一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法、系统及设备

本发明涉及无线通信，且特别是有关于一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法、系统及设备。

背景技术：

1、可重构智能表面（ris）是一种由大量低成本无源或近无源反射单元组成的新型无线通信辅助结构。通过对各反射单元的相位进行可编程调控，可重构智能表面能够改变无线传播环境，增强期望信号传播路径，并改善通信系统的覆盖能力和传输性能。在宽带正交频分复用系统（ofdm）中，可重构智能表面可以结合多个子载波共同工作，从而为宽带通信链路提供附加阵列增益和空间调控能力。

2、在可重构智能表面通信系统中，基站与用户之间不存在强直射通信链路，有效传输依赖可重构智能表面的反射链路，其整体等效信道表现为基站至可重构智能表面的信道与可重构智能表面至用户的信道级联而成的级联信道。因此，可重构智能表面通信系统需要获取级联信道状态信息以实现可靠传输与相移调控。在宽带正交频分复用系统中，子载波数量较多，且可重构智能表面反射单元数量较大，各用户在不同子载波上的级联信道均需要进行描述和反馈，这会带来较大的反馈开销。

3、现有的级联信道状态信息（csi）反馈方法通常按照子载波独立反馈级联信道状态信息，即每个用户在每个子载波上分别反馈对应的信道支撑信息、尺度描述以及信道系数量化信息，在每个子载波上重复反馈相似甚至相同的级联信道状态信息，会造成固定反馈开销的重复消耗。在反馈预算受限的情况下，重复的支撑开销和尺度开销会占用较大比例的比特，使得真正用于复系数量化的有效比特数减少，从而降低级联信道的重构精度。级联信道重构误差会进一步影响可重构智能表面的相位配置效果。若反馈预算主要被固定开销占用，重构后的级联信道难以准确反映真实信道特征，基于该重构信道得到的反射相位配置也会偏离最优配置，最终导致系统可达速率下降。特别是在低反馈预算、多用户和多子载波场景下，该问题更加明显。

4、因此，亟需解决级联信道状态信息反馈开销大的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法、系统及设备，通过划分共享窗口，在共享窗口内复用支撑描述信息和尺度描述信息，减少逐子载波反馈过程中的重复固定开销，通过支撑信息和尺度信息的复用提高了有效系数量化比特数，在相同反馈预算下，复系数可以获得更高的量化精度，解决了级联信道状态信息反馈开销大的问题。

2、为达到上述目的，本发明技术方案是：

3、一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法，应用于可重构智能表面通信系统，包括以下步骤：

4、步骤s1，构建可重构智能表面通信系统模型，根据部署场景确定可重构智能表面通信系统模型中的系统参数；所述系统参数包括角域字典、用户数量、子载波数量；

5、步骤s2，将每个用户在各子载波上的级联信道映射到所述角域字典中，得到各子载波上的支撑集合；

6、步骤s3，基于各子载波上的支撑集合，进行共享窗口划分，得到完成共享窗口划分后的共享窗口长度，具体包括如下步骤：

7、步骤s31，基于各子载波上的支撑集合，筛选得到各子载波上的主导角域支撑集合；

8、步骤s32，针对同一用户，根据相邻子载波之间的主导角域支撑集合计算角域支撑相似度；

9、步骤s33，根据所述角域支撑相似度、共享窗口长度约束，对相邻子载波进行共享窗口划分，得到完成共享窗口划分后的共享窗口长度；

10、步骤s4，在完成共享窗口划分后，将每个用户在每个子载波上的反馈预算分解为支撑描述开销、尺度描述开销和系数量化开销；

11、步骤s5，在每个共享窗口内，对支撑描述信息和尺度描述信息进行一次性反馈，将其复用于所述共享窗口内的多个子载波。

12、进一步地，在步骤s2中，将各用户在各子载波上的级联信道映射到角域字典中，表示为：

13、

14、其中，表示用户k在第n个子载波上的级联信道，a表示角域字典，表示用户k在第n个子载波上的角域稀疏系数向量；

15、所述支撑集合表示为：

16、

17、其中，为用户k在第n个子载波上的支撑集合。

18、进一步地，在步骤s3中，所述角域支撑相似度表示为：

19、

20、其中，表示用户k在相邻的第n个子载波和第个子载波之间的角域支撑相似度，和分别表示用户k在第n个子载波、第个子载波上的主导角域支撑集合。

21、进一步地，在步骤s3中，共享窗口的划分方法为：在当前共享窗口内的平均支撑相似度大于等于预设的支撑相似度阈值且共享窗口长度小于最大共享窗口长度时，继续向后扩展当前共享窗口；当两个条件不同时满足时，即当平均支撑相似度小于所述支撑相似度阈值、共享窗口长度大于等于最大共享窗口长度时，停止扩展并确定当前共享窗口，将当前的共享窗口确定为一个共享窗口；从下一个未分组子载波开始重复上述过程，直至所有子载波均完成分组；

22、所述共享窗口长度约束是指给自适应划分的子载波共享窗口设置上下边界限制，包含最小共享窗口长度和最大共享窗口长度，在扩展窗口、判断是否继续加入相邻子载波时，共享窗口长度满足：

23、

24、式中，为共享窗口长度，为最小共享窗口长度，为最大共享窗口长度。

25、进一步地，所述一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法，还包括：

26、步骤s6，根据所述完成共享窗口划分后的共享窗口长度、支撑描述开销和尺度描述开销，计算开销分摊后的有效系数量化比特数；

27、步骤s7，利用所述有效系数量化比特数，对所述角域支撑描述信息中的复系数进行量化，根据量化结果重构各子载波上的级联信道；

28、步骤s8，基于重构后的级联信道进行可重构智能表面相位配置，得到可重构智能表面相位向量，将所述可重构智能表面相位向量用于宽带正交频分复用系统的数据传输。

29、进一步地，所述反馈预算满足：

30、

31、其中，表示用户k表示尺度描述开销在第n个子载波上的反馈预算，表示支撑描述开销，表示尺度描述开销，表示用于复系数量化的系数量化开销。

32、进一步地，所述尺度描述信息为共享窗口内的共享动态范围尺度，表示为：

33、

34、其中，表示用户k在第g个共享窗口中的共享动态范围尺度，表示用户k在第n个子载波上第个支撑位置对应的复系数，和分别表示取实部和取虚部运算。

35、本发明在共享窗口划分前引入角域支撑相似度计算，利用同一用户在相邻子载波上的角域支撑近似一致性，根据所述角域支撑相似度、支撑相似度阈值、共享窗口长度约束，对相邻子载波进行共享窗口划分，在共享窗口内复用支撑描述信息，避免了对相似支撑信息的重复反馈，能够有效降低多子载波级联信道状态信息反馈过程中的固定开销；在共享窗口内进一步复用动态范围尺度描述信息，使尺度信息不再需要在每个子载波上独立反馈。通过对支撑描述开销和尺度描述开销进行联合摊销，本发明能够在相同的每用户每子载波反馈预算下，为复系数量化保留更多有效比特，从而提高有限反馈资源的利用效率。

36、进一步地，所述有效系数量化比特数表示为：

37、

38、其中，表示用户k在第n个子载波上的有效系数量化比特数，b表示每用户子载波的反馈预算，表示尺度描述信息所占用的比特数，表示完成共享窗口划分的共享窗口长度。本发明根据共享窗口长度、支撑描述开销和尺度描述开销，计算开销分摊后的有效系数量化比特数，能够清楚刻画固定开销复用与系数量化精度之间的关系，使反馈资源分配过程更加明确，并为不同反馈预算和不同共享窗口长度下的系统设计提供依据。

39、进一步地，获得开销分摊后的有效系数量化比特数后，对共享支撑集上的复系数进行量化，所述支撑位置上的复系数分解为实部和虚部，表示为：

40、

41、其中，表示取实部运算，表示取虚部运算，表示用户k在第n个子载波上第个支撑位置对应的复系数。

42、一种开销分摊的级联信道状态信息反馈系统，包括：

43、系统模型构建模块，构建可重构智能表面通信系统模型，确定系统参数；

44、角域稀疏表示模块，将各用户在各子载波上的级联信道映射到角域字典中，得到各子载波上的支撑集合；

45、共享窗口划分模块，基于各子载波上的支撑集合，筛选得到各子载波上的主导角域支撑集合；针对同一用户，根据相邻子载波之间的主导角域支撑集合计算角域支撑相似度，根据所述角域支撑相似度、共享窗口长度约束，对相邻子载波进行共享窗口划分，在每个共享窗口内确定该用户的共享支撑集合，得到完成共享窗口划分后的共享窗口长度；

46、反馈预算分解模块，在完成共享窗口划分后，将每个用户在每个子载波上的反馈预算分解为支撑描述开销、尺度描述开销和系数量化开销；

47、支撑与尺度共享模块，在每个共享窗口内，对支撑描述信息和尺度描述信息进行一次性反馈，将其复用于所述共享窗口内的多个子载波。

48、进一步地，所述一种开销分摊的级联信道状态信息反馈系统，还包括：

49、有效比特计算模块，根据所述完成共享窗口划分后的共享窗口长度、支撑描述开销和尺度描述开销，计算开销分摊后的有效系数量化比特数；

50、系数量化与信道重构模块，利用所述有效系数量化比特数，对所述角域支撑描述信息中的复系数进行量化，根据量化结果重构各子载波上的级联信道；

51、相位配置模块，基于重构后的级联信道进行可重构智能表面相位配置，得到可重构智能表面相位向量，将所述可重构智能表面相位向量用于宽带正交频分复用系统的数据传输。

52、一种通信设备，包括控制器、存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述控制器执行时，实现如上述任意一项所述的一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法。

53、进一步地，所述控制器采用如上述任意一项所述的一种开销分摊的级联信道状态信息反馈系统。

54、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被控制器执行时，实现上述任意一项所述的一种开销分摊的级联信道状态信息反馈方法。

55、有益效果，本发明通过划分共享窗口，在共享窗口内复用支撑描述信息和尺度描述信息，减少逐子载波反馈过程中的重复固定开销，通过支撑信息和尺度信息的复用提高了有效系数量化比特数，在相同反馈预算下，复系数可以获得更高的量化精度。本发明适用于多用户宽带通信场景，在用户数量增加或总反馈预算受限时，通过共享窗口内的开销分摊机制，能够缓解多用户场景下的反馈资源压力，提高系统在有限反馈条件下的扩展性。

56、为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。