可重构智能表面中低复杂度毫米波信道估计算法.docx

1. 引 言

大规模 MIMO 和毫米波通信技术作为第 5 代(Fifth Generation, 5G)移动通信中的关键

技术，引起了学术界和工业界的广泛关注，然而在实际应用中，高复杂度、高能耗、高硬

件开销以及毫米波绕射能力差等问题仍亟需解决

[1,2]

。为了降低无线通信网络的能耗并且提

高通信质量，可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)作为极具前途的辅助技

术引入到无线通信系统中，使传输环境变得可控，有效地提升了频谱效率和能量效率，且

RIS 的部署具有较高的灵活性和兼容性

[3]

，被认为是第 6 代(Sixth Generation, 6G)移动通信

[11]

为实现 RIS 辅助无线通信系统的最佳性能增益，需要多种高效技术配合，如联合主被

动波束赋形、高效资源分配

[12]

等，而这些技术依赖精确的信道状态信息(Channel State

Information, CSI)

[13]

。由于无线通信系统中引入的 RIS 包含大量反射元素，导致该场景下的

信道估计复杂度大幅度提高，这为该场景下的信道估计带来了很大的挑战。如何分离估计

用户(User Equipment, UE)到 RIS 和 RIS 到基站(Base Station, BS)的信道矩阵也是目前研究

的难点。考虑到在实际场景中 BS 和 RIS 是固定的，所以信道矩阵无需频繁估计，而 UE

具有移动性，需要频繁估计，因此分离获取信道更符合现实需求，以减少不必要的信道估

仍然无法分离估计信道。文献[16]采用一种双链路导频传输方案分离估计信道，该方案虽

然节省了导频开销，但该方案的计算复杂度仍然很高。文献[17]采用一种新的锚助式信道

估计方案，将部分用户假设为锚点先得到 BS 到 RIS 的信道估计值，再得到级联信道估

计，该方案能够有效地降低导频开销，但同样无法完全分离估计信道。文献[18]将平行因

子张量分解用于分离估计信道矩阵，使用双线性交替最小二乘法对单个信道估计进行迭代

细化，但该方案没有考虑毫米波系统中的信道稀疏性，需要大量的训练开销。文献[19]利

用信道稀疏性，将信道估计问题转变为一个基于矩阵校准的稀疏矩阵分解问题，提出一种

基于消息传递的算法来分离估计信道获得了良好的性能，但频繁的节点更新带来较高的复

杂度。文献[20]提出将 RIS 连接“L”型 RF 链辅助信道估计，并使用求根多重信号分类

(Root-MUltiple SIgnal Classification, Root-MUSIC)算法和最大似然(Maximum Likelihood,

通信场景中的信道估计复杂度。区别于文献[23]中用于室内毫米波信道估计的 2D-FFT 算

法，本文考虑在所提场景下对信号补 0 以进一步提升角度估计精度。此外，所提方案可以

分离估计 UE 到 RIS 和 RIS 到 BS 的信道矩阵，以便提升用户移动性场景下信道估计的灵

活性。本文考虑多用户上行链路，将 RIS 的部分元素连接“L”型 RF 链，通过使用 2D-FFT

算法对补 0 后的信号进行角度估计，并通过所得空间谱获得路径增益估计从而最终得到信

道估计值。仿真结果验证了本文所提方案具有良好的信道估计性能，且分析得知多重信号

分类(MUltiple SIgnal Classification, MUSIC)信道估计算法用于分离估计信道时相比于所提

算法具有微弱性能优势，却需付出极大的计算复杂度代价。Root-MUSIC 信道估计算法复

杂度同样远高于本文所提算法，且性能不具有优势，基于子空间的信道估计算法不仅复杂

度高于所提算法，且无法在仅连接部分 RF 链的情况下完成分离估计信道的任务，因此所

不具有信号处理能力，所以难以分开估计基站/用户和 RIS 之间的信道，本文考虑在 RIS 上

连接一条 L 型的 RF 链，且 UE 到 BS 的直达路径被障碍物阻断，仅通过 RIS 辅助完成通信

的场景。

图 1 RIS 辅助无线通信系统

针对一般性的 RIS 辅助的上行通信系统，第 kk 个用户的信号经 RIS 反射到 BS 的接

收信号\boldsymbolYk\boldsymbolYk 可表示为

号，TT 为导频长度，导频信号满足正交条件

\boldsymbolΓk\boldsymbolΓHk=IM\boldsymbolΓk\boldsymbolΓkH=IM。

\boldsymbolNk\boldsymbolNk 指均值为 0 方差为 σ2kσk2 的复高斯白噪声，表示为

\boldsymbolNk∼CN(0,σ2k)\boldsymbolNk∼CN(0,σk2)。

由于部分 RF 链的引入，本文将信道估计分为两部分，一部分为 UE 到 RIS 的信道估

计，另一部分为 RIS 到 BS 的信道估计。由于不同 UE 的导频相互正交，本文不失一般性

地考虑其中第 kk 个 UE 进行讨论。第 kk 个 UE 到 RIS 和 RIS 到 BS 的信道矩阵可分别建

模为