CN112505624B - 一种基于环境反向散射的定位*** - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于环境反向散射的定位***。本发明根据接收机接收到的信号包含来自环境射频源的直射链路信号和经过反向散射体反向散射的环境信号，通过空域信号处理技术计算信号的到达角度，计算结果包含直射链路信号和反向散射信号的到达角度，利用反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，区分直射链路和反向散射信号的到达角度，根据反向散射信号的到达角度，解算出反向散射体的坐标实现定位。本发明适用于物流仓库等室内平面定位场景，方案实施简单，具有很强的应用价值。

Description

一种基于环境反向散射的定位***

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于环境反向散射的定位***。

背景技术

随着5G时代的到来，物联网将迎来飞速发展的阶段，未来通信网络将会随着物联网设备的急速增长而带来巨大的流量和巨大的连接数。在当前5G时代乃至于未来6G新愿景下，高效利用频谱资源是解决物联网巨流量巨连接挑战的有效手段之一。，环境反向散射技术将传统反向散射通信***的专用射频源替换成环境射频源，可以减少部署专用射频源的成本，提升了频谱资源的利用率，具有实现高频谱效率、低能耗的定位***的潜力。

在现实应用场景中，射频源信号和环境反向散射信号通常都来自不同的方向，利用这个特点，可以在空域中区分射频源信号和环境反向散射信号，进而可以得到相应的信号到达方向。在一些应用场景中，可以实现对反向散射体的信号方向进行准确的估计，进而实现对反向散射体的定位。

发明内容

本发明的主要内容是提出一种基于环境反向散射技术的定位***设计，实现了对环境反向散射体的定位。

本发明使用接收机接收信号，接收到的信号通常包含来自环境射频源的直射链路信号和经过反向散射体反向散射的环境信号，接收机通过空域信号处理技术计算信号的到达角度，计算结果通常包含了两个角度，即直射链路信号和反向散射信号的到达角度。本发明利用反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，可以区分直射链路和反向散射信号的到达角度，得到反向散射信号的到达角度后，通过***方案低成本高效率地解算出反向散射体的坐标。

本发明的技术方案是：

一种基于环境反向散射的定位***，包括射频源、多个有M根天线的接收机、反向散射装置，M≥3；接收机接收直接链路信号和经过反向散射装置反向散射的环境信号，接收机分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度，根据反向散射信号的到达角度和已知的多个接收机的位置坐标，获得反向散射装置的坐标。

所述接收机分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度的具体方法为：

假设接收机接收到的信号为：

y(t)＝y_d(t)+y_b(t)+ω(t)

其中，y_d(t)为接收到的直接链路信号，y_b(t)为接收到的反向散射信号，ω(t)是服从循环对称高斯分布的噪声；通过DOA估计算法分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度，再根据反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，区分出直射链路和反向散射信号的到达角度。

所述获得反向散射装置的坐标的具体方法为：

假设位置坐标为(x₀,y₀)的接收机获得的到达角度为θ₀，在位置坐标为(x₁,y₁)的接收机获得的到达角度为θ₁，则获得反向散射装置的坐标

为：

上述方案为针对采用多个接收机的情况，对于采用一个接收机的情况，根据接收机在不同位置坐标获得的反向散射信号的到达角度，来计算反向散射装置的坐标即可，具体为：

假设接收机在位置坐标(x₀,y₀)处获得的到达角度为θ₀，将接收机移动到位置坐标(x₁,y₁)处获得的到达角度为θ₁，则获得反向散射装置的坐标

为：

本发明的有益效果是：通过利用环境反向散射通信***中射频源信号和反射信号通常不会以相同角度到达接收机的特性，单独估计出反射信号的到达角度，进而估计出反向散射体的具***置。该方案适用于物流仓库等室内平面定位场景，方案实施简单，具有很强的应用价值。

附图说明

图1为本发明的***结构示意图；

图2为本发明的实施流程示意图；

图3为仿真中反向散射链路到达角估计准确率与反向散射链路信噪比关系示意图；

图4为定位仿真蒙特卡罗实验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的定位***，包括环境射频源、一台或多台部署有M(M≥3)根天线的接收机、反向散射体。其中，环境射频源不需要单独部署，可以以附近的基站，WiFi热点作为射频信号源。反向散射体上可以部署单天线，也可以部署多天线。每台接收机设备部署M根接收天线，如果使用两台及以上接收机进行接收，则通过将接收机部署在不同的已知位置，同时计算出反向散射信号的多个到达角，进而解算出反向散射体的坐标。如果使用一台接收机进行接收，则可以通过将接收机按照固定的规律移动到已知位置，通过移动过程模拟多接收机接收信号，进而解算出反向散射体的坐标。

图中h代表环境射频源到反向散射体的信道参数，f代表环境射频源到接收机的信道参数，g代表反向散射体到接收机的信道参数。

本发明中：

环境射频源发射射频源信号

其中s(t)是环境射频源基带信号，发射功率为p_s，f_c是环境射频源信号的载波频率。

设接收机编号为0的阵元接收到的环境射频源信号的带通形式为：

其中，f代表环境射频源到接收机之间信道的信道参数，其数字下标代表接收机对应编号的天线。

以均匀线性阵列为例说明接收过程：编号为m的阵元相对于编号为0的阵元的传播时延为

其中c是光速，d是阵元间隔，θ为信号到达方向同阵元朝向之间的平面夹角，即信号入射角度，τ为编号为1的阵元相对编号为0的阵元的传播时延

接收机编号为m阵元接收到的环境射频源信号的带通形式为：

根据实际应用场景，可以做出如下的假设：

1.环境射频源与接收机相隔较远，入射波为平面波，阵元间隔小。因此信道参数f_m对于所有的m∈[0,M-1]相同。

2.s(t)的带宽远小于载波频率，因此阵元间的时延相较于符号间隔可以忽略不计。因此对于所有接收阵元，在同一时刻s(t)相同，即s(t)≈s(t-τ_m)

因此，到达接收机每个阵元的环境射频源的信号，可以写为：

由于时延的原因，到达每个阵元的信号仅仅在相位上有所不同。编号为m的阵元与编号为0的阵元对于接收到的环境射频源信号相位差为

其中，f_c是环境射频源信号的载波频率，τ_m为编号为m的阵元相对编号为0的阵元的传播时延.

阵元阵列间隔d设定为载波的半波长，即

λ为载波波长，信号到达的方向是θ，则

因此

令

代表编号为m的阵元接收到的直射信号相对于编号为0的阵元的直射信号相位偏移，则

其中θ_d是环境射频源信号(直射信号)的入射方向。定义方向矢量为a_f(θ_d)＝[1,a_f,1(θ_d),...,a_f,M-1(θ_d)]^T，则所有阵元接收到的来自直射链路的环境射频源信号为：

环境射频源的信号经过反向散射体进行反射后，会到达接收机。反向散射体接收到的环境射频源信号为：

其中h代表环境射频源到反向散射体之间的信道参数。

反向散射体会将自身基带信号c(t)调制到

上并反射，设反射系数为α，因此反向散射体向接收机发射的反射信号为：

接收机均匀线性阵列对于反射信号的接收，和对于环境射频源信号接收的推导一样，信道参数g_m对于所有的m∈[0,M-1]相同。不同阵元接收到的反射信号由于信号到达方向的不同存在相位差。接收机编号为m的阵元接收到的反射信号为：

其中h代表环境射频源到反向散射体之间的信道参数，g代表反向散射体和接收机之间的信道参数，其下标代表接收机对应编号的天线。

代表编号为m的阵元接收到的反射信号相对于编号为0的阵元的反射信号相位偏移，θ_b是反射信号的到达角。定义方向矢量为a_g(θ_b)＝[1,a_g,1(θ_b),...,a_g,M-1(θ_b)]^T，所有阵元接收到的反向散射信号为：

接收机接收到的信号为：

y(t)＝y_d(t)+y_b(t)+ω(t)

其中，ω(t)是服从循环对称高斯分布的噪声。

接收机通过对接收到的信号进行数字信号处理，得到接收到信号各个分量的到达角度的可靠估计，通过设计具体接收方案来得到关于反向散射体反射信号的多个角度，进而计算得到反向散射体的二维坐标数据。

对于通过接收信号估计DOA的算法较多，下面例举一种：

已知接收机接收到的信号带通形式如下：

y(t)＝y_d(t)+y_b(t)+ω(t)

其中，

ω(t)是服从循环对称高斯分布的噪声，方差为σ²。a_f(θ_d)＝[1,a_f,1(θ_d),...,a_f,M-1(θ_d)]^T，a_g(θ_b)＝[1,a_g,1(θ_b),...,a_g,M-1(θ_b)]^T是方向矢量，

接收机进行相干接收、采样和数字信号处理后得到的数字信号为

s(n)代表环境射频源信号对应的符号，c(n)代表反向散射体本身产生的符号。接收处理后的数字信号去掉了载波，但是不同阵元接收信号之间的相位偏移依然存在。

接下来对y(n)进行处理，可以得到y(n)中两个信号分量的DOA信息。

具体DOA估计算法实施如下：

1.根据设定的采样数目N，进行N次采样获得样本序列y(n)，其中

2.计算y(n)自相关矩阵R，R＝E{y(n)y^H(n)}，这里可以用时间平均代替统计平均，即

3.对R进行特征值分解，由于目标信号数目只有2个，因此得到最小的M-2个特征值对应的归一化特征向量u_i，其中i＝3,4…,M。

u_i＝[u_i0,u_i1,...u_i(m-1)]^T

4.构造向量a(z)，a(z)＝[1，z^-1,...,z^-(M-1)]^T。

构造如下函数：

乘以自身共轭转置，得到f_i(z)＝a^H(z)u_iu_i ^Ha(z)＝|a^H(z)u_i|²,i＝3,4,...,M。

5.定义多项式

令其为0，解方程。求得z的值。

6.目标信号数目为2个，对z值求模减去1后再取绝对值从小到大进行排序。这样会找到4个最接近模为1的根(会出现重根)。由于反向散射体反射的信号经历了两次衰减，其信号强度远远小于直射信号。因此第一个根，即模最接近1的根代表的角度为直射信号到达角，第4个根代表的角度为反向散射体反射的信号到达角。

7.由于z＝e^jφ，φ是空间角频率，φ＝-π sin θ。因此

计算得到信号到达方向估计。

获得反向散射信号的到达角度后，即可计算反向散射装置的坐标，完整的流程如图2所示，由于环境射频源是环境中已经存在的信号源不需做其他设置，以一台接收机的接收为例：

1.启动反向散射体，内部电路激活，反向散射体的符号c(n)控制反向散射体内部阻抗切换状态，对环境射频信号进行反射。

2.在已知坐标点启动接收机，该已知坐标点设为(x₀,y₀)。

3.接收机接收信号，采集N个样点进行一次反向散射体信号的到达方向估计。

4.接收机移动到另一个已知坐标点，该已知坐标点设为(x₁,y₁)。接收机天线朝向不变。

5.接收机接收信号，采集N个样点进行一次反向散射体信号的到达方向估计。

6.根据两次测量结果计算出反向散射体坐标。

根据三角原理，假设天线朝向为y轴正方向，从左侧入射的信号为正角度，从右侧入射的信号为负角度，估计到的信号到达角范围为θ∈[-90°,90°]，当Tag的位置为

时，设接收机在(x₀,y₀)估计到的角度为θ₀，在(x₁,y₁)估计到的角度为θ₁。那么有：

上述是针对一台接收机提出一种***方案，此外可以使用两台接收机来代替接收机的移动操作，以获得两次测量结果以计算反向散射体坐标。

如图3所示，为性能仿真结果，设定角度估计偏差值不超过1°作为一次有效的估计，通过若干次蒙特卡罗实验计算在不同条件下进行有效估计的概率。设定反向散射体反射信号与噪声的信噪比范围在-10dB到-28dB之间，而直射链路信噪比与反射链路信噪比之比固定为10dB。因此，直射链路信噪比范围在0dB到-18dB之间。环境信号设置成服从高斯分布的信号，信道参数为块衰落的服从瑞利分布的信道参数，反射符号周期设定为环境信号符号周期的8倍，设定每一次计算采集了10000个样本点，接收机阵元数目为8。

由仿真结果可知，信噪比在-18dB以上时可以得到较为准确的估计(准确率在95％以上)，而信噪比低于这个值时，估计性能会严重恶化。

Claims (2)

1.一种基于环境反向散射的定位***，其特征在于，包括射频源、多个有M根天线的接收机、反向散射装置，M≥3；接收机接收直接链路信号和经过反向散射装置反向散射的环境信号，接收机分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度，根据反向散射信号的到达角度和已知的多个接收机的位置坐标，获得反向散射装置的坐标；

所述接收机分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度的具体方法为：

假设接收机接收到的信号为：

y(t)＝y_d(t)+y_b(t)+ω(t)

其中，y_d(t)为接收到的直接链路信号，y_b(t)为接收到的反向散射信号，ω(t)是服从循环对称高斯分布的噪声；通过DOA估计算法分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度，再根据反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，区分出直射链路和反向散射信号的到达角度；

所述获得反向散射装置的坐标的具体方法为：

假设位置坐标为(x₀,y₀)的接收机获得的到达角度为θ₀，在位置坐标为(x₁,y₁)的接收机获得的到达角度为θ₁，则获得反向散射装置的坐标

为：

2.一种基于环境反向散射的定位***，其特征在于，包括射频源、一个有M根天线的接收机、反向散射装置，M≥3；接收机接收直接链路信号和经过反向散射装置反向散射的环境信号，接收机分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度，根据接收机在不同位置坐标获得的反向散射信号的到达角度，获得反向散射装置的坐标；

所述接收机分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度的具体方法为：

假设接收机接收到的信号为：

y(t)＝y_d(t)+y_b(t)+ω(t)

其中，y_d(t)为接收到的直接链路信号，y_b(t)为接收到的反向散射信号，ω(t)是服从循环对称高斯分布的噪声；通过DOA估计算法分别获得直射链路信号和反向散射信号的到达角度，再根据反向散射信号相比较于直射链路信号会经历两次衰落的特性，区分出直射链路和反向散射信号的到达角度；

所述获得反向散射装置的坐标的具体方法为：

假设接收机在位置坐标(x₀,y₀)处获得的到达角度为θ₀，将接收机移动到位置坐标(x₁,y₁)处获得的到达角度为θ₁，则获得反向散射装置的坐标

为：

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