【RIS 辅助的 THz 混合场波束斜视下的信道估计与定位】在混合场波束斜视效应下，利用太赫兹超大可重构智能表面感知用户信道与位置附Matlab代码

原创于 2025-12-16 11:27:17 发布 · 731 阅读

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#重构 #matlab #开发语言

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🔥 内容介绍

太赫兹（Terahertz, THz）通信凭借超大带宽、超高传输速率的优势，成为支撑6G空天地一体化通信、智能交通、工业互联等场景的核心技术之一。与此同时，THz信号的窄波束特性与高频段感知能力，使其天然具备通信与定位融合的潜力，可实现“通感一体”协同优化。然而，THz频段存在路径损耗严重、大气衰减显著等固有缺陷，极大限制了通信与定位的覆盖范围和可靠性。

可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）作为一种新型智能超表面，通过调控单元反射系数实现对电磁波的相位、幅度和极化的灵活操控，能够有效补偿THz信号的路径损耗，拓展通信覆盖范围，同时可通过波束赋形优化提升定位精度。在实际THz通信系统中，由于用户移动性、基站与RIS部署位置差异等因素，混合场波束斜视效应不可避免——即发射波束与RIS反射波束存在角度偏移，导致信道特性呈现时变、空变的复杂特征，给信道估计与定位带来严峻挑战。

当前混合场波束斜视下的THz信道估计与定位面临三大核心挑战：一是斜视效应导致信道参数耦合严重，角度扩展、时延扩展与多普勒扩展相互交织，传统信道估计方法难以精准建模；二是THz频段信道稀疏性与RIS单元海量性并存，信道估计的维度灾变问题突出，计算复杂度极高；三是斜视场景下波束指向偏差会引发定位误差累积，难以实现高精度用户定位。因此，研究RIS辅助的THz混合场波束斜视下的信道估计与定位技术，利用RIS的感知与调控能力提取用户信道特征与位置码，对推动THz通感一体技术的实际应用具有重要意义。

本文针对混合场波束斜视效应下的THz通信定位需求，提出一种基于RIS感知的信道估计与定位融合方案。首先解析THz混合场波束斜视信道的特性与RIS调控机理，随后构建融合RIS感知的信道估计模型与位置码提取方法，设计低复杂度的联合优化算法，最后通过仿真验证方案在信道估计精度与定位性能上的优势，为6G通感一体系统的设计提供技术支撑。

核心理论解析：THz混合场波束斜视特性与RIS调控机理

THz混合场波束斜视场景下，信道特性与RIS调控机制存在显著的特殊性，需从信道传播特性、波束斜视效应影响、RIS感知与调控原理三个层面明确核心理论基础，为后续信道估计与定位方案设计提供支撑。

1. THz混合场波束传播与信道特性

THz混合场波束由基站发射波束与RIS反射波束叠加形成，其传播特性主要体现在三个方面：一是高频段窄波束特性，THz波束半功率角通常小于1°，能量集中但指向性要求极高，轻微角度偏移即会导致接收功率显著下降；二是混合场多径特性，信道主要由直射路径（Line-of-Sight,LoS）、基站-RIS-用户反射路径（Reflected Line-of-Sight, RLoS）组成，非视距（Non-Line-of-Sight, NLoS）路径因衰减过大可忽略；三是稀疏时变特性，THz信道的多径数量远少于低频段，且用户移动与波束斜视会导致信道参数随时间快速变化，呈现强时变稀疏特征。

THz混合场信道的核心参数包括：路径时延τ、到达角（Angle of Arrival, AoA）、离开角（Angle of Departure, AoD）、RIS反射单元相位偏移φ、路径增益α。其信道冲激响应可表示为：

h(t,τ) = Σαₖ(t)·exp(jφₖ(t))·δ(τ - τₖ(t))

其中，k为路径索引，δ(·)为冲激函数，αₖ(t)、φₖ(t)、τₖ(t)分别为第k条路径的时变增益、RIS反射相位偏移及时变时延。

2. 混合场波束斜视效应的核心影响

混合场波束斜视效应是指基站发射波束与RIS反射波束的传播方向存在夹角θ（斜视角），导致波束覆盖区域偏移与信道参数耦合，其核心影响体现在两个维度：

（1）信道特性劣化：斜视角θ的存在会导致RLoS路径的波束增益下降，且随着θ增大，路径增益呈余弦规律衰减；同时，斜视效应会引发AoA与AoD的耦合，使得不同路径的角度参数相互干扰，增加信道估计难度；此外，用户移动与斜视效应叠加会加剧多普勒扩展，导致信道时变性增强。

（2）定位误差累积：传统THz定位依赖波束指向角度与传播时延的联合估计，斜视效应会导致波束指向偏差，使得AoA/AoD估计误差增大；同时，斜视场景下RLoS路径的时延估计受波束传播路径偏移影响，进一步加剧定位误差累积，严重时会导致定位精度下降50%以上。

3. RIS的感知与调控机理

RIS由N×M个可重构反射单元组成，每个单元可通过电控、光控等方式独立调控反射电磁波的相位（0~2π）与幅度，其核心功能包括波束赋形调控与信道感知：

（1）波束赋形调控：RIS通过优化各单元反射相位φₙₘ，可将基站发射的THz波束聚焦于目标用户方向，补偿斜视效应导致的波束偏移与路径损耗；针对混合场斜视场景，可通过相位加权形成定向反射波束，抵消斜视角θ的影响，提升RLoS路径增益。

（2）信道感知：RIS的海量反射单元可作为分布式感知节点，通过接收并解析THz波束的反射信号，提取信道参数（如AoA、AoD、时延）与用户位置相关特征；利用RIS单元的可重构特性，可通过切换不同的反射相位配置，生成差异化的感知信号，实现对用户信道与位置信息的精准感知。

基于上述机理，RIS可实现“调控-感知”协同：通过波束赋形优化改善斜视场景下的信道质量，同时通过感知功能提取用户信道特征与位置码，为信道估计与定位提供核心支撑。

RIS辅助的信道估计与定位融合方案设计

针对混合场波束斜视效应下的技术挑战，提出“RIS感知赋能-信道参数解耦-定位码提取-联合优化”的融合方案，核心逻辑为：利用RIS的可重构特性生成感知导频，通过接收信号提取用户信道特征与位置码，基于稀疏贝叶斯学习实现信道参数解耦估计，最终结合信道参数与位置码实现高精度定位。具体分为五个关键步骤：

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