CN114245290A

CN114245290A - 一种基于ris辅助的协同定位方法及系统

Info

Publication number: CN114245290A
Application number: CN202111357795.8A
Authority: CN
Inventors: 程谦儒; 李立言; 赵明敏; 赵民建; 李绍标
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-11-16
Also published as: CN114245290B

Abstract

本公开提供的基于RIS辅助的协同定位方法、系统及存储介质中，获取不同链路满足预设传输协议的接收信号，根据接收信号估计信道参数，并根据估计信道参数，利用协方差估计理论构建可重构智能表面RIS相位参数的优化问题，再通过BCD算法求解优化问题，输出RIS相位配置参数，并根据RIS相位配置参数调整RIS相位配置，重复执行之前的步骤，直至优化问题收敛，输出位置信息。由此，本公开提出的方法中，实现了高效的发射波束成形，提高了用户定位的精确度，考虑了多个UE同时在线时，UE可以通过获取UE间的协同通信确定UE的位置信息，从而确保了在功率受限时，还可以通过UE间的协同通信确定UE的位置信息，灵活性较高。

Description

一种基于RIS辅助的协同定位方法及系统

技术领域

本申请涉及无线定位技术领域，尤其涉及一种基于RIS辅助的协同定位方法、系统及存储介质。

背景技术

从移动互联到物联网，位置是一个基础的不可或缺的信息，对于基于位置的应用(例如导航、医疗保健监控和室内定位)而言，只有更高精度的定位信息才能带来更高的价值，导致人们对高精度定位的兴趣日益浓厚。

下一代即第六代(6G)无线通信技术由于其非常高的载波频率(例如，在毫米波(mmWave)频带中)以及配备的大规模天线阵列，有望为超高精确无线定位提供巨大机会。一方面，毫米级波长可以使大量天线可集成到具有便携式尺寸的天线阵列上，但是另一方面，会导致严重的自由空间路径损耗，尤其是对于非视距(NLoS)路径。波束成形技术支持的定向传输是一种节能传输的解决方案，用于补偿毫米波通信中的路径损耗。通过适当调整每个天线元件的相移，可以将发射的能量集中在发射器和接收器之间的窄波束中。然而，定向链路很容易被人体、墙壁和家具等障碍物阻挡，这归因于毫米级波长。一旦LoS路径被阻塞，无论波束方向如何调整，被阻塞的链路很可能无法恢复，因为NLoS路径不足以作为合格的替代链路。信道测量活动表明，LoS组件的功率比NLoS组件的功率总和高约13dB。因此，阻塞是在毫米波频段运行的精确无线定位系统大规模应用的关键障碍。

RIS(Reconfigurable intelligent surface，可重构智能反射面)可用于在发射器和接收器之间建立视距(LoS)链路，通过软件控制的反射链路来重新配置无线传播环境。具体而言，RIS是由大量可重新配置的无源元件(例如，低成本印刷偶极子)组成的平面阵列，其中，每个元件都能够独立地对入射信号产生幅度和/或相位变化，从而无需任何协作即可共同实现无源波束赋形。通过适当地调整无源波束成形，RIS反射的信号可以与其他路径的信号相消或相加，以増强接收器处的所需信号功率，或者相消地消除不需要的信号，例如同频干扰。由于RIS是无源配置，在反射信号的过程中没有能耗产生，因此它可以密集部署，以满足大规模无线网络通信的需求。

在RIS的，有望绕过阻塞在发射器(AP/BS)和接收器(UE)之间建立稳固的视距(LoS)链路，并通过调整反射元件的反射系数，实现高效的反射波束形成，为高精度用户定位提供支持。但是，相关技术中利用RIS的特性实现波束成形时只考虑一个用户，没有考虑有多用户的场景，且用户定位精确度较低。因此，如何利用RIS的特性辅助用户实现高精度定位是亟需解决的问题。

发明内容

本申请提供一种基于RIS辅助的协同定位方法、系统及存储介质，以至少解决相关技术中的没有考虑多用户场景，用户定位精确度较低的技术问题。

本申请第一方面实施例提出一种基于RIS辅助的协同定位方法，包括：

S1、获取不同链路满足预设传输协议的接收信号；

S2、根据所述接收信号估计信道参数；

S3、根据所述估计信道参数，利用协方差估计理论构建可重构智能表面RIS相位参数的优化问题；

S4、通过块坐标下降算法BCD算法求解所述优化问题，并输出RIS相位配置参数；

S5、根据所述RIS相位配置参数调整RIS相位配置，重复执行步骤S1～S4，直至所述优化问题收敛，输出位置信息。

本申请第二方面实施例提出一种基于RIS辅助的协同定位系统，包括：

获取模块，用于获取不同链路满足预设传输协议的接收信号；

估计模块，用于根据所述接收信号估计信道参数；

构建模块，用于根据所述估计信道参数，利用协方差估计理论构建可重构智能表面RIS相位参数的优化问题；

处理模块，用于通过块坐标下降算法BCD算法求解所述优化问题，并输出RIS相位配置参数；

输出模块，用于根据所述RIS相位配置参数调整RIS相位配置，直至所述优化问题收敛，输出位置信息。

本申请第三方面实施例提出的用户设备，包括：收发器；存储器；处理器，分别与所述收发器及所述存储器连接，配置为通过执行所述存储器上的计算机可执行指令，控制所述收发器的无线信号收发，并能够实现如上第一方面所示的方法。

本申请第四方面实施例提出的非临时性计算机可读存储介质，其中，所述非临时性计算机可读存储介质存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面所示的方法。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

本公开提供的基于RIS辅助的协同定位方法、系统及存储介质中，获取不同链路满足预设传输协议的接收信号，根据接收信号估计信道参数，并根据估计信道参数，利用协方差估计理论构建可重构智能表面RIS相位参数的优化问题，再通过BCD算法求解优化问题，输出RIS相位配置参数，并根据RIS相位配置参数调整RIS相位配置，重复执行之前的步骤，直至优化问题收敛，输出位置信息。由此，本公开的实施例中，UE可以获取不同链路的接收信号，并能通过不断调整反射元件的离散相移确定最佳的RIS的相位参数，从而实现了高效的发射波束成形，进而提高了用户定位的精确度。同时，本公开的实施例中，考虑了多个UE同时在线时，UE可以通过获取UE间的协同通信确定UE的位置信息，从而确保了在功率受限时，还可以通过UE间的协同通信确定UE的位置信息，灵活性较高。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请一个实施例提供的基于RIS辅助的协同定位方法的应用场景；

图2为根据本申请一个实施例提供的基于RIS辅助的协同定位方法的流程示意图

图3为根据本申请一个实施例提供的预设传输协议具体的结构示意图；

图4为根据本申请一个实施例提供的基于RIS辅助的协同定位系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

图1是本公开实施例的基于RIS辅助的协同定位系统及其定位场景的方框示意图。

如图1所示，基于RIS辅助的协同定位方法及系统的定位场景包括：AP、RIS、用户设备m₁、用户设备m₂以及阻塞物。

其中，AP的s用于发射满足预设条件的信号；RIS的r用于帮助发射器与接收器绕过阻塞物体构建稳固通信的视距链路，并利用发射元件离散相移可控的特性来完成反射链路通信的波束成形；用户设备m₁用于接收来自发射器经过可重构智能反射面反射的信号，并接收来自其他用户设备的测距信号；用户设备m₂用于接收来自发射器经过可重构智能反射面反射的信号，并向其他用户设备发射协同测距信号。以及，本公开的实施例中，当阻塞物挡住AP向UE发射信号时，可以利用RIS绕过阻塞，为AP与UE建立稳固的视距链路，并通过调整反射元件的离散相移来实现高效的发射波束成形，为高精度用户定位提供了支持。

需要说明的是，AP为配备单天线，发射信号的频率工作在毫米波频段，发射信号满足预设协议；RIS为具有N元发射元件的方形阵面，并且本公开实施例中工作在毫米波频段，RIS反射面在空间内可以近似为一个点；用户设备m₁和m₂为配备了单天线，接收信号工作在毫米波频段，接收信号满足预设传输协议。

下面参考附图描述本申请实施例的基于RIS辅助的协同定位方法及系统。

实施例一

图2为根据本申请一个实施例提供的基于RIS辅助的协同定位方法的流程示意图，如图2所示，可以包括：

步骤S1、获取不同链路满足预设传输协议的接收信号。

需要说明的是，本公开的实施例中，获取不同链路满足预设传输协议的接收信号可以包括获取AP(AccessPoint，接入点)经过RIS反射的反射链路信号和获取UE间的协作通信链路信号。

其中，本公开的实施例中，由于信号在自由空间的衰落与AP和UE间存在阻塞，因此AP-RIS-用户的反射链路主要考虑LOS信道。

以及，本公开的实施例中，图3为本公开实施例提供的预设传输协议具体的结构示意图。

参考图3，预设传输协议包括接收2L个时隙的信号，在前L个时隙中仅接收来自AP经过RIS反射的反射链路信号，在后L个时隙中AP处于静默阶段，仅接收来自UE的协作通信通信链路信号。

进一步地，本公开的实施例中，假设设置RIS为配备了N个发射元件的平面阵列响应，则获取的AP-RIS-UE的反射链路信号为：

其中，AP到RIS的信道响应表达式为：

其中，ρ_ar是路径损耗，

是RIS的UPA响应，ρ_ar可以表示为

其中，K是一个常数，取决于天线特性和平均信道衰减，d_ar是AP和RIS之间的距离，d₀是天线远场的参考距离，γ是路径损耗指数。以及，

由下式给出

其中，d是RIS中元素间的距离，λ是传输信号的波长，p和q分别代表RIS中元素的行数和列数。

进一步地，本公开的实施例中，由UE到RIS的信道响应表达式可以表示为：

其中i表示不同的UE，本申请考虑了两个用户设备在线时的情景。

以及，本公开的实施例中，级联信道的信道响应表达式可以表示为：

其中，Φ＝diag(e^jw)为RIS的反射参数矩阵，w＝[w₁,…,w_N]^T为元件相移向量,w_n∈[0,2π),n＝{1,…,N}表示反射元件的相移。以及，本公开的实施例中，考虑每个反射元件的相移仅采用有限数量的离散值的具体约束，假设让Q表示每个RIS元件的相移控制位数，则通过在区间[0,2π)内均匀量化来设置离散相移取值，可以得出

其中Z＝2^Q

进一步地，获取的AP-RIS-UE的反射链路信号可以表示为：

y_i＝h_ix_a+n_i,i＝1,2,

其中，

是均值为0，方差为σ²I的加性高斯白噪声(I是单位矩阵)。

以及，本公开的实施例中，假设UE间的距离是足够近的，UE之间的协同链路接收信号的强度远强于UE间经过反射面的链路，从而忽略UE到RIS再到UE之间的级联信道，则获取的UE间的协作通信链路信号可以为：

y_co＝ρ_ux_u+n_co

其中，ρ_u是UE之间的路径损耗,

是均值为0，方差为σ²I的加性高斯白噪声(I是单位矩阵)。

步骤S2、根据接收信号估计信道参数。

其中，本公开的实施例中，估计信道参数可以包括UE与RIS之间的到达角度信息(例如，方位角与俯仰角)和UE间的接收信号强度信息。

以及，本公开的实施例中，UE与RIS之间的到达角度信息可以通过AP-RIS链路来获取，其中AP与RIS的位置固定，已知AP-RIS信道信息，包括角度信息和信道衰减指数。

进一步地，本公开的实施例中，需要估计的未知参量可以被表示为以下的五维向量：

以及，本公开的实施例中，引入一个新的参量y，表示系统所有接收信号，如下所示：

步骤S3、根据估计信道参数，利用协方差估计理论构建RIS相位参数的优化问题。

其中，本公开的实施例中，利用协方差估计理论构建RIS相位参数的优化问题可以包括以下步骤：

步骤a、求取估计信道参数向量的FIM(Fisher Information Matrix，费雪信息矩阵)。

其中，本公开的实施例中，求取估计信道参数向量的FIM的方法可以包括以下步骤：

步骤1、根据预设传输协议，累加2L时隙的接收信号的结果并进行计算；

步骤2、分别计算获取接收信号的链路相对信道估计参量的FIM，并将最后结果累加。

具体的，本公开的实施例中，求取估计信道参数向量的FIM可以为：

定义

为η的无偏估计量，

的均方误差矩阵满足以下的不等式：

其中，

是有关于η的FIM，J_η的第(m,n)个元素可以定义为：

其中p(y；η)是有关于η的随机向量y的似然函数，基于上述接收信号模型，p(y；η)可以为：

其中，μ是y有关于η的平均向量。以及，本公开的实施例中，接收信号y₁、y₂和y_co是相互独立的，从而可以得出：

ln p(y；η)＝ln p(y₁；η)+ln p(y₂；η)+ln p(y_co；η)

以及，J_η可以表示为：

其中，

和

是分别对应y₁、y₂和y_co的FIM。以及，本公开的实施例中引用如下引理，以获得J_η的显式表达式。

具体的，对于一个服从对称复高斯分布

的N维随机向量y，则J_η的第(m,n)个元素可以定义为：

以及，本公开的实施例中，得到

和

第(m,n)个元素的显式表达式：

其中，μ_i(l)＝h_ix_a(l)和μ_co(l)＝ρ_ux_u(l)。以及，

和

等于

与

各时隙之和。在本公开的实施例中，关于上述表达式

和

的显式表达式可以由以下表达式表示，其中h_i可以表示为：

其中，

和

以及，本公开的实施例中，

则可以得出：

其中，

以及，本公开的实施例中，μ_co(l)仅与ρ_u和x_u(l)相关，从而可以得到：

进一步地，本公开的实施例中，上述J_η的第(m,n)个元素可以表示为：

步骤b、通过雅克比矩阵T将FIM转换为用户几何位置参量的FIM；

其中，本公开的实施例中，T可以通过UE与RIS之间的到达角度信息与UE位置的几何关系、UE间信号衰减指数确定。

具体的，本公开的实施例中，T定义为

以及，本公开的实施例中，T的第一列到第四列的列向量可以通过到达俯仰角、到达方位角与用户设备位置信息之间的几何关系得到：

其中，m_i,1:2和r_1:2分别是m_i和r的前两个元素构成的向量。T的最后一列列向量可以由协同链路的路径损耗与用户设备间距离的关系来确定：

以及，通过计算θ_i、

和ρ_u分别对UE位置信息m_i的偏导数，得到T的显式表达式：

其中，t_x＝m_2x-m_1x，t_y＝m_2y-m_1y。ρ₀的值可以由下式给出：

进一步地，本公开的实施例中，通过雅克比矩阵T将FIM转换为用户几何位置参量的FIM的表达式可以表示为：

J_m(l)＝TJ_η(l)T^T

步骤c、通过对用户几何位置参量的FIM求逆矩阵得到优化问题的CRLB(Cramer-Rao Lower Bound，克拉美劳下界)的表达式。

其中，本公开的实施例中，由上述步骤b中的用户几何位置参量的FIM得到优化问题的CRLB的表达式为：

以及，本公开的实施例中，由CRLB的表达式得知CRLB的取值取决于每个时隙有关估计参数的FIM以及T。以及，本公开的实施例中，当信道模型与信号模型固定时，T为一个常数矩阵，则CRLB的取值仅与RIS处反射元件的离散相位取值有关。进一步地，本公开的实施例中，可以通过适当的调整反射相移提升CRLB的性能。

进一步地，本公开的实施例中，可以通过优化RIS处的离散反射相移得到最小化CRLB的值，则上述CRLB的表达式可以表示为：

步骤S4、通过BCD算法求解优化问题，并输出RIS相位配置参数。

其中，本公开的实施例中，上述CRLB的表达式是高度非凸的，可以采用BCD方法通过交替和迭代优化每个反射系数同时固定其他反射系数来解决上述问题。

具体的，本公开的实施例中，通过BCD算法求解优化问题的方法可以包括以下步骤：

步骤S41、初始化相位配置参数；

步骤S42、设置迭代次数；

其中，本公开的实施例中，每次重新迭代时，迭代次数自增一，直到达到设置的迭代次数为止。

步骤S43、从第一个反射元件到第N个反射元件，逐个更新每个反射元件的相位参数，得到一组RIS的相位配置参数；

其中，本公开的实施例中，可以通过固定其他N-1个反射元件的相位参数，穷举在当前的反射元件在有限的相位集合中的值，选取CRLB最小时的相位值作为当前反射元件的相位参数。

具体的，本公开的实施例中，通过第i次迭代中的第j个反射相移时，用w_i,j表示，上述CRLB的表达式转换为优化问题：

其中，

并且

定义为在第m次迭代后的得到的第n个反射元件的离散相移。通过枚举有限集合

中离散相移的取值，得出上述问题的解，如下式所示：

步骤S44、判断CRLB是否收敛，若收敛则继续执行步骤S45，否则执行步骤S42；

其中，本公开的实施例中，计算当前相位配置参数下的CRLB，并与上一次迭代的CRLB相比较，判断CRLB是否收敛。

步骤S45、输出RIS相位配置参数。

步骤S5、根据RIS相位配置参数调整RIS相位配置，重复执行步骤S1～S4，直至优化问题收敛，输出位置信息。

其中，本公开的实施例中，通过步骤S4得到RIS相位配置参数即时更新RIS的配置，重新进行步骤S1～S4。以及，本公开的实施例中，考虑在一个很短的时间内完成这些步骤，则UE的位置在很短的时间内认为是固定的。

本公开提供的基于RIS辅助的协同定位方法，获取不同链路满足预设传输协议的接收信号，根据接收信号估计信道参数，并根据估计信道参数，利用协方差估计理论构建可重构智能表面RIS相位参数的优化问题，再通过BCD算法求解优化问题，输出RIS相位配置参数，并根据RIS相位配置参数调整RIS相位配置，重复执行之前的步骤，直至优化问题收敛，输出位置信息。由此，本公开的实施例中，UE可以获取不同链路的接收信号，并能通过不断调整反射元件的离散相移确定最佳的RIS的相位参数，从而实现了高效的发射波束成形，进而提高了用户定位的精确度。同时，本公开的实施例中，考虑了多个UE同时在线时，UE可以通过获取UE间的协同通信确定UE的位置信息，从而确保了在功率受限时，还可以通过UE间的协同通信确定UE的位置信息，灵活性较高。

实施例二

图四为根据本申请一个实施例提供的基于RIS辅助的协同定位装置的结构示意图，如图4所示，可以包括：

获取模块401，用于获取不同链路满足预设传输协议的接收信号；

估计模块402，用于根据接收信号估计信道参数；

构建模块403，用于根据估计信道参数，利用协方差估计理论构建可重构智能表面RIS相位参数的优化问题；

处理模块404，用于通过BCD算法求解优化问题，并输出RIS相位配置参数；

输出模块405，用于根据RIS相位配置参数调整RIS相位配置，直至优化问题收敛，输出位置信息。

其中，本公开的实施例中，上述获取模块401用于：

获取AP经过RIS反射的反射链路信号；

获取UE间的协作通信链路信号。

进一步地，本公开的实施例中，预设传输协议包括接收2L个时隙的信号，在前L个时隙中仅接收来自AP经过RIS反射的反射链路信号，在后L个时隙中AP处于静默阶段，仅接收来自UE的协作通信通信链路信号。

进一步地，本公开的实施例中，估计信道参数包括UE与RIS之间的到达角度信息和UE间的接收信号强度信息。

为了实现上述实施例，本公开还提出一种用户设备。

本公开实施例提供的用户设备，包括：收发器；存储器；处理器，分别与收发器及存储器连接，配置为通过执行存储器上的计算机可执行指令，控制收发器的无线信号收发，能够实现如图3所示的基于RIS辅助的协同定位方法。。

为了实现上述实施例，本公开还提出一种非临时性计算机可读存储介质。

本公开实施例提供的非临时性计算机可读存储介质，存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行时，能够实现如图3所示的基于RIS辅助的协同定位方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于RIS辅助的协同定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、获取不同链路满足预设传输协议的接收信号；

S2、根据所述接收信号估计信道参数；

2.如权利要求1中所述的协同定位方法，其特征在于，所述获取不同链路满足预设传输协议的接收信号包括：

获取接入点AP经过RIS反射的反射链路信号；

获取用户设备UE间的协作通信链路信号。

3.如权利要求2中所述的协同定位方法，其特征在于，所述预设传输协议包括接收2L个时隙的信号，在前L个时隙中仅接收来自AP经过RIS反射的反射链路信号，在后L个时隙中AP处于静默阶段，仅接收来自UE的协作通信通信链路信号。

4.如权利要求1中所述的协同定位方法，其特征在于，所述估计信道参数包括UE与RIS之间的到达角度信息和UE间的接收信号强度信息。

5.如权利要求1所述的协同定位方法，其特征在于，所述根据所述估计信道参数，利用协方差估计理论构建RIS相位参数的优化问题包括以下步骤：

求取所述估计信道参数向量的费雪信息矩阵FIM；

通过雅克比矩阵T将所述FIM转换为用户几何位置参量的FIM；

通过对所述用户几何位置参量的FIM求逆矩阵得到所述优化问题的克拉美劳下界CRLB的表达式。

6.如权利要求5所述的协同定位方法，其特征在于，所述求取所述估计信道参数向量的FIM包括以下步骤：

根据所述预设传输协议，累加2L时隙的接收信号的结果并进行计算；

分别计算获取接收信号的链路相对信道估计参量的FIM，并将最后结果累加。

7.如权利要求5所述的协同定位方法，其特征在于，所述雅克比矩阵T通过所述UE与RIS之间的到达角度信息与UE位置的几何关系、UE间信号衰减指数确定。

8.一种基于RIS辅助的协同定位系统，其特征在于，所述系统包括：

估计模块，用于根据所述接收信号估计信道参数；

处理模块，用于通过块坐标下降算法BCD求解所述优化问题，并输出RIS相位配置参数；

9.一种用户设备，其特征在于，包括：收发器；存储器；处理器，分别与所述收发器及所述存储器连接，配置为通过执行所述存储器上的计算机可执行指令，控制所述收发器的无线信号收发，并能够实现权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述方法。