尹 露，江羽辰, 王子陽, 亓麗梅, 李世楠

(北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院, 北京 100876)

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，以5G、物聯(lián)網(wǎng)及可穿戴設(shè)備為核心的應(yīng)用場景將實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。精確的位置信息作為“物”的重要屬性之一，在未來網(wǎng)絡(luò)中將會越來越重要。為了提高位置服務(wù)能力，基于5G、超寬帶、藍牙等技術(shù)的新型定位手段層出不窮。雖然不同定位系統(tǒng)定位精度的影響因素各不相同，但它們都受到多徑效應(yīng)的影響——直射徑與反射、折射徑的相互混疊，會使信號相關(guān)峰嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致測距精度明顯下降；來自不同方向的多徑信號也會使角度測量產(chǎn)生巨大誤差，從而嚴(yán)重影響定位準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)方法只能通過天線設(shè)計、接收機基帶信號處理、濾波技術(shù)、空間信息補償?shù)仁侄伪M量減小多徑的影響[1-4]，這些方法不僅會消耗大量的計算資源，多徑消除效果也不夠理想。

智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)，也稱為可重構(gòu)智能表面或超表面，近幾年得到了廣泛關(guān)注。它是一種極薄的人造平面陣列，一般由亞波長尺寸的周期陣列單元構(gòu)成。通過改變周期單元的結(jié)構(gòu)與尺寸，智能反射面能夠?qū)崿F(xiàn)許多不同于自然界中常規(guī)材料的超常物理特性[5]，如圖1所示。例如，通過控制智能反射面結(jié)構(gòu)可以改變電磁波的反射/折射方向，即令電磁波的傳播不再符合自然界中的斯涅爾定律。這樣，通過控制智能反射面的結(jié)構(gòu)特性或材料屬性，電磁波在空間中的傳播便是可控的。

圖1 智能反射面工作原理示意圖

因此，利用智能反射面不僅可以通過控制電磁波的傳播路徑降低未知多徑的影響，還可以利用多徑，通過讓信號繞過障礙物或增強直射徑信號來提高定位性能。圖2給出了運用智能反射面抑制甚至利用多徑的例子。在傳統(tǒng)定位場景中，信號3、4會被墻壁遮擋，導(dǎo)致終端無法收到足夠數(shù)量的信號，因此無法定位。另一方面，如信號2所示的多徑信號也會對終端的測距精度帶來嚴(yán)重影響，即使在能收到足夠數(shù)量信號的情況下也無法得到高精度的定位結(jié)果。利用智能反射面，類似信號2的無用多徑信號可被智能反射面吸收，從而消除多徑對測距精度的影響；而天線2、3發(fā)出的信號也可通過智能反射面控制反射方向，到達接收機。因此，可通過智能反射面優(yōu)化入射與反射波的路徑，并利用適當(dāng)?shù)亩ㄎ荒Ｐ蛯崿F(xiàn)高精度定位。

圖2 使用智能反射面定位示意圖

本文首先介紹了智能反射面定位的發(fā)展現(xiàn)狀，然后給出了一種非視距下智能反射面的定位方法并分析了其性能，最后對智能反射面定位技術(shù)進行了展望。

1 智能反射面定位發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智能反射面研究進展

智能反射表面是由亞波長反射單元組成的可操縱電磁波的設(shè)備，可在表面邊界提供相位變化。通過操縱振幅和相位的響應(yīng)，智能反射表面可以以不同方式調(diào)制電磁波。智能反射表面的電磁特性，以及小尺寸、無源性和低成本的優(yōu)勢，使其在移動通信領(lǐng)域存在巨大潛力。由于具有主動控制電磁波的能力，智能反射面被認(rèn)為是構(gòu)建未來無線電環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)，在《6G寬帶連接白皮書》中被列為6G通信物理層的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

智能反射面的概念于2010年被提出[7]，隨后，Yu等完成了廣義斯涅爾定律的推導(dǎo)，并基于廣義斯涅爾定律提出了利用V形智能反射面結(jié)構(gòu)，在界面反射點/折射點處改變智能反射面的相位梯度，以實現(xiàn)電磁波反射或折射方向的主動控制[8]。復(fù)旦大學(xué)周磊教授團隊利用廣義斯涅爾定律，提出了一種基于漸變型的相位突變結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了平面波向表面波的轉(zhuǎn)化[9]。這些研究在電磁理論研究的基礎(chǔ)上建立了智能反射面的電磁理論架構(gòu)，但尚未考慮智能反射面本身的生產(chǎn)制造和電路控制。東南大學(xué)崔鐵軍教授團隊提出了名為數(shù)字超材料的可編碼智能反射面概念[10]，集能量輻射和信息調(diào)制功能于一體，在多維度域內(nèi)同時調(diào)控電磁波和數(shù)字信息。具體來說，設(shè)計了分別具有“0”和“π”相位響應(yīng)的兩種單元來模擬“0”和“1”數(shù)字態(tài)，并且結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)使用外部控制器，如現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)對智能反射面進行不同的編碼以實現(xiàn)實時調(diào)控[11-12]。因此，智能反射面從電磁理論到可應(yīng)用于通信的空間編碼理論已經(jīng)被創(chuàng)立，并且對于智能反射面本身還有很多天線設(shè)計方面的創(chuàng)新和應(yīng)用：Kang M.等設(shè)計了一種新型的智能反射面陣元排列模式，可以改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方式，同時實現(xiàn)了投射功能與反射波方向的控制[13];Ding X.M.等設(shè)計了一種單層旋轉(zhuǎn)型智能天線陣元結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對圓極化入射波的透射相位調(diào)控[14];Zhu B.O.等提出了一種利用加載有源器件，改變智能反射面陣元的反射、透射相位以及反射、透射系數(shù)的大小，實現(xiàn)對發(fā)射相位的360°調(diào)控，從而增強了波束賦形能力[15]；Wang Z.B.等設(shè)計了以金屬圓環(huán)為基本結(jié)構(gòu)的智能反射面，金屬圓環(huán)不同的內(nèi)徑大小會改變陣元的電磁特性，從而改變投射波的相位，進而實現(xiàn)對透射電磁波波束方向的調(diào)控[16]；R.A.Tasci等提出了由有源元件組成的智能反射面硬件結(jié)構(gòu)，包括用于反射放大的可變增益放大器，以應(yīng)對倍增的路徑損耗問題，并討論了有源設(shè)計與無源設(shè)計相比的主要優(yōu)勢[17]；Lv W.等提出了一種智能反射面輔助的多天線物理層傳輸方案，研究表明有源智能反射面能夠有效抵抗雙衰落效應(yīng)的影響[18]；P.Bhalekar等從天線設(shè)計的角度，設(shè)計了使用智能反射面構(gòu)型和腔體諧振器的寬帶間隙耦合微帶天線，提高了天線的效率和帶寬，提供小于2dB的駐波比和大于75%的天線效率[19]。

總的來說，目前國內(nèi)外學(xué)者針對智能反射面，從電磁控制、天線設(shè)計、通信傳輸效率等方向進行了有效且開創(chuàng)性的研究，智能反射面這一概念已經(jīng)被完整地構(gòu)建，為智能反射面在通信與定位等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1.2 利用智能反射面進行定位的研究進展

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)是未來發(fā)展的重要方向。定位問題伴隨通信系統(tǒng)也一并發(fā)展成熟，取得了一定程度的突破。目前，高精度定位技術(shù)主要基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在開闊地段有著極為成熟的應(yīng)用和較高的精度。但對于有遮擋或室內(nèi)環(huán)境，傳統(tǒng)定位系統(tǒng)仍受到多徑效應(yīng)的制約，若利用智能反射面這一新型技術(shù)，將定位信號進行反射、透射，可實現(xiàn)對盲區(qū)的覆蓋并減小多徑影響。具體來說，由于智能反射面由大量周期陣列單元構(gòu)成，定位終端可利用其信道在空間域的稀疏性對不同路徑的信號進行識別和參數(shù)估計，同時通過智能反射面進行波束賦形可以有效集中信號能量，極大地降低多徑分量的功率，減小多徑對首達徑的影響，如圖3所示。但現(xiàn)階段智能反射面的研究主要集中在通信領(lǐng)域，有關(guān)智能反射面定位的研究成果仍然有限。

圖3 入射波經(jīng)智能反射面?zhèn)鞑ナ疽鈭D

(1)智能反射面定位模型研究

現(xiàn)有研究對于簡單的智能反射面輔助定位模型已做了詳細(xì)的理論研究和定性定量分析。文獻[20]首次建立了面向智能反射面的定位模型，假設(shè)信號垂直入射到一塊無窮大的反射面，分析了用戶在各個方向時的定位精度；文獻[21]推導(dǎo)了智能反射面輔助下定位誤差的克拉美羅下界，分析指出智能反射面定位精度在相同條件下比傳統(tǒng)散射模型提高了超過70%；另外，文獻[22]推導(dǎo)了相應(yīng)的費雪信息矩陣和位置誤差界表達式，提出了一種新的定位優(yōu)化相位輪廓設(shè)計，該方法基于用戶設(shè)備位置的先驗信息，使其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的隨機和定向波束碼本設(shè)計。上述研究基于理論仿真，為智能反射面應(yīng)用于定位研究提供了方法論,并給出了理論性能最優(yōu)解。

隨著進一步的研究，更復(fù)雜的定位模型被提出，在文獻[23]中，提出了一個具有雙智能反射面的定位系統(tǒng)，通過部署智能反射面增加了一條基站與用戶間的路徑，利用該路徑與直射徑的信號相關(guān)性進行位置解算；無獨有偶，文獻[24]也提出了一種新型雙智能反射面結(jié)構(gòu)，由2個具有相對旋轉(zhuǎn)的反射平面組成，通過兩種解耦模式精確地恢復(fù)多徑參數(shù)，基于估計的信道參數(shù)實現(xiàn)環(huán)境映射和用戶定位。針對反射面位置未知時的定位問題(如應(yīng)急救援時臨時放置的反射面、可穿戴反射面等場景)，文獻[25]建立了一種基于虛擬天線陣列角度估計的定位模型，可實現(xiàn)終端與反射面位置的聯(lián)合估計。這些定位模型的建立進一步拓寬了智能反射面的應(yīng)用范圍，雖然囿于特定場景，但其對定位性能的增益很有優(yōu)勢。

(2)智能反射面對傳統(tǒng)定位方法的增強

在室內(nèi)定位領(lǐng)域中，存在空間不開闊、衛(wèi)星信號受阻、多徑信號復(fù)雜、可用設(shè)備受限、三維定位解算難度較大等問題而無法達到較高的精度，智能反射面可有效增強傳統(tǒng)定位性能。例如，在利用接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)進行定位中，文獻[26]在可獲取Wi-Fi信號強度的環(huán)境中部署智能反射面，通過最小化定位損失函數(shù)以優(yōu)化智能反射面每個反射元件的相移；文獻[27]利用智能反射面增強室內(nèi)環(huán)境的信道，并通過反射面相移的調(diào)整產(chǎn)生易于區(qū)分的無線地圖，用于無線指紋定位估計，并通過監(jiān)督學(xué)習(xí)特征選擇方法降低系統(tǒng)復(fù)雜性。文獻[28]基于一種由分布式智能反射面輔助的室內(nèi)定位架構(gòu)，提出了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)定位模式，在準(zhǔn)靜態(tài)模式中，將預(yù)設(shè)反射系數(shù)并保持恒定以降低使用成本；在動態(tài)模式中，使用兩步定位法及時更新反射系數(shù)，以實現(xiàn)更精確的定位性能，并對該方法的克拉美羅下界進行了推導(dǎo)。文獻[29]提出了一種面向智能反射面定位的毫米波信道模型，給出了智能反射面存在時無線傳播的物理特性，并從智能反射面有效定位的角度為系統(tǒng)設(shè)計者提供了參考方案?？梢娭悄芊瓷涿娴牟渴饘鹘y(tǒng)定位方法有較高的兼容性，同時也為傳統(tǒng)方法提供了新的可優(yōu)化的維度，尤其對于傳統(tǒng)室內(nèi)定位方法的瓶頸提供了更多可能。但對于復(fù)雜的信道環(huán)境，智能反射面如何部署、調(diào)控也是定位領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)。

(3)智能反射面在定位中的應(yīng)用

現(xiàn)有對智能反射面的研究，很多均基于毫米波信號，但毫米波波長短、頻率高的特點，使其近場范圍較大，導(dǎo)致遠場假設(shè)在智能反射面定位下不再有效。文獻[30]考慮了一種近場場景，提出了兩種基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的下行定位算法，比較了兩種算法在同步不匹配情況下的性能，并考慮了帶寬、開銷、工作頻率和延遲之間的權(quán)衡。文獻[31]使用基于智能反射面的透鏡研究發(fā)射機定位方法，將該透鏡連接到接收天線，通過費雪信息分析，評估不同透鏡配置的影響，并提出了一種兩階段定位算法，在有限的硬件資源下實現(xiàn)高性能定位。智能反射面還可作為一種增強已有信號的輔助設(shè)備，如文獻[32]中研究了智能反射面能否在到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)測量中替代一個基站，從而實現(xiàn)單基站TDOA定位，研究表明直射路徑和通過智能反射面的反射路徑之間的TDOA可以實現(xiàn)良好的定位性能。雖然智能反射面有這些實際應(yīng)用的潛力，但其現(xiàn)階段仍存在不夠標(biāo)準(zhǔn)化的問題，與現(xiàn)有的通信定位系統(tǒng)缺乏有效的聯(lián)合優(yōu)化接口。

1.3 基于智能反射面的新型定位架構(gòu)

智能反射面的應(yīng)用使電磁波的傳播具有可控性，與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)相比，基于智能反射面的定位系統(tǒng)不再只包括信源和接收機，還應(yīng)包括電磁環(huán)境控制環(huán)節(jié)。定位過程也從被動式的信號解算變?yōu)橹鲃邮降沫h(huán)境控制+位置估計。因此，整個定位系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)生了較大的變化。為此，本文建立了一種新型層次化環(huán)境控制-位置解算聯(lián)合定位架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 層次化環(huán)境控制-位置解算聯(lián)合定位架構(gòu)

(1)配置層

配置層是指整個定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與計算中心，可將其理解為整個定位系統(tǒng)的“大腦”。配置層可收集定位系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，并通過相關(guān)算法給出信源、智能反射面的配置參數(shù)，從而實現(xiàn)整個定位系統(tǒng)的最優(yōu)化運行。

(2)控制層

由硬件元件與連線組成的控制層可以對智能反射面中的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)進行編程控制?？刂茖又械倪B線將可重構(gòu)的智能反射面開關(guān)與配置層相連，以便對開關(guān)進行單獨控制。從功能上，控制層接收配置層的指令，完成對智能反射面的結(jié)構(gòu)控制，從而實現(xiàn)對電磁波傳播方向的控制。

(3)信源層

指定位信號源。一般為位置已知的無線基站或傳感器節(jié)點。在新型定位架構(gòu)中，定位信號源不再只播發(fā)全向的廣播信號，還要向不同定位用戶播發(fā)定向信號，因此信源層也需接收配置層指令，實現(xiàn)對信號的定向播發(fā)。

(4)智能反射面層

由智能反射面組成的硬件層，智能反射面的狀態(tài)受控制以實現(xiàn)需要的電磁功能。智能反射面層包含主動部分和被動部分，即包含傳導(dǎo)材料(被動)和開關(guān)(主動)。改變開關(guān)的狀態(tài)(傳導(dǎo)/絕緣)就可以改變智能反射面的電磁特性。

(5)測量層

測量層完成對定位信號的測量，如傳播時間、到達角度等信息。測量層將測量的結(jié)果傳遞給解算層。與傳統(tǒng)定位信號測量過程不同，智能反射面對信號的反射、折射會導(dǎo)致信號相位的變化，測量模型中還需要考慮智能反射面的影響。

(6)解算層

解算層負(fù)責(zé)將定位網(wǎng)中收集到的所有信息整合，實現(xiàn)對接收機位置的精確估計。與傳統(tǒng)定位網(wǎng)絡(luò)不同，基于智能反射面的定位系統(tǒng)可將接收機位置和信號傳播路徑進行聯(lián)合估計。該過程既不同于香農(nóng)模型，也不同于維納濾波模型，而是通過定位估計進一步優(yōu)化環(huán)境信道，從而實現(xiàn)環(huán)境控制與定位估計的聯(lián)合解算。

2 基于用戶位置與IRS波束聯(lián)合優(yōu)化的非視距定位方法

2.1 定位模型

基于上述智能反射面定位架構(gòu)，建立非視距場景下智能反射面定位模型，如圖5所示，其中基站(Base Station，BS)與移動終端(Mobile Terminals，MT)之間的視距路徑被完全遮擋，θi為BS發(fā)射波束到IRS的入射角，θr為波束通過IRS相移之后的反射角，θs為通過MT觀測IRS的角度，l1、l2分別為BS、MT與IRS的垂直距離。定位信號采用OFDM調(diào)制，共包含N個子載波。

圖5 非視距場景下智能反射面定位

不同于自由空間中的信道衰減，由于IRS的加入，定位系統(tǒng)中級聯(lián)信道的路徑損耗需要考慮入射角θi、反射角θr以及觀測角θs的影響。根據(jù)電磁波散射場的傳播原理，通過IRS反射波束的增益還與反射面的面積ab以及BS與IRS的距離ri有關(guān)[33]。因此，路徑損耗可以表示為

(1)

其中，GT、GR分別是BS的發(fā)射天線增益和MT的接收天線增益；λ為電磁波波長；a、b分別為IRS尺寸的長和寬；rr為IRS與MT的距離；Nm為組成IRS的反射單元數(shù)量。由式(1)可知，當(dāng)θr=θs時，路徑損耗最小，可以表述為

(2)

將IRS的相移配置矩陣定義如下

(3)

其中，φn∈[-π,π]表示IRS中第n個反射單元的相移。不同觀測角下的路徑損耗如圖6所示，可以看出，當(dāng)a和b小于波長時，IRS像普通反射體一樣，并不能提供增益。隨著IRS尺寸的增大，路徑損耗的最大值和一般值都變大，而波束的寬度在減小。當(dāng)θr=θs時，波束的主瓣對準(zhǔn)了接收機MT，此時得到最大增益。結(jié)果表明，IRS的尺寸增大可以起到提高增益的效果，但是存在邊際效應(yīng)，即增大IRS尺寸獲得的信號增益提升越來越小。

圖6 不同尺寸的IRS路徑損耗

(4)

其中，ω表示BS的波束賦形矩陣；s表示傳輸符號；z是獨立同分布的加性高斯白噪聲，在接收器處的功率譜密度為N0/2。

類似傳統(tǒng)多輸入多輸出(Multi Input Multi Output，MIMO)信道模型[34-35]，BS-IRS之間的信道H1可表示為

(5)

其中，t1=e-j2π(n-1)τ/(NTs)表示信道H1第n個子載波中由傳播時間τ產(chǎn)生的相位差，Ts為信號采樣間隔；aM,T和aT,M分別代表IRS反射單元和BS陣列天線的響應(yīng)矩陣

(6)

(7)

2.2 改進的壓縮感知信號恢復(fù)算法

首先，由于智能反射面信道在空間信號中的稀疏性，提出了一種在波束空間域的信道表示

(8)

(9)

(10)

該表示下的信道Hv是稀疏的，如圖7所示，并且圖中的峰值位置包含了定位解算所需的θi和θs信息。

圖7 智能反射面定位信道的稀疏表示

因此，可由式(4)和式(8)推導(dǎo)出MT接收到L個波束信號的表達式為

yv=Ωhv+z

(11)

在傳統(tǒng)的正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit，OMP)算法中，存在最小二乘法矩陣求逆不準(zhǔn)確的問題，本文提出的算法將支撐集也進行正交化，使得整個迭代過程完全在正交域中，避免了這一問題。因此,算法的輸入包括傳感矩陣Ω和接收信號yv。初始化迭代計數(shù)器l=1，正交系數(shù)向量χn=0，支撐集r為空集，殘差向量rn,-1=0,rn,0=yv。εn,i是Ω的第i列。通過優(yōu)化下式的問題，求取每個信號的殘差在觀測矩陣中每一列的投影,并取最大值作為支撐集的新索引，加入支撐集中，本質(zhì)上就是求最相關(guān)的列向量

(12)

然后,對支撐集新引入的列向量進行正交化

(13)

(14)

(15)

(16)

然后計算定位參數(shù)，首先通過迭代結(jié)果得到支撐集的索引ni,1和nr,1求出的信道表示中θi、θs對應(yīng)的角度的估計值

(17)

(18)

最后，根據(jù)相鄰子載波的相位差得到定位參數(shù)到達時間,從而求得BS-IRS-MT反射路徑的總距離r。

2.3 用戶位置與IRS波束聯(lián)合優(yōu)化

當(dāng)定位過程完成后，移動終端將解算出的位置信息、信道信息傳送給基站，基站根據(jù)解算結(jié)果對基站以及智能反射面的波束進行優(yōu)化。移動終端接收到的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)表達式為

(19)

為了達到最高的定位精度，需要對智能天線的配置矩陣Θ以及基站的波束賦形矩陣ω進行優(yōu)化，使信噪比ρ最高，由此可以得到以下的優(yōu)化問題

(20)

(21)

其中，PTmax為基站的最大發(fā)射功率。基于交替優(yōu)化的原則，將最大比例傳輸(Maximum Ratio Transmission，MRT)對應(yīng)的波束賦形矩陣

(22)

作為最優(yōu)波束賦形矢量代入P1，此時優(yōu)化問題P1可以簡化為優(yōu)化問題P2

(23)

s.t. 0≤φi≤2π,?i=1,…,Nm

(24)

因此，智能反射面第i個元件的相移可以通過式(25)獲得

(25)

2.4 性能分析

本文通過仿真對比了所提出的聯(lián)合優(yōu)化定位方法與未優(yōu)化的定位結(jié)果均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)，以驗證提出方法的可行性和定位性能的提升。除特別說明外，仿真中的主要參數(shù)取值為：載頻fc=3GHz，信道帶寬B=10MHz，光速c=299792458m/s，收發(fā)天線數(shù)Nt=Nr=31，子載波數(shù)N=10，系統(tǒng)噪聲功率0dBm。BS和MT的位置分別設(shè)為posBS=[0,0]和posMT=[40m,-10m]。IRS的位置為[20m,20m]。天線系統(tǒng)的增益為GT=GR= 10dB。IRS的尺寸為a=b=10λ，發(fā)射波束的數(shù)量為L=40。在每一個條件下進行100次蒙特卡羅實驗。

定位均方根誤差如圖8所示。結(jié)果表明，在發(fā)射功率較低的條件下，提出的IRS優(yōu)化方法能保持定位誤差處于較低的水平，當(dāng)PT從-10dBW到0dBW時，定位誤差從1.5m降到了0.2m。然而對于未優(yōu)化的情況，定位誤差普遍高于優(yōu)化后的2倍以上，尤其當(dāng)信號功率過低時，會出現(xiàn)解算失敗的情況。

圖8 優(yōu)化前后的定位誤差對比

圖9 優(yōu)化前后估計觀測角的誤差對比

圖10 優(yōu)化前后的測距誤差對比

為了驗證IRS輔助定位的有效性和可靠性，對比了優(yōu)化前后在MT處于不同位置時的定位誤差，如圖11和圖12所示。在未優(yōu)化的情況下存在一些特定角度范圍的盲區(qū)，這是因為普通方法無法使反射角對準(zhǔn)MT，從而導(dǎo)致有些角度的損耗位于圖6中的一些極小值，而本文的優(yōu)化定位方法具有良好的魯棒性，可以在比較大的范圍保持較低的定位誤差。

圖11 不同MT位置未優(yōu)化的定位誤差

圖12 不同MT位置優(yōu)化后的定位誤差

3 智能反射面定位技術(shù)研究展望

定位與智能反射面技術(shù)分屬2個不同學(xué)科，雖然目前國內(nèi)外分別對二者進行了大量研究，但是將智能反射面用于定位的研究仍處于起步階段。由于智能反射面對電磁波的控制特性，其定位模型和算法將與傳統(tǒng)定位方式有很大不同，并可極大地提高定位性能。

3.1 智能反射面衍生新型定位場景

智能反射面體積小、功耗低、質(zhì)量小，易于布設(shè)在樓宇、房間等位置，也可將其與柔性材料相結(jié)合，制作成可穿戴設(shè)備，從而在全空間實現(xiàn)對電磁環(huán)境的控制。利用無處不在的智能反射面，可實現(xiàn)精準(zhǔn)的波束控制及超大規(guī)模的協(xié)同定位，同時也會大幅提高定位系統(tǒng)的復(fù)雜性，使定位過程不再是被動地接收定位信號，而需要定位環(huán)節(jié)的各個部分實現(xiàn)系統(tǒng)化的協(xié)同控制。

3.2 智能反射面定位與通信技術(shù)的結(jié)合

部署IRS的通信系統(tǒng)可有效地提高系統(tǒng)吞吐量并降低能耗[36]，其在通信系統(tǒng)中有著更廣泛的應(yīng)用。實際場景中，考慮到系統(tǒng)建設(shè)成本及通信與導(dǎo)航的集成使用需求，智能反射面定位通常要在通信系統(tǒng)上實現(xiàn)，因此如何將智能反射面定位與通信技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)面向智能反射面的通信導(dǎo)航一體化也是發(fā)展方向之一。

3.3 智能反射面定位中的資源分配

傳統(tǒng)定位信號多以廣播形式播發(fā)，并不區(qū)分用戶，智能反射面由于其方向性，需要給不同用戶播發(fā)不同的波束，合理分配波束資源是智能反射面定位的基礎(chǔ)。由此還會帶來類似于通信系統(tǒng)的用戶容量問題，如何實現(xiàn)高并發(fā)定位也是智能反射面定位需要解決的問題之一。另一方面，面對不同用戶的差異化定位需求(例如無人設(shè)備與行人對定位精度和定位可靠性的需求明顯不同)，如何給不同用戶合理地分配帶寬、功率、波束等有限的物理資源，也是未來智能反射面定位的發(fā)展方向之一。

3.4 人工智能在智能反射面定位中的應(yīng)用

近幾年，人工智能與定位技術(shù)的結(jié)合得到了廣泛研究，大量研究成果表明,人工智能對定位性能具有顯著提升。在更復(fù)雜的智能反射面定位中，利用人工智能實現(xiàn)對定位性能的增強[37]也是未來的發(fā)展方向之一。

4 結(jié)論

本文首先介紹了近幾年得到廣泛關(guān)注的智能反射面研究進展，并分析了利用智能反射面定位的研究現(xiàn)狀。根據(jù)智能反射面對電磁波的控制特性，給出了基于智能反射面的新型定位架構(gòu)，建立了基于智能反射面的非視距定位模型。在該模型基礎(chǔ)上提出了一種改進的壓縮感知信號恢復(fù)算法，通過對定位參數(shù)的求解而非完整信道矩陣的重構(gòu)，避免了傳統(tǒng)OMP算法中存在的大維度稀疏矩陣無法求逆的問題。通過對用戶位置與IRS波束進行聯(lián)合優(yōu)化，實現(xiàn)了基于智能反射面的非視距定位。仿真結(jié)果表明，智能反射面相位優(yōu)化后使定位誤差降低50%以上。最后，對智能反射面定位技術(shù)進行了展望，供研究人員參考。