一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法技术

一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法，属于无线定位技术领域。首先利用角度估计得到估计的角度信息，并由BS侧收集汇总；接着通过估计的角度信息和路径衰落信息从两个RIS中选择一个合适的RIS用于辅助定位，并设计该RIS的相移，然后由UE发送的定位参考信号经过直射路径和反射路径到达BS，BS通过求解两条路径的互相关函数得到路径时延差，进而估计出UE位置；其中，直射路径代表UE到BS路径，反射路径代表UE到RIS路径加RIS到BS路径。所述方法利用RIS辅助定位，仅需一个基站即可完成对用户设备的定位；对UE天线配置和软硬件水平要求极低，仅增加了极少的计算复杂度，有效消除了小区的定位“盲区”。

【技术实现步骤摘要】
一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法
本专利技术涉及一种毫米波单基站定位方法，特别涉及一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法，属于无线定位

技术介绍
随着无线通信网的普及和移动通信设备配置的不断升级，定位、追踪和导航技术引起了越来越多研究人员和工程师的关注，尤其是蜂窝网络的运营商。这是由于现代移动通信对网络规划和优化的需求越来越高，例如识别交通热点区域(即高峰时段网络容量不足的拥挤区域)和覆盖条件差的区域，分析用户呼叫失败或掉线的根本原因等，都对确保不间断服务，从不良网络状况中快速恢复以及最终改善最终用户体验至关重要。此外，位置信息还可用于优化小型和宏蜂窝部署。结合用户移动性分类(例如静态、步行、高速公路、铁路等)，运营商可以通过负载平衡、传输调度等方式提高网络效率。第五代移动通信(The5thGeneration,5G)对定位的精度提出了更高的要求，而毫米波和大规模天线技术则为精确定位提供了基础和条件。毫米波波段中的大带宽带来了高时间分辨率，而能产生极窄波束的大型天线阵列则在角域中提供了高空间分辨率。传统的定位技术主要包括三边测量定位、三角测量定位和指纹识别定位。在这些技术中，通常都需要两个或两个以上的基站来辅助定位。可重构智能表面(ReconfigurableIntelligentSurface,RIS)的概念在2017年被提出并逐渐引起了通信界的重视。RIS是由集成电路组成的超表面，可以对其进行编程以改变传入的电磁场。理想情况下，RIS可以通过调节反射元素的相移，无源地放大和定向反射信号，并且不引入额外的噪声。除了克服非视距(NotLineofSight,NLoS)场景、消除局部信号盲区和进行节能设计外，RIS最有前景的应用之一就是定位。在RIS辅助定位的情况下只需要一个基站(BaseStation,BS)即可完成对用户设备(UserEquipment,UE)的定位，同时复杂的计算和分析功能在基站侧完成，对UE的天线配置和软硬件水平要求极低，因此可以用于定位非协作设备或轻型移动设备，例如物联网设备等。现有对RIS辅助定位方法的研究多为对性能界的理论分析，未提出具体的定位算法，且研究针对的方法为单个RIS辅助定位。单个RIS辅助定位的存在的问题主要包括：1)当UE位于BS和RIS连线上或连线附近时，直射路径和反射路径间的夹角很小，BS接收波束很难区分两条路径的信号，并且较小的时延估计误差会导致较大的定位误差；2)在毫米波系统中，信号强度随路径增长衰减较快，当UE的位置远离RIS时反射路径损耗很大，从而会降低定位精度，其中第一个问题所造成的定位误差更大更集中。本专利技术的目的旨在克服传统定位方法需要多个基站才能实现定位的局限性，同时解决上述单RIS辅助定位存在定位误差较大及存在定位盲点的问题，在几乎不增加计算复杂度的前提下，提升整个小区内的用户定位精度，提出了一种双RIS辅助的毫米波单基站定位方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有定位方法需要多个基站才能实现定位的局限性以及单RIS辅助的定位方法所存在的UE位于BS和RIS连线上或连线附近时BS波束较难区分直射与反射路径，UE距离RIS较远时反射路径信号强度较弱的问题，提出了一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法，首先通过估计的角度信息和路径衰落信息从两个RIS中选择一个合适的RIS用于辅助定位，并设计该RIS元素的相移，然后由UE发送的定位参考信号(PositioningReferenceSignal,PRS)经过直射路径和反射路径到达BS，BS通过求解两条路径的互相关函数得到路径时延差，进而估计出UE位置。所述定位方法依托的场景为边长为L的二维正方形小区，小区内包含一个随机分布于小区内的单天线UE，为发送端，一个天线数目为N的BS，为接收端，以及两个对称放置于BS两侧的元素数目为M的RIS1和RIS2；UE，BS和RISid(id＝1,2)的坐标位置分别表示为u＝(ux,uy),b＝(bx,by)和sid＝(sx,id,sy,id)；以下无特殊说明时，直射路径代表UE到BS路径，反射路径代表UE到RIS路径加RIS到BS路径；所述定位方法，包括如下步骤：步骤1：利用角度估计算法得到估计的角度信息，并由BS侧收集汇总；其中，估计的角度信息为各个路径角度信息的估计值，具体包括各路径的到达角与离开角；步骤2：计算RIS1和RIS2对应的互相关函数峰值相对强度并选择辅助定位的RIS，具体为：若RIS1对应的互相关函数峰值相对强度大于RIS2，则选择RIS1作为辅助定位的RIS；否则，选择RIS2作为辅助定位的RIS；步骤3：BS基于反射路径信道增益最大化原则确定所选择RIS的M个元素的相移；其中，所选择RIS的M个元素的相移，即为反射路径信道增益最大化原则确定的最优解；步骤4：BS通过相连的控制器，将步骤3确定的相移传达给RIS并经RIS调整M个元素的相移；步骤5：UE发送持续时间为t0，具有伪随机性的PRSx，并分别经过直射路径和反射路径到达BS，到达信号y(t)＝yd(t)+yr(t)；其中，yd(t)为经过直射路径到达的信号，yr(t)为经过反射路径到达的信号；步骤6：BS接收机设计结合矩阵，并对到达的信号经结合矩阵加权，得到加权后信号；其中，加权后信号包括加权后的直射路径以及反射路径的信号，具体为：步骤6.1基于最大化BS接收信号功率的原则设计结合矩阵其中，w1等于直射路径的到达角的估计值对应的天线转向矢量的共轭转置，对应直射路径；w2等于反射路径的BS端到达角的估计值对应的天线转向矢量的共轭转置，对应反射路径；步骤6.2将结合矩阵W乘以接收信号y(t)，分别得到对应于直射路径的信号y1(t)和对应于反射路径的信号y2(t)；步骤7：计算步骤6加权后信号的互相换函数，并且据此估计直射路径和反射路径的时延差，具体过程为：步骤7.1计算y1(t)和y2(t)的互相关函数R21(τ)；步骤7.2利用互相关函数R21(τ)估计直射路径和反射路径的时延差，将互相关函数除0时刻外的最大值对应的时间值作为时延差的估计值；步骤8：基于正弦定律，利用步骤1估计的角度信息和步骤7估计的路径时延差，计算得到UE位置坐标的估计值；至此，经过步骤1到步骤8，实现了双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法。有益效果本专利技术提出的一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法，与现有定位技术相比，具有如下有益效果：1.本方法利用RIS辅助定位，通过估计直射路径和经RIS反射路径的时延差实现定位，仅需要一个基站即可完成对用户设备的定位；2.本方法中RIS的选择和相位设计，直射路径和反射路径互相关函数的求解与分析均在基站侧完成，对UE的天线配置和软硬件水平要求极低，因此可以用于定位非协作设备或轻型移动设备，例如物联网设备等；3.本方法利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法，其特征在于：所述方法依托的场景为边长为L的二维正方形小区，小区内包含一个随机分布于小区内的单天线UE，为发送端，一个天线数目为N的BS，为接收端，以及两个对称放置于BS两侧的元素数目为M的RIS

【技术特征摘要】
1.一种双可重构智能表面辅助的毫米波单基站定位方法，其特征在于：所述方法依托的场景为边长为L的二维正方形小区，小区内包含一个随机分布于小区内的单天线UE，为发送端，一个天线数目为N的BS，为接收端，以及两个对称放置于BS两侧的元素数目为M的RIS1和RIS2；UE，BS和RISid(id＝1,2)的坐标位置分别表示为u＝(ux,uy),b＝(bx,by)和sid＝(sx,id,sy,id)；
以下无特殊说明时，直射路径代表UE到BS路径，反射路径代表UE到RIS路径加RIS到BS路径；
所述定位方法，包括如下步骤：
步骤1：利用角度估计算法得到估计的角度信息，并由BS侧收集汇总；
步骤2：计算RIS1和RIS2对应的互相关函数峰值相对强度并选择辅助定位的RIS；
步骤3：BS基于反射路径信道增益最大化原则确定所选择RIS的M个元素的相移；
步骤4：BS通过相连的控制器，将步骤3确定的相移传达给RIS并经RIS调整M个元素的相移；
步骤5：UE发送持续时间为t0，具有伪随机性的PRSx，并分别经过直射路径和反射路径到达BS，到达信号y(t)＝yd(t)+yr(t)；
其中，yd(t)为经过直射路径到达的信号，yr(t)为经过反射路径到达的信号；
步骤6：BS接收机设计结合矩阵，并对到达的信号经结合矩阵加权，得到加权后信号；
其中，加权后信号包括加权后的直射路径以及反射路径的信号；
步骤7：计算步骤6加权后信号的互相换函数，并且据此估计直射路径和反射路径的时延差，具体过程为：
步骤7.1计算加权后的直射路径以及反...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑重，张竞文，费泽松，赵涵昱，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11