本文由Saber Hassouna、Muhammad Ali Jamshed、Masood Ur-Rehman、Muhammad Ali Imran和Qammer H. Abbasi共同撰写，发表于2024年的《Scientific Reports》期刊。研究的主要机构是英国格拉斯哥大学的James Watt工程学院。该研究聚焦于利用可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）辅助的近场定位问题，特别是在上行链路场景中，通过RIS透镜对用户设备（User Equipment, UE）进行定位。

研究背景

在无线通信网络中，无线电定位技术为在无法接收全球定位系统（GPS）信号的场景中获取用户位置信息提供了可行的替代方案。随着每一代移动通信技术的发展，定位精度也在不断提升。特别是在第五代（5G）和第六代（6G）通信网络中，随着带宽的增加和大规模天线阵列的使用，定位精度得到了显著提升。然而，现有的定位方法在视距（Line-of-Sight, LOS）链路被遮挡时，往往会产生较大的定位误差。RIS作为一种低成本、高能效的技术，能够在LOS链路被遮挡时建立虚拟的LOS链路，从而提供高精度的定位能力。

研究目标

本研究的主要目标是探索在近场区域中，利用RIS辅助的几何定位方法，特别是在LOS链路被遮挡的情况下，如何通过RIS的相位配置来提高定位精度。研究还提出了一个简化的定位算法，以减少最大似然（Maximum Likelihood, ML）估计器的复杂度。此外，研究还探讨了在近场区域中使用实际的RIS相位依赖幅度模型对定位精度和数据速率的影响。

研究方法

研究首先对Fisher信息矩阵（Fisher Information Matrix, FIM）进行了详细分析，并评估了不同RIS透镜配置对定位精度的影响。研究采用了实际的RIS相位依赖幅度变化模型，并通过仿真验证了在方向性和位置性信道配置下，当用户位置信息已知时，定位性能的优越性。研究还通过位置误差界限（Position Error Bound, PEB）和均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）来评估用户在近场区域中的定位精度。

主要结果

研究结果表明，采用实际的RIS相位依赖幅度模型在近场信道中会增加定位误差，并降低数据速率性能。特别是在幅度值小于1的情况下，文献中广泛使用的RIS相移模型的单位幅度假设是不准确的。研究还发现，当用户距离RIS较远时，数据速率和定位误差都会逐渐增加。此外，研究提出的简化定位算法在计算复杂度较低的情况下，仍能保持较高的定位精度。

结论与意义

本研究通过引入实际的RIS相位依赖幅度模型，揭示了现有文献中广泛使用的理想相移模型的局限性。研究结果表明，采用实际的相位依赖幅度模型能够更准确地反映定位和通信性能，避免了过度乐观的估计。此外，研究提出的低复杂度定位算法为未来的RIS辅助定位系统提供了重要的参考。该研究不仅具有重要的科学价值，还为未来的6G通信网络中的高精度定位技术提供了新的思路。

研究亮点

1. 实际相位依赖幅度模型的应用：本研究首次在实际的RIS相位依赖幅度模型下进行了近场定位分析，揭示了理想模型的局限性。
2. 低复杂度定位算法：研究提出了一种基于角度扩展的简化定位算法，显著降低了计算复杂度，同时保持了较高的定位精度。
3. 多相位配置的Fisher信息分析：通过对不同RIS相位配置的Fisher信息矩阵分析，研究为RIS相位配置的设计提供了理论依据。

未来研究方向

未来的研究可以进一步探讨RIS元件之间的相互耦合和电磁干扰对定位和通信性能的影响。此外，如何在复杂的实际环境中优化RIS的相位配置，以应对多径效应和噪声干扰，也是一个值得深入研究的方向。

数据可用性

研究中生成或分析的数据可根据合理请求从通讯作者处获取。

致谢

本研究得到了EPSRC（工程与物理科学研究委员会）的资助，资助编号为EP/X040518/1。

通过本研究，作者们为RIS辅助的无线通信和定位技术提供了新的见解，并为未来的6G通信网络中的高精度定位技术奠定了基础。