【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信与感知，特别涉及一种基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法。
技术介绍
1、下一代移动通信(6g)的技术内涵将从传统无线通信向信息感知和大数据纵向延伸，技术要素将涵盖信息传递、信息采集和信息计算。以信息感知为核心的移动互联网和垂直行业新兴业务逐渐涌现，社会经济信息化需求促进了以通信感知一体化(isac)为重点的6g技术发展新趋势。
2、面向6g的isac系统需要增强型无线空口技术的支持，驱动着毫米波/太赫兹通信和多输入多输出(mimo)技术发展。然而，“以规模换增益”的技术演进路线面临成本、能耗和复杂度增加的固有问题。为发展创新、高效和绿色的无线方案，业界寻求信息交互模式的颠覆性变革。智能超表面(ris)技术凭借其特有的低开销、可编程和易部署优势脱颖而出，成为6g通感一体化建设最具潜力的关键技术之一。
3、ris的物理实质是亚波长电磁单元规则排列构成的可重构超表面阵列，通过数字编码动态调控电磁波，形成幅相、极化和频率可控的电磁场。有别于传统无线系统，基于智能超表面的通感一体化(ris-isac)系统以ris的配置和调控策略为核心，通过丰富散射信道、同相叠加信号和控制波束方向，提高复用增益、对抗多径衰落和增强系统覆盖。ris-isac技术有望突破信道不可控的固有桎梏，构建可编程智能无线环境，引入未来6g通感融合的新范式。
4、为充分发掘ris对isac无线系统性能的增益潜力，必须获得准确的信道状态信息。由于ris无源单元不具有信号接收和处理能力，传统信道估计方法的导
技术实现思路
1、技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，将ris辅助通信与感知进行系统融合，极大地拓展了ris在无线系统中的应用场景。能够以较低的硬件成本和训练开销实现现有平面阵列ris无法支持的无模糊参数解耦与信道估计，进而实现高精度的用户定位应用。
2、技术方案：
3、s1、ris系统与信道建模
4、所述球面阵列ris采用nr个反射单元，绕半径为r的球面规则分布，其中阵元n的球坐标方位角为φn，俯仰角为θn；设远场平面电磁波入射方位角为φ，俯仰角为θ，方向向量为则ris球面阵列流形为
5、
6、其中，k0＝2π/λc为基础波长λc的电磁波波数。下标r指代ris相关参数，exp(x)＝ex为以自然常数e为底的指数函数，(·)t表示转置，表示虚数单位。
7、所述ris辅助的isac无线系统中基站配置nb单元天线阵列，u个用户配置单天线，宽带系统拥有k路子载波，基础频率为fc，传输带宽为fs。所述球面阵列ris部署于近用户侧，用户至ris信道由视距径主导，基站至ris信道视距径受阻，由非视距散射径构成。令表示维度为m×n的实数域和复数域空间，则子载波k的基站和用户u至ris的上行信道和分别建模为
8、
9、其中，下标b,u,d,a分别指代基站bs、用户user、出发角aod和到达角aoa相关参数。p为hbr,k散射路径数，fk＝fc+kfs/k为子载波k频率。τbr,p,αbr,p分别为hbr,k散射径p的时延和衰落，τru,u,αru,u分别为hru,u,k视距径的时延和衰落。φb,p,φd,p,θd,p分别为hbr,k散射径p的基站侧到达方位角、ris侧出发方位角和俯仰角，φa,u,θa,u分别为hru,u,k视距径的ris侧到达方位角和俯仰角。根据自由空间损耗原理，散射径和视距径衰落分别建模为αbr,p∝(4πfcτbr,p)-1和αru,u＝(4πfcτru,u)-1，其中比例符号∝表征前者包含未知散射损耗。
10、s2、波束训练方法设计
11、信道估计波束训练使用str个数据流、ttr个时间帧和ktr个频域子载波。在数据流s上配置基站波束赋形向量在训练帧t内配置ris反射系数向量用户u发送导频符号xu,k，则子载波k的上行接收训练信号建模为
12、
13、其中，为基站波束赋形器，为等效级联信道，为高斯白噪声。⊙表示khatri-rao乘积，diag(x)表示以x为对角元素的矩阵，eq指代等效信道相关参数。heq,u,k根据式(2)可改写为
14、
15、其中，表示hadamard乘积。将式(4)代入式(3)得
16、
17、其中，i＝pu为级联路径数量，二维索引映射为一维索引和分别为路径i的等效衰落和等效时延，和分别为路径i的方位角和俯仰角参数集合，和χi,k分别为路径i的基站侧等效到达角和等效导频。定义映射关系则有和
18、合并ktr个子载波上ttr个训练帧内的接收训练信号，构建三阶数据张量其中索引(t,k)的模式-1纤维向量存储信号向量的有效信号部分服从标准多元(cp)张量模型
19、
20、其中，为ris反射系数序列，为基站等效阵列响应向量，为ris阵列响应向量，为路径等效增益，其中[geq,i]k＝χi,kexp(-j2πfkτeq,i)。为核张量，其中其余元素为0。为高斯噪声张量。表示向量外积，×n表示模式-n的张量—矩阵乘积。
21、假设基站天线阵列流形为ab(μ)＝[exp(-jμ(nb-1)/2),...,1,...,exp(jμ(nb-1)/2)]t，其中为天线间距db下方位角φ对应的空间频率。采用离散fourier变换(dft)设计基站波束赋形器为
22、
23、其中，为搜索精度2π/nb下的整数搜索码字。
24、为利用球面阵列对称性，基于阵元域流形的相位模式激励原理，采用球面fourier变换(sft)设计ris反射系数。具体地，(l,m）阶球面谐波的加权波束赋形向量表示为
25、
26、其中，l∈{0,1,...},m∈{-l,...,l}，阶数(l,m)与训练帧序列t的映射关系为为阵元n信号响应的加权权重。yl,m(φ,θ)为(l,m)阶球面谐波函数
27、
28、其中，plm(cosθ)表示连带legendre函数，定义为
29、
30、其中，pl(cosθ)表示l阶legendre函数。
31、s3、信道角度参数估计
32、基于cp张量的性质，训练信号的模式-1展开表示为
33、
34、其中，为基站实际阵列响应向量，为噪声张量的模式-1展开。式(7)波束赋形向量可导出实值波束域流形设计搜索码字{ωs}构成db个搜索域，则波束赋形器wb保留基站天线阵列的相移旋转不变特性如下
35、
36、其中，为选择矩本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于球面阵列RIS的信道估计和用户定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，其特征在于，所述步骤S1，设计球面阵列RIS的拓扑结构和单元布局，建立RIS辅助的通信与感知系统和多径信道模型，具体包括：
3.如权利要求2所述的基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，其特征在于，所述步骤S2，建立多载波波束训练信号模型，设计基于波束域流形变换和球面相位模式激励的基站波束赋形和RIS反射系数训练方向图赋值方法，具体包括：
4.如权利要求3所述的基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，其特征在于，所述步骤S3，建立压缩感知子问题，设计基于球面阵列流形特性和空间谱估计算法的路径等效角度参数估计方法，具体包括：
5.如权利要求4所述的基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，其特征在于，所述步骤S4，设计基于RIS阵列拓扑结构和自由空间传播特性的角度、时延和衰落解耦方法，实现用户定位应用，具体包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于球面阵列ris的信道估计和用户定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，其特征在于，所述步骤s1，设计球面阵列ris的拓扑结构和单元布局，建立ris辅助的通信与感知系统和多径信道模型，具体包括：
3.如权利要求2所述的基于球面阵列智能超表面的信道估计和用户定位方法，其特征在于，所述步骤s2，建立多载波波束训练信号模型，设计基于波束域流形变换和球面相位模式激励的基站...
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