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龙图腾网获悉东南大学申请的专利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获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN117614779B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-11-14发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202311569055.X，技术领域涉及：H04L25/02；该发明授权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是由林宇星;金石;尤肖虎设计研发完成，并于2023-11-23向国家知识产权局提交的专利申请。

本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在说明书摘要公布了：本发明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。具体包括：将可重构反射单元按照三维球面拓扑结构有序排列，设计一种球面阵列智能超表面RIS；根据级联信道的多径传播特征，构建基于标准多元分解的波束训练信号模型，通过张量信号处理算法恢复基站侧的路径角度参数；基于球面相位模式激励原理，设计一种RIS训练反射系数波束赋形方法，通过空间谱估计算法恢复RIS侧的等效路径角度参数；基于宽带多载波信号的自由空间传播特性，实现用户路径角度和时延参数的唯一性解耦，完成用户定位。本发明能够以较低的硬件成本和训练开销实现传统平面阵列RIS无法支持的无模糊信道估计，进而实现高精度的用户定位应用。

本发明授权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在权利要求书中公布了：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： 步骤S1，RIS系统与信道建模：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； 步骤S2，波束训练方法设计：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； 步骤S3，信道等效参数估计：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； 步骤S4，参数解耦和用户定位：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； 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： 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 其中，k0＝2πλc为基础波长λc的电磁波波数，下标R指代RIS相关参数，expx＝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； 所述RIS辅助的通信与感知系统中基站配置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 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+kfsK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； 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： 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 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，diagx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改写为 其中，表示Hadamard乘积；将式4代入式3得 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 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张量模型 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；o表示向量外积，×n表示模式-n的张量—矩阵乘积； 基站天线阵列流形为其中为天线间距dB下方位角φ对应的空间频率；采用离散Fourier变换设计基站波束赋形器为 其中，为搜索精度2πNB下的整数搜索码字； 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 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,mφ,θ为l,m阶球面谐波函数 其中，Plmcosθ表示连带Legendre函数，定义为 其中，Plcosθ表示l阶Legendre函数 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： 基于CP张量的性质，训练信号的模式-1展开表示为 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 其中，为选择矩阵；采用酉—旋转不变信号参数估计算法获得基站实际到达角的估计值重构基站阵列响应向量计算其中表示矩阵伪逆；新张量的模式-2,3切片矩阵表示为 其中，ipu＝p-1U+u为基于映射关系的路径索引，为等效噪声；由式13求解信道参数等价于P个观测矩阵为Ψ，成分数为U的压缩感知子问题； 根据球面阵列RIS拓扑，路径i∈Lp＝{ip1,...,ipu}在RIS阵元n处的电磁响应为 其中，req,i,分别表示级联路径等效方向向量的模值、方位角和俯仰角，与信道路径角度参数φeq,i,θeq,i具有如下等式关系 记dφD,p,θD,p+dφA,u,θA,u的元素值为xeq,i,yeq,i,zeq,i，则有其中modN·表示模-N的取模运算，arctan2·,·和arccos·分别表示四象限反正切和反余弦运算； 暂时忽略相关等效角度参数的下标eq,i，将式8的球函数分解为球面Fourier模式的和，重写为 其中，jl·表示第一类l阶球面Bessel函数，·*表示共轭运算；结合式8,16得球面相位模式对阵元域流形的激励为 球面相位模式的离散激励目标是选择阵元域流形相应的球面Fourier模式；由于球面Bessel函数指数衰减，有限规模的RIS球面阵列孔径只能激发有限数量的模式，设L为可激发模式的最高阶数，根据经验法则确定L的值为 其中，表示向上取整；级联路径等效方向向量的模r≤2，则最高阶数L的上界为有效激励球面相位模式的总数为Ttr＝L+1 设计RIS反射单元参数{φ,θ}服从t-design分布，对于|m|≤l,|m′|≤l′，以下球面谐波正交性成立 其中，δx表示离散delta函数；设计波束赋形权重为则式17化简为 设计则RIS波束赋形的波束域阵列响应向量为 l,m阶球面谐波具有如下递归性质 其中，为利用此性质，定义c＝-1,0,1为波束域流形的子向量，其中为选择矩阵，分别提取各阶子向量的前、中、后2l+1个元素；式22递归关系通过如下关系式将各元素联系起来 其中，对角阵分别定义为 计算式13采样自相关矩阵其中·H表示共轭转置；特征值分解获得U个最大特征值对应的特征向量组以表征信号子空间；存在非奇异变换矩阵满足其中为对应的式21波束域流形向量；此时式23改写为子空间形式 其中，其中当L2≥2U时，式25为超定方程组，最小二乘解为作特征值分解得重复上述ESPRIT子空间算法求解P组压缩感知子问题； 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： 获得后，级联路径等效方向向量的两组角度估计值为 其中，|·|和arg·分别表示取模和取相位运算，arctan·表示反正切运算；为筛选出正确的角度估计值，并估计等效方向向量的模{req,i}，对作特征值分解获得Ttr-U个最小特征值对应的特征向量组以表征噪声子空间；基于信号与噪声子空间的正交性，构建多信号分类算法波束域谱 代入各组并进行一维搜索，仅有正确估计值会使出现一个明显谱峰，其位置即为等效方向向量模的估计值 根据恢复对于构建关于{φD,p,θD,p,φA,u,θA,u}总计2U+1个未知变量的3U个有效约束方程，当U≥2时为超定方程组，求解此非线性方程组，实现信道角度参数的唯一性解耦，统计P组压缩感知子问题解的解耦结果，获得更精确的估计值 将回代入式6的RIS阵列流形，计算其中包含估计参数对应RIS和基站阵列响应向量，为的模式-3展开；信道估计波束训练采用连续Ktr≤K路相邻子载波传输导频符号，则等效时延有最小二乘解 等效路径衰落通过下式恢复 选择基站至RIS信道路径p对应的等效路径ipu∈Lp，根据自由空间损耗模型得则用户至RIS信道传播时延的估计值通过下式获得 此外，有基于时延参数估计结果易反推出对应路径衰落的估计值； 至此，球面阵列RIS辅助信道估计方法实现了基站和用户至RIS信道多径角度、时延及衰落参数的唯一性解耦； 基于用户至RIS视距路径的角度和时延参数信息，用户定位应用通过方位——距离定位方法直接实现 其中，为RIS的先验物理位置信息，vc为电磁波传播速度。

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