CN111093267B - 一种基于irs的ue位置确定方法、通信方法及*** - Google Patents

一种基于irs的ue位置确定方法、通信方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于IRS的UE位置确定方法、通信方法及***，包括：在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个集合；各个集合被激活后反射射向其的电磁信号；每个激活的集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射其接收的电磁信号；根据各个码字下每个集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据信道时延确定每个集合与UE的距离；根据每个集合在IRS上的位置和每个集合与UE的距离估计UE的位置；根据UE的位置、IRS、AP位置确定IRS的反射系数矩阵或向量，实现基于IRS的无线AP与UE之间的有效通信。本发明使得AP‑IRS‑UE信道有效通信。

Description

一种基于IRS的UE位置确定方法、通信方法及***
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种基于IRS的UE位置确定方法、通信方法及***。
背景技术
在5G无线通信领域，毫米波扮演着极其重要的角色。但是，毫米波有一个非常严重的缺陷，就是容易被障碍物阻挡，导致无线通信效果不佳。为了解决这个问题，有一种思路：在无线通信环境增加一种低成本、无源的、可反射的、可重构的智能表面(LIS/LargeIntelligent Surface/Reconfigurable Meta-Surfaces/IRS/Intelligent ReflectingSurface等，下文均用IRS表述)辅助通信。特别是当无线接入点(Access Point，AP)与用户设备(User Equipment，UE)由于有遮挡的存在导致接收信号强度过小而无法有效通信时，可以通过加装一块IRS在合适的位置，信号可以在IRS处反射，从而形成信道AP-IRS-UE使得AP与UE可以有效通信。
如图1所示，无线AP和UE之间由于阻挡区域的存在直连信道被阻挡无法有效通信，通过IRS的反射实现无线AP和UE之间的绕路信道，其中该绕路信道包括：AP与IRS之间通信信道h和IRS与UE之间通信信道g，其中IRS的反射系数矩阵为θ。
IRS部分如图2所示。如图2所示，图中每个小矩形表示一个反射单元，里面的符号表示该反射单元的反射系数。图2中控制器部分具有调整反射单元的相移系数、接收控制信令、反馈信号等功能。需要注意的是IRS的结构、反射单元分布和个数、单元间距等参数可自定义，图2中所示的矩形均匀分布结构只是IRS其中一种常见结构。图2中每个单元里面的符号
Figure GDA0002917283830000021
表示该单元的反射系数，其中φn(n＝1，2，...，N)表示该单元的相移，这些单元的反射系数可由IRS的控制器控制，则φ：φ＝[φ1 … φN]；φn∈[0，2π)，n＝1，2，...，N，其中N为IRS的反射单元个数。进而，把IRS的反射系数矩阵定义为矩阵
Figure GDA0002917283830000022
其中j是虚数单位，βn∈[0，1]表示第n反射单元的幅度反射参数。
综上，在5G背景下，面对毫米波信号容易被阻挡的缺陷，由于低成本、可反射信号、可重构等优势，IRS的应用有非常广阔的前景。但是在AP-IRS-UE信道下，由于IRS无源，如果IRS上的反射单元不进行合适的相移，则信道的通信情况会表现不佳，甚至无法使用。在保证IRS的低成本优势下，需要寻求一种可以使得IRS反射系数矩阵可根据实际情况而确定的方法，使得IRS辅助无线通信***可以有效通信。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决在AP-IRS-UE信道下，由于IRS无源，如果IRS上的反射单元不进行合适的相移，则信道的通信情况会表现不佳，甚至无法使用的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于IRS的UE位置确定方法，包括以下步骤：
在IRS上选择预设数量的反射单元集合(Reflecting Unit Set，RUS)，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜N，M和N均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射；
每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；
根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离确定UE的位置。
需要说明的是：反射单元集合或者反射单元的“激活”状态可单独控制。当反射单元集合或者反射单元被激活时，其根据相应的码字即发射系数矩阵反射信号，IRS上其他无关的反射单元不反射信号，或者把信号反射到接收端不能有效接收的位置；一般情况下是一次只激活一个RUS，在保证不干扰等条件下可以多个反射单元集合或发射单元同时激活。
在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：
对每个激活的反射单元集合，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字对应的信道时延，以确定每个激活的反射单元集合对应的信道时延；
根据每个反射单元集合对应的信道时延确定每个反射单元集合对应的无线AP与UE之间的信道长度；
根据所述预设数量的反射单元集合中每个反射单元集合对应的信道长度组成方程组，确定无线AP的位置和UE的位置。
在一个可选的示例中，当所述IRS接收的电磁信号由无线AP发射时，UE接收IRS反射的电磁信号；
基于所述UE接收的电磁信号估计UE的位置。
在一个可选的示例中，当所述IRS接收的电磁信号由无线AP发射时，UE接收IRS反射的电磁信号；
所述UE向IRS返回相应的反馈信号，IRS将所述反馈信号反射给无线AP；
根据所述无线AP接收的IRS反射的反馈信号的强度或者其所携带的UE接收信号的强度信息估计UE的位置。
具体地，AP-IRS-UE信道的强度信息可以是UE检测，然后将检测结果发送给AP，也可以由AP检测。
在一个可选的示例中，被IRS反射的电磁信号由UE发射时，UE采用波束扫描或全向天线的方式发射电磁信号；
所述IRS会对UE发射的射向IRS的电磁信号进行反射；
根据无线AP接收到IRS反射的电磁信号的强度估计UE的位置。
具体地，估计UE位置的计算可以由UE、IRS或无线AP中的任意一端进行。具体可包括如下几种情况：其一，UE计算出位置：在AP发射信号例子中，UE接收到的“AP发射的经IRS反射的信号”并检测该信号强度进而获得距离信息，结合AP发射给UE的IRS及其RUS位置信息，则可计算出UE位置；在UE发射信号例子中，可由AP检测信号强度反馈给UE，IRS发送RUS的位置信息给UE，进而UE可计算出UE位置。其二，AP计算位置：在AP发射信号例子中，UE接收信号并检测信号强度后反馈给AP，AP结合RUS的位置信息以及由信号强度推导出的距离信息，计算出UE位置；在UE发射信号例子中，AP检测信号强度，IRS发送RUS位置信息给AP，进而AP可计算出UE位置。其三，IRS计算位置：在AP发射信号例子中，UE检测信号强度并反馈给AP，再由AP反送给IRS(或者UE直接反馈给IRS)，IRS根据自身RUS的位置信息以及接收的信号强度信息(可推导出距离信息)计算出UE的位置；在UE发射信号例子中，AP检测信号强度后发送给IRS，IRS结合RUS的位置信息进而求出UE位置。
在一个可选的示例中，通过宽带时延估计、RToF或ToF算法确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字下的信道时延。
在一个可选的示例中，基于三角定位法根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离确定UE的位置。
第二方面，本发明提供一种基于IRS的通信方法，包括：
基于上述第一方面提供的UE位置确定方法确定UE的位置；
根据UE的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定IRS与UE之间的信道，以及根据无线AP的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定AP与IRS之间的信道；
根据IRS与UE之间的信道以及AP与IRS之间的信道矩阵确定IRS的反射系数矩阵或向量，基于所述IRS反射系数矩阵或向量实现基于IRS的无线AP与UE之间的有效通信。
在一个可选的示例中，所述IRS与UE之间的信道g具体通过如下公式确定：
g＝[g1，...，gN]， (式1)
Figure GDA0002917283830000051
Figure GDA0002917283830000052
其中，gn为第n个反射单元与UE的信道强度，f是频率，c是光速，dn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间距离；ρn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数。
在一个可选的示例中，所述AP与IRS之间的信道h具体通过如下公式确定：
h＝[h1，...，hN]， (式4)
Figure GDA0002917283830000053
Figure GDA0002917283830000054
其中，hn为第n个反射单元与AP之间的信道强度，dap，n是无线AP的位置与IRS上第n个反射单元位置之间距离。ρap，n是无线AP的位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗。
在一个可选的示例中，通过如下公式确定IRS的反射系数矩阵或向量
Figure GDA0002917283830000061
(
Figure GDA0002917283830000062
表示gn的共轭,⊙表示哈达玛积)：
Figure GDA0002917283830000063
或者
θ＝[θ1，...，θN] (式8)
Figure GDA0002917283830000064
其中，θn为第n个反射单元的反射系数.。
需要说明的是，本申请中所有涉及到根据参数计算的步骤，可由AP、IRS或UE中的一个或多个设备执行，只要将中间参数发送给要进行计算的设备即可。以下将不再对此做特别说明。
第三方面，本发明提供一种基于IRS的通信***，包括：
处理器，用于在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序指示激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜N，M和N均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射；
所述处理器，用于指示每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，以及根据每个反射单元集合对应的反射电磁信号强度最大时码字所确定的信道时延确定每个反射单元集合与UE的距离；
所述处理器，用于根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的位置；根据UE的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定IRS与UE之间的信道，以及根据无线AP的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定AP与IRS之间的信道；以及根据IRS与UE之间的信道以及AP与IRS之间的信道矩阵确定IRS的反射系数矩阵或向量，基于所述IRS反射系数矩阵或向量实现基于IRS的无线AP与UE之间的有效通信。
具体地，处理器执行的各个步骤可参见上述第一方面提供的通信方法中的详细介绍以及具体实施方式中的描述，在此不做赘述。
可以理解的是，本发明所提供的基于IRS的通信***，可以由无线AP实现，也可以由IRS或UE实现，更进一步地，该通信***还可以由其他具有处理功能的装置或者设备实现，该具有处理功能的装置或设备可以指示IRS按预设时序激活以及按预设时序选择码字，以及可以判别接收端接收的反射信号强度以及接收无线AP和IRS相关已知信息，即可作为本发明所提供的基于IRS的通信***。以下实施例中将不再做特别说明。
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：
本发明提供一种基于IRS的UE位置确定方法、通信方法及***，通过顺序激活各个反射单元，并根据各个反射单元对应的信道时延估计UE的位置。进一步地，基于估计的UE位置确定IRS反射系数矩阵，按照本发明的IRS发射系数矩阵确定方法，在具体实现上，保证有效通信的同时，时间复杂度、空间复杂度都有明显的降低，能够在很短的时间内求出使得AP-IRS-UE信道有效通信的IRS反射系数矩阵。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可以用来确定IRS的发射系数矩阵，从而使得AP-IRS-UE信道有效通信。
附图说明
图1为常规的IRS辅助的无线通信***示意图；
图2为常规的IRS架构示意图；
图3为常规的IRS架构上的RUS单元示意图；
图4为本发明提供的IRS反射系数矩阵θ的确定方法流程图；
图5为本发明提供的IRS反射系数矩阵确定方法的通信***示意图；
图6为本发明提供的AP发射信号方案的某个RUS激活下的通信***示意图；
图7为本发明提供的UE发射信号方案的某个RUS激活下的通信***示意图；
图8为本发明提供的IRS及其RUS单元整体结构示意图；
图9为本发明提供的空间坐标系下的IRS示意图；
图10为本发明提供的IRS辅助无线通信***空间架构示意图；
图11为本发明提供的IRS发射系数矩阵优化和未优化情况下的信道强度与用户位置关系仿真图。
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之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所要解决的技术问题是：在无源IRS辅助的无线通信***中，提供一种可以确定IRS反射系数矩阵的方案，在保证IRS的无源、低成本等特点的同时，克服了现有技术中开销过大的缺陷，实现该无线通信***的有效通信。
特别的，本发明提出了两个新颖的、有效的工具：
1、RUS
RUS是一块IRS的某个区域上的一定数量的可控反射单元的集合。具有灵活性强、存在“激活”状态等特点，可根据实际需要实现多种功能定义，RUS示例如图3所示。
具体地，如图3所示，RUS的灵活性强，一块IRS的RUS数量可自定义；RUS的形状可自定义；一个RUS的反射单元个数可自定义；每个RUS可不相同；IRS上RUS的参数选择可预设也可自适应选择等。另外，RUS存在“激活”状态，可单独控制。当RUS激活时，RUS上的反射单元根据相应的发射系数矩阵反射信号，IRS上其他无关的单元不反射信号，或者把信号发射到接收端不能有效接收的位置；一般情况下是一次只激活一个RUS，在保证不干扰等条件下可以多个RUS同时激活。
进一步地，可根据实际需要，在IRS上选择一定数量、一定大小的RUS，按照一定的时序激活相应的RUS实现信号反射。在一些场景下，比如位置估计等，可使用一定数量的小规模RUS按一定时序激活，可以降低开销；也可以实现在一块IRS上划分出不同的区域，相当于多个IRS在反射信号，提高IRS的灵活性等。
2、RUS码本/码字
定义：RUS码本是一个矩阵，记为
Figure GDA0002917283830000091
其中M为RUS内的反射单元个数、P是码字个数；RUS码字则是其码本W的每一个列向量，记为
Figure GDA0002917283830000092
特点：RUS码本主要用于RUS的反射系数矩阵确定，其每个码字代表着RUS的一个反射方向，因为每一个码字都对应着一个RUS反射系数矩阵
Figure GDA0002917283830000101
所以，RUS码本可以视为码字的集合，或者是对应的RUS反射方向的集合。
RUS码本可由离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，DFT)方法生成，也可以通过其他方法生成。获得对应的RUS码本，在该RUS激活后，根据实际需要，按照一定时序，在码本中选择相应的码字作为该RUS的反射方向。一般情况下，在需要RUS寻找合适的反射方向时才需要使用RUS码本/码字。在这种场景下，激活的RUS按照一定时序选择相应的码字作为反射方向，RUS或者无线通信***的其他组成根据检测结果选择出合适的码字，作为该RUS合适的反射方向。
在一个具体的实施例中，按照本发明，提供的IRS辅助的无线通信***下IRS反射系数矩阵θ确定方法，该方法基本流程如图4所示，通信信道情况如图5、表1所示：
表1相关信道说明
Figure GDA0002917283830000102
如图4所示，本发明提供的基于IRS的通信方法，先估计UE的位置，然后，计算IRS-UE估计信道g和AP-IRS信道h，最后基于计算的两个信道确定IRS发射系数矩阵或向量θ，基于该反射系数矩阵实现AP-IRS-UE之间的绕路有效通信。
如图5所示，本发明在常规的IRS辅助无线通信***(如图1所示)基础上，增加了UE的估计位置
Figure GDA0002917283830000103
IRS-UE估计信道g、AP-IRS-UE的信号强度Hf。本发明通过可得到的AP-IRS信道h、AP-IRS-UE的信号强度Hf可计算出UE的估计位置
Figure GDA0002917283830000104
继而求出IRS-UE估计信道g，最后基于计算的两个信道确定IRS发射系数矩阵或向量θ。
在一个具体的实施例中，IRS反射的电磁信号由无线AP最初发射，则具体地：该方案是上述基本流程的具体化，是AP发射信号的展开，流程概述如下：
在用户UE位置未知、AP和IRS已知的情况下，通过AP发射信号、IRS反射信号、UE反馈信号等，估计出用户UE位置(记为
Figure GDA0002917283830000111
)，然后根据AP位置、用户UE估计位置
Figure GDA0002917283830000112
IRS相关信息等计算出IRS-UE信道g、AP-IRS信道h，进而求出IRS合适的反射系数矩阵θ。
该方法通信示意如图6所示，详细步骤说明如表2所示
表2 AP发射信号方案步骤
Figure GDA0002917283830000113
步骤3中码字的选择策略有多种方案：
从整体上看，若每个RUS里的单元个数、分布相同，则可选的，先求出其中一个RUS的合适码字，将该码字作为公共码字，供其他RUS使用，从而可减少开销。
从细节上看，有以下几个方面：
1)就哪一方选择码字而言：可选的，若是UE选择码字，则UE根据检测结果选择出合适的码字，该码字可直接传给IRS或先反馈给AP间接传输给IRS。可选的，若是IRS选择码字，则UE检测并反馈相关信息(相应码字下的信道强度或者其他可行的指标)给IRS或先反馈到AP再传输到IRS，由IRS选择出合适的码字。
2)就做出码字选择的时间而言：可选的，码字选择可以是在接收该RUS的所***字结果后完成；也可以在接收码字结果的同时判断是否达到可用的要求，发现有合适的码字后可停止码字选择。
3)就码字/码本来源而言：可选的，码本可以是IRS内部预设的；可选的，IRS的码本/码字由AP等外部传输。
码字选择标准：可选的，根据RSSI、RSRP、SNR、SINR、RSRQ、RS-CINR、CQI等选出对应信道强度最好的码字。
步骤4中时延的计算详见表3所示。
表3时延测量简介
Figure GDA0002917283830000121
Figure GDA0002917283830000131
其中，fK＝[f1，...，fK]1×K中fi表示第i个子带的频率，i∈(1，2...K)。一个子载波或者相邻的多个子载波的集合。
Figure GDA0002917283830000132
表示时延为t的电磁路径在所有K个子带的信道响应的共轭。
可选的，根据(式1)至(式3)计算IRS-UE信道g：
g＝[g1，...，gN]，
Figure GDA0002917283830000133
Figure GDA0002917283830000134
其中，f是频率，c是光速，dn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间距离；ρn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数。
可选的，根据(式4)至(式6)计算AP-IRS信道h：
h＝[h1，...，hN]，
Figure GDA0002917283830000135
Figure GDA0002917283830000136
其中，dap，n是无线AP的位置与IRS上第n个反射单元位置之间距离。ρap，n是无线AP的位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗。
设UE估计位置
Figure GDA0002917283830000137
坐标为(xUE，yUE，zUE)，AP坐标为(xAP，yAP，zAP)，IRS各个反射单元的坐标为(xn，yn，zn)(n＝1，2，...，N)，其中N是IRS反射单元总数。则用户UE的估计位置
Figure GDA0002917283830000138
与IRS第n个反射单元的距离为
Figure GDA0002917283830000139
类似的，AP与IRS各个反射单元的距离为：
Figure GDA0002917283830000141
步骤7中反射系数矩阵的计算，可在AP上进行，然后把反射系数矩阵传输给IRS；
可选的，也可以在IRS上进行，IRS接收用户的估计位置等计算出信道，进而计算出发射系数矩阵；可选的，在IRS上进行，IRS接收相关的信道信息，从而计算出发射系数矩阵。
根据(式7)至(式9)计算IRS反射系数矩阵
Figure GDA0002917283830000142
求解：
Figure GDA0002917283830000143
或者
θ＝[θ1，...，θN]
Figure GDA0002917283830000144
需要注意的是，IRS反射单元的相移系数存在离散/量化的情况。在这种情况下，上述计算的IRS发射系数矩阵θ需要进一步计算出离散/量化情况下的合适的解
Figure GDA0002917283830000145
可选的，可以对θ中每个参数分别找出其最邻近的量化/离散值，从而得到量化/离散情况下的反射系数矩阵
Figure GDA0002917283830000146
在另一个具体的实施例中，IRS反射的电磁信号由UE最初发射，则具体地：该方案是基本流程的另一种具体化，与AP发射方案不同的是，是UE发射信号，该方法通信示意如图7所示，详细步骤说明如表4所示，流程概述如下。
在用户UE位置未知、AP和IRS已知的情况下，通过UE发射信号、IRS反射信号、AP接收信号等，估计出用户UE位置(记为
Figure GDA0002917283830000147
)，然后根据AP位置、用户UE估计位置
Figure GDA0002917283830000148
IRS相关信息等计算出IRS-UE信道g、AP-IRS信道h，进而求出IRS合适的反射系数矩阵θ。
表4 UE发射信号方案步骤
Figure GDA0002917283830000151
步骤1：可选的，UE端通过波束扫描或全向天线，并根据AP反馈等可确定IRS的大概位置。
其他各个步骤的细化可参见前面表3中对应的实施例中的描述，在此不做赘述。
按照本发明的IRS发射系数矩阵确定方法，在具体实现上，保证有效通信的同时，时间复杂度、空间复杂度都有明显的降低，能够在很短的时延内求出使得AP-IRS-UE信道有效通信的IRS反射系数矩阵。并且，该方法不限于某一频带，适用范围广。因此，这个方案可以用来确定IRS的发射系数矩阵，从而使得AP-IRS-UE信道有效通信。
在一个具体的实施例中，当AP、UE、IRS位置均未知时，可通过如表5中的方案保证AP-IRS-UE信道有效通信。
表5 AP、IRS、UE位置未知的方案步骤
Figure GDA0002917283830000152
Figure GDA0002917283830000161
NM个RUS形成信道上检测相应的AP-RUS-UE的信道时延
Figure GDA0002917283830000162
进而可得到相应的AP-RUS-UE信道长度
Figure GDA0002917283830000163
其中第i个RUS对应的AP-RUSi-UE信道长度为
Figure GDA0002917283830000164
结合RUS的位置信息，第i个RUS的位置表示为Pi＝(xi，yi，zi)，i＝1，...，NM，设AP位置为
Figure GDA0002917283830000165
UE位置设为
Figure GDA0002917283830000166
可得到相应的NM个方程的方程组：
Figure GDA0002917283830000167
Figure GDA0002917283830000168
Figure GDA0002917283830000169
求解出该方程组即可推算出AP、UE的位置。
在一个更具体的场景应用中，存在一个通信***，主要由一个AP、一个用户UE、一个无源IRS组成，如图8所示。其中，AP与用户UE由于阻挡物而直连信号强度弱；AP、IRS的相关参数已知，包括其位置、IRS具体分布结构等。
IRS为矩形均匀分布结构，如图8所示：反射单元总数为N，其中行数Nh，列数Nv，单元水平间距Dh，单元垂直间距Dv；该IRS上有5个RUS，分别在IRS的四个角以及中心位置，图8中虚线框部分所示，每个RUS含有M个反射单元，都是Mh×Mv的矩形区域(16，4*4)。
RUS码本
Figure GDA0002917283830000171
通过DFT生成，且所有RUS共用一个码本，其中M为RUS内的反射单元个数、P是码字个数。W的每一个列向量都是一个码字
Figure GDA0002917283830000172
其对应的RUS反射系数矩阵为
Figure GDA0002917283830000173
如(式8)。
采用宽带时延估计检测时延：Fc为中心频率；SCS为子载波间隔；Fd为子带带宽；K为子带个数；c是光速。
具体通过如下步骤估计用户位置：
IRS按照一定时序，依次激活5个RUS。
每个RUS下进行如下操作：
该RUSi按照一定时序，依次选择相应的码字wp(p＝1，...，P)作为其反射方向。
码字wp的相应操作如下：
AP分别在K个子带频率(fsub＝[f1，...，fK]1×K)上发射导频/参考信号，在每个子带频率fk下用户UE接收信号并估计信道hp，k。
则码本wp下各个频率对应的信道强度为
Figure GDA0002917283830000174
综合每个频率的信道强度，用
Figure GDA0002917283830000175
表示该码本的综合信道强度：
Figure GDA0002917283830000176
码本wp的相应操作结束。
P个码字的信道情况表示为
Figure GDA0002917283830000181
进而，选择出信道强度最大的码字，即码字序号为
Figure GDA0002917283830000182
所选码字为
Figure GDA0002917283830000183
该码字下的信道为
Figure GDA0002917283830000184
选择码字wopt后，根据宽带时延估计以及(式10)、(式11)，计算AP-RUSi-UE信道时延ti：
Figure GDA0002917283830000185
其中：
Figure GDA0002917283830000186
每个RUS的操作结束。
进而，根据时延可计算出每个AP-RUSi-UE的信道长度：
Figure GDA0002917283830000187
Figure GDA0002917283830000188
由于AP、IRS已知，则每个AP-RUS距离已知为
Figure GDA0002917283830000189
进而，每个RUS-UE距离可求：
DNub-UE＝DAP-Nub-UE-DAP-Nub (式22)
由于每个RUS位置已知，且其与UE的距离已求，可根据三角定位算法求出UE的估计位置
Figure GDA00029172838300001810
信道计算如下：
由于AP、IRS(RUS)已知，则信道AP-IRS为：
h＝[h1，...，hN]，
Figure GDA00029172838300001811
Figure GDA00029172838300001812
其中，dap，n是无线AP的位置与IRS上第n个反射单元位置之间距离。ρap，n是无线AP的位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗。
根据求出的用户估计位置，进而求出信道IRS-UE为：
g＝[g1，...，gN]，
Figure GDA0002917283830000191
Figure GDA0002917283830000192
其中，f是频率，c是光速，dn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间距离；ρn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数。
发射系数矩阵计算如下：
计算合适的IRS反射系数矩阵
Figure GDA0002917283830000193
求解：
Figure GDA0002917283830000194
或者
θ＝[θ1，...，θN]
Figure GDA0002917283830000195
在相移系数量化/离散情况下，上述发射系数矩阵需要进一步进行相应的量化处理：θ上的参数选择最邻近的量化/离散参数，转变成
Figure GDA0002917283830000196
在一个具体的仿真示例中，仿真参数如下：
仿真平台：Matlab。
IRS：行数Nh＝64，列数Nv＝128，反射单元总数N＝8192，单元行间距Dv＝0.005m，单元列间距Dh＝0.005m。
RUS：行数Mh＝4，列数Mv＝4，反射单元总数M＝16。
宽带时延估计：中心频率Fc＝28GHz，子带数量K＝128，子载波间隔SCS＝60KHz，子带带宽Fd＝3.6MHz。
空间位置：以IRS左下角单元为空间坐标原点(0，0，0)，单位长度为1m，如图9所示。IRS在YZ平面上，AP坐标为(5，-5，-1.5)，用户UE位置沿x轴方向，依次从(0，3，1.5)以0.5m为间隔分布到(10，3，1.5)，共21个位置如图10所示。
基于距离的信道损耗系数βi为：
Figure GDA0002917283830000201
其中α＝0.01表示依赖于规定的平均SNR的常数，γ＝2.5表示路径损耗指数，di为AP-IRS-UE信道距离，i是x方向距离，同时作为不同UE位置下的标签。
优化前的IRS反射系数矩阵θ=I，信道强度为：
Figure GDA0002917283830000202
优化后的IRS反射系数矩阵θ＝θopt，由上述步骤可求，信道强度为：
Figure GDA0002917283830000203
说明：如图11所示，Dx表示的是用户UE距离IRS/YZ平面的X方向距离，经过IRS反射系数矩阵优化后的信道通信状况明显更加良好，在Dx＝1m处，优化后的信道强度比未优化的高了约47.7dB。
可以理解的是，本发明还提供一种基于IRS的通信***，该通信***用于实现本发明的通信方法，具体可通过处理器实现前述方法实施例给出的操作，在此不做赘述。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质是非短暂性(non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(magnetic tape)，软盘(floppy disk)，光盘(optical disc)及其任意组合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种基于IRS的UE位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜N，M和N均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射；
每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，从而得到每个激活的反射单元集合对应的信道时延；根据每个反射单元集合对应的信道时延确定每个反射单元集合对应的无线AP与UE之间的信道长度；
当AP和IRS位置已知时，AP与每个反射单元集合的距离已知，将所述无线AP与UE之间的信道长度减去AP与每个反射单元集合的距离，得到每个反射单元集合与UE的距离；根据每个反射单元集合在IRS上的位置和所述每个反射单元集合与UE的距离确定UE的位置；
当AP和IRS位置均未知时，根据所述预设数量的反射单元集合中每个反射单元集合对应的信道长度组成方程组，确定无线AP的位置和UE的位置。
2.根据权利要求1所述的UE位置确定方法，其特征在于，当被IRS反射的电磁信号由无线AP发射时，UE接收IRS反射的电磁信号；
基于所述UE接收的电磁信号估计UE的位置。
3.根据权利要求1所述的UE位置确定方法，其特征在于，当被IRS反射的电磁信号由无线AP发射时，UE接收IRS反射的电磁信号；
所述UE向IRS返回相应的反馈信号，IRS将所述反馈信号反射给无线AP；
根据所述无线AP接收的IRS反射的反馈信号的强度估计UE的位置。
4.根据权利要求1所述的UE位置确定方法，其特征在于，当被IRS反射的电磁信号由UE发射时，UE采用波束扫描或全向天线的方式发射电磁信号；
所述IRS反射UE发射的电磁信号；
根据无线AP接收到IRS反射的电磁信号的强度确定UE的位置。
5.根据权利要求1至4任一项所述的UE位置确定方法，其特征在于，基于三角定位法根据每个反射单元集合在IRS上的位置和每个反射单元集合与UE的距离估计UE的位置。
6.一种基于IRS的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于权利要求1至5任一项所述的UE位置确定方法确定UE的位置；
根据UE的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定IRS与UE之间的信道，以及根据无线AP的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定AP与IRS之间的信道；
根据IRS与UE之间的信道以及AP与IRS之间的信道矩阵确定IRS的反射系数矩阵或向量，基于所述IRS反射系数矩阵或向量实现基于IRS的无线AP与UE之间的有效通信。
7.根据权利要求6所述的通信方法，其特征在于，所述IRS与UE之间在所述电磁信号频率为f下的基于UE估计位置
Figure FDA0002917283820000021
的信道g具体通过如下公式确定：
g＝[g1，...，gN]
Figure FDA0002917283820000022
Figure FDA0002917283820000023
其中，gn为第n个反射单元与UE的信道强度，c是光速，dn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间距离；ρn，ue是估计的UE位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗，α是基于信噪比的常数，γ是路径损耗指数；
所述AP与IRS之间在所述电磁信号频率为f下的信道h具体通过如下公式确定：
h＝[h1，...，hN]，
Figure FDA0002917283820000031
Figure FDA0002917283820000032
其中，hn为第n个反射单元与AP之间的信道强度，dap，n是无线AP的位置与IRS上第n个反射单元位置之间距离，ρap，n是无线AP的位置与IRS第n个反射单元位置之间的路径损耗。
8.根据权利要求7所述的通信方法，其特征在于，通过如下公式确定IRS的反射系数矩阵或向量
Figure FDA0002917283820000033
Figure FDA0002917283820000034
或者
θ＝[θ1，...，θN]，
Figure FDA0002917283820000035
其中，θn为第n个反射单元的反射系数，
Figure FDA0002917283820000036
表示gn的共轭，⊙表示哈达玛积。
9.一种基于IRS的通信***，其特征在于，包括：
处理器，用于在IRS上选择预设数量的反射单元集合，并按照预设时序指示激活各个反射单元集合；每个反射单元集合包括M个反射单元，所述IRS包括N个反射单元；各个反射单元集合被激活后可以反射射向其的电磁信号；1≤M＜N，M和N均为整数；所述电磁信号由无线AP或UE发射；
所述处理器，用于指示每个激活的反射单元集合按照预设时序选择不同的码字，以按照不同反射方向反射射向其的电磁信号；所述码字决定反射单元集合的反射方向；根据各个码字下每个反射单元集合反射的电磁信号在接收端的强度，确定接收端接收的反射电磁信号强度最大时的码字，并确定该码字下的信道时延，从而得到每个激活的反射单元集合对应的信道时延；根据每个反射单元集合对应的信道时延确定每个反射单元集合对应的无线AP与UE之间的信道长度；当AP和IRS位置已知时，AP与每个反射单元集合的距离已知，将所述无线AP与UE之间的信道长度减去AP与每个反射单元集合的距离，得到每个反射单元集合与UE的距离；根据每个反射单元集合在IRS上的位置和所述每个反射单元集合与UE的距离确定UE的位置；当AP和IRS位置均未知时，根据所述预设数量的反射单元集合中每个反射单元集合对应的信道长度组成方程组，确定无线AP的位置和UE的位置；
所述处理器，用于根据UE的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定IRS与UE之间的信道，以及根据无线AP的位置与IRS上各个反射单元位置之间的各个距离确定AP与IRS之间的信道；以及根据IRS与UE之间的信道以及AP与IRS之间的信道矩阵确定IRS的反射系数矩阵或向量，基于所述IRS反射系数矩阵或向量实现基于IRS的无线AP与UE之间的有效通信。
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