CN114025425A - 一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，首先，在感知定位子帧中利用智能超表面灵活调控电磁波的能力，对由用户终端UE入射至智能超表面的用于定位的单音信号进行空时调制和反射，由接入点AP接收智能超表面的反射信号并根据其频域各阶谐波分量求解出UE至智能超表面的信道信息和到达角，进而估计出UE的位置；接着，在无线通信子帧中根据估计出的信道信息和UE位置，确定并实施智能超表面的反射系数矩阵，用于实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量。本发明在支持高精度感知定位的同时，提高了无线通信链路的性能，从而实现了无线通信与感知定位的一体化融合。

Description

一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法

技术领域

本发明涉及无线通信与定位领域，更具体地，涉及一种智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)辅助的无线通信与感知定位一体化方法。

背景技术

随着移动通信系统的演进与升级，其空口传输性能与覆盖范围不断升级，然而单一的无线信息传输功能不可避免地面临发展瓶颈。未来移动通信系统正朝着更加智能化和软件化的方向发展，有望通过融合环境感知技术、用户定位功能和智能无线环境新范式，来进一步拓展其网络能力和应用场景。

近年来，智能超表面作为面向6G的技术引起了移动通信领域的极大关注，因为其能够通过自身的电磁单元直接控制自由空间中的电磁波，而无需复杂的基带处理单元和射频链路，这给无线通信带来了新的范式转变。同时，智能超表面可以通过其大量的低成本电磁单元智能调控无线信号的反射特性，改变无线传播环境的配置；在无线信道上部署智能超表面用来辅助无线通信，将有助于提高移动通信系统的传输速率、覆盖范围和能量效率。

图1给出了一个智能超表面辅助的通信系统中信号传播的场景：接入点(AccessPoint,AP)与用户终端(User Equipment,UE)的视距链路被障碍物隔断，其发射的下行信号通过部署在墙壁上的智能超表面到达UE，UE上行的信号也可通过智能超表面反射后到达AP，无线通信系统的性能可以通过优化智能超表面上的反射系数来提高。但是，智能超表面辅助的无线通信系统的应用还存在着诸多挑战，需要寻求一种方法获得用户准确的位置信息进而辅助智能超表面反射系数的优化，以提高该无线通信系统的性能，实现智能超表面辅助的无线通信与感知定位的一体化融合。

随着移动通信系统的演进与升级，其空口传输性能与覆盖范围不断升级，然而单一的无线信息传输功能不可避免地面临发展瓶颈。未来移动通信系统正朝着更加智能化和软件化的方向发展，有望通过融合环境感知技术、用户定位功能和智能无线环境新范式，来进一步拓展其网络能力和应用场景。

近年来，智能超表面作为面向6G的技术引起了移动通信领域的极大关注，因为其能够通过自身的电磁单元直接控制自由空间中的电磁波，而无需复杂的基带处理单元和射频链路，给无线通信带来了新的范式转变。同时，智能超表面可以通过其大量的低成本电磁单元智能调控无线信号的反射特性，改变无线传播环境的配置；在无线信道上部署智能超表面用来辅助无线通信，将有助于提高移动通信系统的传输速率、覆盖范围和能量效率。

然而，智能超表面辅助的无线通信系统的应用还存在着诸多挑战，需要寻求一种方法获得用户准确的位置信息进而辅助智能超表面反射系数的优化，以提高该无线通信系统的性能，实现智能超表面辅助的无线通信与感知定位的一体化融合。

发明内容

技术问题：针对现有室内定位系统精度较低，定位算法较复杂以及智能超表面只能被动反射无法直接感知无线信号的硬件特点，本发明的目的在于提供一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，在智能超表面辅助的无线通信系统中，利用智能超表面的空时调制能力，实现高效的信道估计以及用户感知定位功能，并优化智能超表面的反射系数矩阵来提高通信链路质量。

技术方案：本发明提供一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，基于智能超表面实现对用户终端UE的感知定位与用户终端-智能超表面-接入点UE-RIS-AP的无线通信；采用该方法工作的系统的帧结构由感知定位子帧与无线通信子帧组成；在感知定位子帧中，利用智能超表面对由UE入射的用于定位的单音信号进行空时调制和反射，由接入点AP接收反射信号求解出UE至智能超表面的信道信息和到达角，进而估计出UE的位置；接着，在无线通信子帧中，根据已知信息计算出合适的智能超表面的反射系数矩阵并实施，实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量，具体步骤如下：

步骤1：在感知定位子帧中，利用智能超表面的空时调制能力，AP估计出UE与智能超表面之间的信道，在此基础上求解出UE至智能超表面到达角的估计值，进而估计出UE的位置；

步骤2：在无线通信子帧中，AP根据估计出的UE与智能超表面之间的信道

和AP与智能超表面之间的静态已知信道向量h确定智能超表面的反射系数矩阵，用于增强UE-RIS-AP的无线通信链路质量；

步骤3：在无线通信子帧中，智能超表面执行上述反射系数矩阵，实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量。

其中，

所述步骤1中利用智能超表面的空时调制能力，AP估计出UE与智能超表面之间的信道具体为：智能超表面对入射的单音信号进行空时调制并将调制后的无线信号反射给AP；AP根据接收到的无线信号的频域信息估计出UE与智能超表面之间的估计信道

所述智能超表面共有N行M列电磁单元，每个电磁单元对入射的电磁波的反射系数是可调的；所述单音信号是由UE发射的用于定位的单音信号并以设定的到达角，包括俯仰角和方位角入射至智能超表面；所述空时调制包含时间调制和空间调制两层含义，其中时间调制是指每一个智能超表面的电磁单元的反射系数都被周期性的时间序列所调制，使智能超表面产生一系列的谐波信号，空间调制是指在二维空间上的排布的电磁单元的反射系数经过了反射系数矩阵的调制，使智能超表面调控其反射信号的波束方向；其中第n行第m列的电磁单元U_n,m的反射系数Γ_n,m具体通过如下公式确定：

其中

为矩形窗采样函数，

为可自由设计的已知时间序列的第q个元素，Q为序列的元素总个数，T_s为序列的时间长度，每个元素持续时间为

所述AP接收到的无线信号y具体通过如下公式确定：

其中，

为AP与智能超表面之间的静态已知信道向量，

为智能超表面各电磁单元反射系数组成的对角阵，

为UE单天线与智能超表面之间的信道向量，p为UE发射信号的功率，w为AP的接收机噪声。

所述AP根据接收到的无线信号的频域信息得到的UE与智能超表面之间的估计信道

具体通过如下公式确定：

其中，

是选取AP接收信号的NM个谐波分量组成的观测向量，

为选取AP接收信号的第k个谐波分量，该谐波为l_k阶谐波；

为可自由设计的已知矩阵，其中，

为AP与智能超表面之间的静态已知信道向量，矩阵A_l的定义为

且A_l中元素

为电磁单元U_n,m的反射系数Γ_n,m(t)的l阶谐波分量；

为AP的接收噪声向量，其中W_l为AP在l阶谐波上的接收噪声，p为UE发射信号的功率。

所述步骤1中求解出UE至智能超表面到达角的估计值具体如下：

其中，F_RIS(θ,φ)是由UE与智能超表面之间的估计信道

通过离散傅里叶变换得到的关于UE至智能超表面的俯仰角θ与方位角φ的空域采样数据，两个方向上的空域采样数据最大处对应的角度分别为UE至智能超表面的俯仰角估计值

和方位角估计值

F(θ,φ)是电磁单元的散射信号方向图；

为

中第(u-1)M+v个元素(

为UE单天线与智能超表面之间的信道向量，

是g的估计值，所以

为

中第(u-1)M+v个元素，其中u＝1,2,…,N；v＝1,2,…,M)；

为波数，其中f_c为UE发射的单音信号的频率；d_c，d_r分别是相邻电磁单元的列间距和行间距。

所述步骤1中估计出UE的位置具体步骤如下：

根据两块智能超表面已知的位置以及发射端至对应智能超表面的到达角组成方程组，通过投影法以及三角定位法，估计出UE的位置

具体通过如下公式确定：

其中，坐标系的原点是两块智能超表面的中间位置，两块智能超表面中心点连线所在的直线为x轴，两块智能超表面的阵面与地面垂直，其所在的平面为xOz二维平面，D是两块智能超表面之间的距离，

和

分别是计算出的UE至两块智能超表面到达角的估计值。

所述步骤2中根据估计出的UE与智能超表面之间的信道

和AP与智能超表面之间的静态已知信道向量h确定智能超表面的反射系数矩阵如下，

具体通过如下公式确定：

其中，智能超表面各电磁单元U_n,m的反射系数

对应相应的控制信号，通过改变智能超表面各个电磁单元的控制信号来实施智能超表面所需的反射系数矩阵，从而调控其反射信号的波束方向，达到将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量的目的。

需要说明的是，这里可选的示例中都是按照UE发射无线信号，经智能超表面反射后，由AP接收的上行通信情况进行介绍的，但本发明所提供的方法还可适用于AP发射无线信号经智能超表面反射后由UE接收的下行通信情况，具体的实施方法类似，以下实施例中将不再做特别说明。

有益效果：总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位方法，利用智能超表面灵活操控电磁波的能力，对由UE入射至智能超表面的用于定位的单音信号进行空时调制和反射，由AP接收该无线信号并根据其频域各阶谐波携带的信息估计出UE与智能超表面之间的信道，在此基础上求解出UE至智能超表面到达角的估计值，进而估计出UE的位置实现对UE的感知定位；进一步地，根据估计出的UE与智能超表面之间的信道信息和AP与智能超表面之间已知的信道信息，按照本发明提供的智能超表面反射系数矩阵的确定方法，计算出能够提高AP与UE之间通信链路质量的智能超表面反射系数矩阵；最后智能超表面按照所求的反射系数矩阵部署各个电磁单元的反射系数实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处。并且，该方法不限于某一频带，适用范围广。因此本发明提供的技术方案在本发明在支持高精度感知定位的同时，提高了无线通信链路的性能，从而实现了无线通信与感知定位的一体化融合。

附图说明

图1是本发明实施例中一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位方法的应用场景示意图；

图2是本发明实施例中一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位方法的二维实施环境示意图；

图3是本发明实施例中一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位方法的步骤流程图；

图4是本发明实施例中系统工作的无线帧结构；

图5是本发明实施例中所使用的智能超表面的结构图；

图6是本发明实施例中智能超表面对入射电磁信号进行空时调制的示意图；

图7是本发明实施例中系统感知定位时的测试场地坐标系图；

图8是本发明实施例中系统感知定位时的实地测试结果图；

图9是本发明实施例中系统无线通信时智能超表面执行不同反射系数矩阵的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。

针对现有室内定位系统精度较低，定位算法较复杂以及智能超表面只能被动反射无法直接感知无线信号的硬件特点，本申请提出了一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，在智能超表面辅助的无线通信系统中，利用智能超表面的空时调制能力，实现高效的信道估计以及用户感知定位功能，并优化智能超表面的反射系数矩阵来提高通信链路质量。

其中，智能超表面由具有电磁特性的二维人工亚波长单元结构排列而成，其电磁特性由构成材料的本征特性及其中的人工单元微结构和可调单元共同决定，可以广泛应用于从微波到可见光的电磁频段。每个电磁单元的反射系数可以通过施加在其上的控制电压来调节，因此整个智能超表面的反射系数是可以编程控制的。

首先对本申请适用的应用场景进行介绍，本申请的方案针对智能超表面辅助的无线通信与感知定位。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法的应用场景示意图，如图1所示，该系统包括接入点AP、智能超表面RIS1、RIS2以及用户终端UE；在该应用场景下，AP与UE之间的视距链路被障碍物隔断，AP发射的下行信号通过部署在墙壁上的智能超表面反射后到达UE，UE发射的上行信号也可通过智能超表面反射后到达AP，其中上行链路中UE入射至对应智能超表面的到达角(包括俯仰角θ₁,θ₂和方位角φ₁,φ₂)已在图中标出。

下面介绍本实施方式一个具体的实施环境，请参考图2，图2是本发明实施例中一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法的二维实施环境示意图，该实施环境包括AP、RIS1、RIS2和UE，所用的两块RIS具有相同的设计，均为列控式结构，相当于两个具有可调被动反射功能的一维RIS，在该实施环境中，UE的发射天线、两块RIS的中心点以及AP的两根接收天线均处于同一高度(z＝0)，所以可在如图2所示的xOy二维坐标系内对系统进行相应的分析，此时UE入射至RIS的到达角中的方位角φ₁,φ₂只有两种可能分别为

或

俯仰角θ₁,θ₂可自由改变；但因为仅需在xOy二维坐标系内对系统进行相应的分析，并考虑到公式中涉及到方位角φ的计算sinφ≡0,cosφ＝±1仅有一个符号的差异，且又注意到公式中的cosφ与sinθ都是以cosφ·sinθ形式出现，所以可将方位角φ₁,φ₂视为固定的

剩下符号差异可通过规定俯仰角θ₁,θ₂的正方向来体现，这样规定后，在此实施环境中的到达角也仅指俯仰角。在本实施方式中，规定在xOy二维坐标系内从y轴左边入射的无线信号与RIS的俯仰角θ为正方向(此时方位角

)。同时，在该实施环境中，两块RIS的阵面与地面垂直，其中心法线分别通过视距路径直接指向AP的两根接收天线，且两根接收天线均在RIS的远场范围(目的是为了使得RIS1的各电磁单元至接收天线1的信道近似一样，从而方便地得到RIS1与AP的接收天线1之间的信道向量h₁，对于RIS2和接收天线2也是出于同样的考虑和原因)。AP通过两根接收天线分别接收来自两块RIS的无线信号，同时还通过RIS控制链路实现对RIS各电磁单元反射系数的调控，UE以到达角θ₁,θ₂分别向两块RIS发射单音信号，通过RIS反射后到达AP处，AP通过接收信号估计出UE与两块RIS之间的信道g₁,g₂，再计算出到达角的估计值，接着利用三角定位法，实现对UE的感知定位，然后再根据已知和估计出的信道信息，确定RIS反射系数矩阵

达到在视距链路受阻情况下提高AP与UE之间的通信链路质量的目的。

请参考图3，图3是本发明实施例中一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法的步骤流程图，本方法基于智能超表面实现了对UE的感知定位与UE-RIS-AP的无线通信，系统帧结构由感知定位子帧与无线通信子帧组成，如图4所示；首先在感知定位子帧中，利用智能超表面对由UE入射的用于定位的单音信号进行空时调制和反射，由AP接收反射信号求解出UE至智能超表面的信道信息和到达角，进而估计出UE的位置；接着，在无线通信子帧中，根据已知信息计算出智能超表面的反射系数矩阵并实施，实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量，具体步骤如图3所示，该方法的步骤包括：

步骤1：在感知定位子帧中，利用RIS的空时调制能力，AP估计出UE与RIS之间的信道g，在此基础上求解出UE至RIS的达到角的估计值，进而估计出UE的位置。

在本实施方式中，首先UE发射用于定位的单音信号并以一定的到达角入射至RIS，同时AP通过RIS控制链路实现RIS对入射无线信号的空时调制，接着RIS将调制后的无线信号反射给AP。

在本实施方式中，使用的RIS是工作在27GHz的列控结构如图5所示，共有20行48列电磁单元，每列可进行独立1比特反射相位调控。考虑到所用的27GHz RIS的单列宽度仅有0.126λ，且为了降低控制复杂度达到快速原型验证的目的，将每3列编为1个宏单元，即每个宏单元由20行3列电磁单元组成。如图6所示，每个宏单元包含的3列电磁单元被完全相同的编码序列控制，共计16列宏单元对UE入射的单音电磁信号进行空时调制，宏单元的理想的反射系数与编码的对应关系可通过如下公式确定：

其中，v∈[1,16]为宏单元的列索引，A为反射系数的幅度分量，两种编码状态对应的反射系数的相位分量分别为0°和180°。

在本实施方式中，AP接收到了RIS反射后的无线信号后，因为无线信号经RIS空时调制后其谐波分量承载着UE至RIS的到达角信息，经过计算可以得到这些到达角信息，具体通过如下方法确定：

在本实施方式中，智能超表面对入射的单音信号进行空时调制通过设计RIS每个电磁单元的反射系数Γ_m,n来实现，其中每个电磁单元的反射系数的设计如下所示

需要说明的是，这里由于将RIS的电磁单元分组为16列1行宏单元，为了表述简洁清晰，将反射系数符号由Γ_m,n简化为Γ_v(其他符号也作了类似的简化)。令

表示第v列宏单元的反射系数序列的第q个元素，如图6所示，将RIS的第1列宏单元的反射系数序列各元素设计为

其对应的反射系数时域序列可表示为

在本实施方式中，通过傅里叶变换得到第1列宏单元的反射系数时域序列的l阶谐波分量为

在本实施方式中，如图6所示将第1列宏单元的反射系数时域序列循环移位7(v-1)个元素，即得到所设计的第v列宏单元的反射系数时域序列。根据傅里叶变换的时移特性，第v列宏单元的反射系数时域序列的l阶谐波分量为

由此可以得到已知矩阵

用以构建可自由设计的已知矩阵U。

在本实施方式中，对于RIS与对应的接收天线之间的信道向量h，由于接收天线位于RIS正前方的视距路径上，且位于RIS的远场，因此h中的各元素近似相同，故将h表示为

其中，β为RIS各宏单元至正前方接收天线的自由空间信道，由于在本实施方式中，RIS和AP都固定不动，因此β可视为一个复常量。

在本实施方式中，AP接收到的无线信号具体通过如下公式确定：

其中，

为RIS各宏单元反射系数组成的对角阵，

为UE(单天线)与RIS之间的信道向量，p为UE发射信号的功率，w为AP的接收机噪声。

在本实施方式中，选取AP接收信号的-15阶至+15阶中的16次奇次谐波分量作为观测向量y，则根据

确定已知矩阵U为

在此基础上根据

得到观测向量y表示为

其中，

为AP的接收噪声向量，其中W_l为AP在l阶谐波上的接收噪声。

在本实施方式中，UE与RIS之间的信道的估计值

具体通过如下公式确定：

在本实施方式中，RIS的16列宏单元组成了一维线性阵列，同时又因为仅需在xOy二维坐标系内对估计的信道向量

做离散傅里叶变换，相应的方位角φ₁,φ₂视为固定的

此时得到的空域采样数据由F_RIS(θ,φ)退化为F_RIS(θ)，即

其中，F(θ)为宏单元的散射信号方向图，这里简单考虑取F(θ)＝cosθ，

为

中第v个元素，

为波数，其中f_c为UE发射的单音信号的频率，d分别是相邻宏单元中心的间距。

在本实施方式中，UE至每个RIS到达角的估计值

为对应的空域采样数据最大处对应的角度，即

根据上式可以分别估计出UE至两块RIS的到达角

和

在本实施方式中，计算得到UE至两块RIS到达角的估计值

和

后，同样因为在xOy二维坐标系内对系统进行分析，则根据三角定位法可以确定UE的坐标(x_UE,y_UE)，具体的公式如下：

其中，坐标系的原点是两块RIS的中间位置，两块RIS中心点连线所在的直线为x轴，如图7所示。

在一个对UE进行感知定位的具体实测示例中，UE的测试点位置如图7中42个圆点所示。同时具体的测试结果如图8所示，从图8中可以得出，本发明实施例中一种智能超表面辅助的感知定位的方法基本上实现了2.5×3m²的二维平面内的厘米级定位。

步骤2：在无线通信子帧中，AP根据估计出的UE与RIS之间的信道

和AP与RIS之间的静态已知信道h，确定RIS的反射系数矩阵

用于增强UE-RIS-AP的无线通信链路质量。

在本实施方式中，UE与RIS之间的估计信道

和AP与RIS之间的静态已知信道h已经在步骤1中得到。

在本实施方式中，通过如下公式确定RIS的反射系数矩阵

其中，RIS各宏单元的反射系数

对应相应的控制信号，通过改变RIS各宏单元的控制信号来实施RIS所需的反射系数矩阵，从而调控其反射信号的波束方向，达到将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量的目的。

步骤3：在无线通信子帧中，RIS执行上述反射系数矩阵

实现RIS将UE发射的通信信号准确地发射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量。

在一个具体的仿真示例中，仿真参数如下：

仿真平台：Matlab。

RIS：宏单元列数M＝16；宏单元中心间距d＝4.2mm；UE至RIS1的到达角θ₁＝30°；UE至RIS2的到达角θ₂＝45°；每列可进行独立1比特反射相位调控，反射系数的幅度分量A＝1。

UE：发射信号功率p＝1W，频率f_c＝27GHz。

AP：AP的两根接收天线位于对应的RIS正前方的视距路径上，且位于RIS的远场，AP与RIS间静态已知信道的常量β＝1。

代入相关参数，通过仿真计算可以得到RIS1的反射系数矩阵：

RIS2的反射系数矩阵为：

为了评估按照本发明提出的方法确定的反射系数矩阵应用在RIS上的效果：以RIS1作为实验对象，改变UE至RIS1的到达角θ₁，并分别按照随机的反射系数矩阵和上述方法确定的反射系数矩阵生成RIS1各宏单元相应的控制信号，得到不同反射系数矩阵下AP接收天线1归一化的接收信号强度|y₁|随UE至RIS1的到达角θ₁变化的关系图。相应的仿真结果如图9所示，从图9中可以看出，当RIS1按照本发明提出的方法确定的反射系数矩阵生成各宏单元相应的控制信号时，AP接收天线1归一化的接收信号的强度要高于按照随机的反射系数矩阵生成RIS1各宏单元相应的控制信号时得到的接收信号强度，且整体相差近10dB。

因此仿真结果证实了，当RIS执行本发明提出的方法确定的反射系数矩阵时，实现了RIS将UE发射的通信信号准确地发射至AP处，提高了AP与UE之间的通信链路质量。

以上结合附图对本发明所提供的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位方法，进行了详细的介绍，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，不是限制性的。实施例仅为说明本发明的技术思想，不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，基于智能超表面实现对用户终端UE的感知定位与用户终端-智能超表面-接入点UE-RIS-AP的无线通信；采用该方法工作的系统的帧结构由感知定位子帧与无线通信子帧组成；在感知定位子帧中，利用智能超表面对由UE入射的用于定位的单音信号进行空时调制和反射，由接入点AP接收反射信号求解出UE至智能超表面的信道信息和到达角，进而估计出UE的位置；接着，在无线通信子帧中，根据已知信息计算出合适的智能超表面的反射系数矩阵并实施，实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量，具体步骤如下：

步骤1：在感知定位子帧中，利用智能超表面的空时调制能力，AP估计出UE与智能超表面之间的信道，在此基础上求解出UE至智能超表面到达角的估计值，进而估计出UE的位置；

步骤2：在无线通信子帧中，AP根据估计出的UE与智能超表面之间的信道

和AP与智能超表面之间的静态已知信道向量h确定智能超表面的反射系数矩阵，用于增强UE-RIS-AP的无线通信链路质量；

步骤3：在无线通信子帧中，智能超表面执行上述反射系数矩阵，实现智能超表面将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量。

2.如权利要求1所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述步骤1中利用智能超表面的空时调制能力，AP估计出UE与智能超表面之间的信道具体为：智能超表面对入射的单音信号进行空时调制并将调制后的无线信号反射给AP；AP根据接收到的无线信号的频域信息估计出UE与智能超表面之间的估计信道

3.如权利要求2所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述智能超表面共有N行M列电磁单元，每个电磁单元对入射的电磁波的反射系数是可调的；所述单音信号是由UE发射的用于定位的单音信号并以设定的到达角，包括俯仰角和方位角入射至智能超表面；所述空时调制包含时间调制和空间调制两层含义，其中时间调制是指每一个智能超表面的电磁单元的反射系数都被周期性的时间序列所调制，使智能超表面产生一系列的谐波信号，空间调制是指在二维空间上的排布的电磁单元的反射系数经过了反射系数矩阵的调制，使智能超表面调控其反射信号的波束方向；其中第n行第m列的电磁单元U_n,m的反射系数Γ_n,m具体通过如下公式确定：

其中

为矩形窗采样函数，

为可自由设计的已知时间序列的第q个元素，Q为序列的元素总个数，T_s为序列的时间长度，每个元素持续时间为

4.如权利要求2所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述AP接收到的无线信号y具体通过如下公式确定：

其中，

为AP与智能超表面之间的静态已知信道向量，

为智能超表面各电磁单元反射系数组成的对角阵，

为UE单天线与智能超表面之间的信道向量，p为UE发射信号的功率，w为AP的接收机噪声。

5.如权利要求2所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述AP根据接收到的无线信号的频域信息得到的UE与智能超表面之间的估计信道

具体通过如下公式确定：

其中，

是选取AP接收信号的NM个谐波分量组成的观测向量，

为选取AP接收信号的第k个谐波分量，该谐波为l_k阶谐波；

为可自由设计的已知矩阵，其中，

为AP与智能超表面之间的静态已知信道向量，矩阵A_l的定义为

且A_l中元素

为电磁单元U_n,m的反射系数Γ_n,m(t)的l阶谐波分量；

为AP的接收噪声向量，其中W_l为AP在l阶谐波上的接收噪声，p为UE发射信号的功率。

6.如权利要求1所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述步骤1中求解出UE至智能超表面到达角的估计值具体如下：

其中，F_RIS(θ,φ)是由UE与智能超表面之间的估计信道

通过离散傅里叶变换得到的关于UE至智能超表面的俯仰角θ与方位角φ的空域采样数据，两个方向上的空域采样数据最大处对应的角度分别为UE至智能超表面的俯仰角估计值

和方位角估计值

F(θ,φ)是电磁单元的散射信号方向图；

为

中第(u-1)M+v个元素

为UE单天线与智能超表面之间的信道向量，

是g的估计值，所以

为

中第(u-1)M+v个元素，其中u＝1,2,…,N；v＝1,2,…,M)；

为波数，其中f_c为UE发射的单音信号的频率；d_c，d_r分别是相邻电磁单元的列间距和行间距。

7.如权利要求1所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述步骤1中估计出UE的位置具体步骤如下：

根据两块智能超表面已知的位置以及发射端至对应智能超表面的到达角组成方程组，通过投影法以及三角定位法，估计出UE的位置

具体通过如下公式确定：

其中，坐标系的原点是两块智能超表面的中间位置，两块智能超表面中心点连线所在的直线为x轴，两块智能超表面的阵面与地面垂直，其所在的平面为xOz二维平面，D是两块智能超表面之间的距离，

和

分别是计算出的UE至两块智能超表面到达角的估计值。

8.如权利要求1所述的一种智能超表面辅助的无线通信与感知定位一体化方法，其特征在于，所述步骤2中根据估计出的UE与智能超表面之间的信道

和AP与智能超表面之间的静态已知信道向量h确定智能超表面的反射系数矩阵如下，

具体通过如下公式确定：

其中，智能超表面各电磁单元U_n,m的反射系数

对应相应的控制信号，通过改变智能超表面各个电磁单元的控制信号来实施智能超表面所需的反射系数矩阵，从而调控其反射信号的波束方向，达到将UE发射的通信信号准确地反射至AP处，提高AP与UE之间的通信链路质量的目的。

Images