type Indicator)、PMI、CQI。估计CSI 的过程叫做信道估计。

其中，RI(Rank Indication)：用户建议基站在下行传输中使用的传输阶数。

PMI(Precoding Matrix Indicator)：用户建议基站在下行传输中使用的预编码矩阵。该预编码矩阵是在假设使用“上报的RI指示的传输阶数”的基础上进行选择的。

CQI(Channel Quality Indicator)：用户使用CQI来告诉基站的调度器，用户所看到的下行信道质量信息。

参见图2，假设基站与用户之间的信道矩阵为F，当基站向用户发射信号s 时，用户处接收到的信号为y＝Fs+n，其中n表示噪声。通过奇异值分解可以转换为y＝U∑C^HTs+n。此时，我们无需知道信道矩阵，只需要获得码本 C即可。该码本在基站和用户处均可获得，应用时根据PMI选择一个可以使信道容量最大的码字即可。如上图所示，在下行链路中，基站(发射端)和用户 (接收端)从码本中选择不同的码字对信号进行预编码和合并，用户根据合并后的信号估计出CSI，确定当前最优的PMI，通过有限反馈链路将其反馈给发射端，从而估计出信道矩阵。

下面对上述无线通信信道估计方法进行介绍

参见图3，上述无线通信信道估计方法包括以下步骤：

步骤31：基站从码本中选择不同的码字分别对测试信号进行预编码，并对各预编码后的测试信号进行发射。

步骤32：用户端接收到各所述测试信号后，分别采用码本中不同的码字生成每一测试信号的合并矩阵。

步骤33：用户端确定各收发矩阵组的接收功率，所述收发矩阵组包括一预编码矩阵和一合并矩阵；并将目标预编码矩阵对应的第一码字通过反馈链路反馈至基站，其中，所述目标预编码矩阵为目标收发矩阵组中的预编码矩阵，所述目标收发矩阵组为接收功率最大的收发矩阵组。

步骤34：基站根据所述第一码字对目标信号进行预编码并发射。

步骤34：用户端采用目标合并矩阵对应的第二码字生成所述目标信号的合并矩阵，所述目标合并矩阵为目标收发矩阵组中的合并矩阵。

比如，码本中有n个码字，在基站，分别采用n个码字对测试信号进行预编码，这样将得到n个预编码后的测试信号。用户端接收基站发射的n个测试信号，对每一测试信号，均采用m个码字分别生成该测试信号的合并矩阵。这样一来，将会得到n×m个收发矩阵组。每一收发矩阵组(即一预编码矩阵和对应的一合并矩阵的组合)对应一码字对，该码字对包括测试信号预编码时采用的第一码字以及测试信号合并矩阵生成时采用的第二码字。确定各收发矩阵组的接收功率，将接收功率最大的收发矩阵组记为目标收发矩阵组，该目标收发矩阵组中的预编码矩阵即为上述目标预编码矩阵，该目标收发矩阵组中的合并矩阵即为上述目标合并矩阵。将目标预编码矩阵对应的第一码字通过反馈链路反馈至基站。在后续的通信中，基站采用反馈链路反馈的第一码字(即目标预编码矩阵对应的第一码字)进行目标信号的预编码，用户端根据目标合并矩阵对应的第二码字生成目标信号的合并矩阵。上述过程实现了对无线通信信道的估计。

与上述线通信信道估计方法相对应，本申请针对可重构全息超表面，还提供了一种无线通信信道估计系统，该系统包括：基站和用户端。

所述基站用于：从码本中选择不同的码字分别对测试信号进行预编码，并对各预编码后的测试信号进行发射。

所述用户端用于：接收到各所述测试信号后，分别采用码本中不同的码字生成每一测试信号的合并矩阵；确定各收发矩阵组的接收功率，所述收发矩阵组包括一预编码矩阵和一合并矩阵；并将目标预编码矩阵对应的第一码字通过反馈链路反馈至基站，其中，所述目标预编码矩阵为目标收发矩阵组中的预编码矩阵，所述目标收发矩阵组为接收功率最大的收发矩阵组。

所述基站还用于：根据所述第一码字对目标信号进行预编码并发射。

所述用户端还用于：采用目标合并矩阵对应的第二码字生成所述目标信号的合并矩阵，所述目标合并矩阵为目标收发矩阵组中的合并矩阵。

上述无线通信信道估计方法可应用于基于可重构全息超表面的通信中，现对一具体的应用场景进行介绍。

为方便叙述，对无线通信场景以及发射装置中的变量进行字母表述与假设

考虑一个装有K个馈源的可重构全息超表面(Reconfigurable holographicsurface，RHS)的基站(发射装置)要与L个移动用户进行通信，则L个移动用户相对于该发射装置的位置即为发射装置所需发射波束的方向。假设RHS 由M×N个超材料辐射单元祖成，每个辐射单元的辐射幅度可取值为对每个超材料辐射单元的辐射振幅W_m,n(即传输到每一个超材料辐射单元的参考波的能量辐射至自由空间的比例)进行0-1之间的初始化。RHS每个辐射单元与每个用户之间的传输信道可根据实际情况利用计算机进行模拟，基站与每个用户l之间的总信道矩阵用F_l表示，其维度为1×MN。假设基站向用户发送的信号为s，其中s是一个L维列向量，s_l表示发送给用户l的信号。基站对于发送给用户的信号首先进行数字波束成形，继而将编码后的信号输入RHS的馈源中，馈源发出携带有发送信号的参考波经过RHS的全息波束成形(即每个辐射单元根据W_m,n对参考波能量向自用空间辐射以形成固定方向的波束)发送给各个用户，则每个用户接收到的信号可以表示为：

y_l＝F_lWV_ls_l+F_lW∑_l'≠lV_l's_l'+z_l，

其中，V是大小为K×L的数字波束成形矩阵，V_l是V的第l列，W是由元素构成的大小为MN×K的矩阵，k_s为参考波在RHS表面传播的传播矢量，为第k个馈源到第(m,n)个辐射单元的距离矢量，z_l为信道中的高斯白噪声。则用户总传输速率最大化问题为：

Tr(V^HV)<P_T

其中，l'为用户序号，不同于用户l的用户称为用户l'，P_T为总发射功率，σ²为噪声功率，I为离散幅值比特数。

对于该用户总传输速率最大化问题的求解，参见图4，迭代过程如下，1) 保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，进而推导出数字波束成形矩阵；2)给定数字波束成形矩阵，优化全息波束成形矩阵，并确保该矩阵在可选范围之内；3)重复步骤1)和步骤2)，直到两次相邻的迭代的数据速率的差值小于预设的阈值。

下面对上述用户总传输速率最大化问题的求解进行详细介绍

步骤1：数字波束成形模块设计

仿真得到初始的超材料辐射单元的辐射振幅W_m,n、信道矩阵F_l，为了使所有用户总数据速率达到最大值，数字波束成形方案可以表示为：

其中，P＝diag{p₁，p₂,…,p_L}是一个对角矩阵，最优的μ_l为Q^H(QQ^H)^-1的第l个对角元素，ν为满足等式

步骤2：基于RHS的全息波束成形方案设计

利用分支定界法确定每个辐射单元的最优离散幅度值，令 s_m,n∈{0,1，2，…，2^I-2，2^I-1}，则通过优化整数s_m，n的值即可确定最优的全息波束成形方案，具体包括：

(1)首先求得无整数约束约束下的最优s_m，n值和总数据速率和上限

通过引入辅助变量γ_l，δ_l可以将用户速率最大化问题改写成：

其中，

定义为关于下标m，n下标做向量化得到的MN维列向量，则的线性近似可以表示成这里η_l为矩阵Re(b_l)[Re(b_l)[^T+Im(b_l)[Im(b_l)[^T的最大特征值，为对应于η_l的特征向量的第(m-1)N+n个分量。

通过可以得到最优的γ_l，δ_l，具体表达如下：

根据求得的利用MATLAB中的二次规划算法即可求解出最优的 s_m，n值和相应的最大总数据速率和记为Rmax，检验最优s_m，n值是否都为整数，若是，则结束全息波束成形的优化，反之则进行如下所述的分支定界法优化。

(2)分支定界法优化s_m,n

分支：任意选择一个非整数进行分支，记其值为构造两个约束条件：和其中代表不超过g_m,n的最大整数将这两个约束条件分别加入问题(*)，利用MATLAB 中的二次规划算法继续求解两个后继优化问题(*1)和(*2)相应最优的s_m,n值和相应的最大总数据速率和；

定界：以每个后继问题为一分支并标明求解的结果，与其他后继问题解的结果中，找出总数据速率最大者作为新的上界从已符合整数条件的分支中找出总数据速率最小者作为新的下界R。

比较与剪枝：各分支中的数据速率，若有小于R者则进行剪枝，后续不再考虑，若有大于R者，但不符合整数条件，则继续进行分支操作，一直到最后最大速率和等于R为止，对应的整数s_m,n即为所求。通过s_m,n可以获得W_m,n的值。

上述用户总传输速率最大化问题中用到的信道矩阵F即为基于本申请得到的信道矩阵。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。