基于非对称大规模天线阵列的单基站定位理论与算法

High-precision position information plays a vital role in people's daily lives and national security strategies. In the next generation communication system, many large-scale antenna arrays are deployed, which lays a good foundation for the development of single-anchor localization. New research has found that asymmetric antenna array has the advantages of larger array aperture and smaller mutual coupling of array elements than symmetric antenna array. However, there is currently a lack of research on single-anchor localization for asymmetric antenna array. The applicant's previous research found that single-anchor localization under symmetric antenna array has advantages over multi-anchor localization. Therefore, it is speculated that after using an asymmetric antenna array, the single-anchor localization scheme has advantages in localization accuracy, application range, and multipath suppression. This topic will study the single-anchor localization based on asymmetric receive array, single-anchor localization based on asymmetric transmit array, and single-anchor localization based on asymmetric transmit and receive arrays using MIMO, then dig deep into the mechanism and design related algorithms. This will help to open up a new way of single-anchor localization, provide reference for mathematical modeling and theoretical analysis of localization, and provide theoretical guidance and performance benchmark for developing efficient single-anchor localization algorithm in radio complex propagation environment.

高精度的位置信息在人们的日常生活以及国家安全战略方面均具有至关重要的作用。在下一代通信系统中部署有大规模天线阵列，这为单基站定位的开展奠定了良好的基础。新研究发现，非对称天线阵列比对称天线阵列具有阵列孔径大、阵元互耦小等优点。然而，目前欠缺对非对称天线阵列下单基站定位的研究。申请人前期研究发现对称天线阵列下单基站定位比基于多基站的定位具有优势。因此，推测使用非对称天线阵列后，采用单基站定位的方案会在定位精度、应用范围、多径抑制等方面具有优势。本课题将在非对称大规模天线阵列使用的场景下，研究①基于非对称接收阵列的单基站定位、②基于非对称发射阵列的单基站定位、③基于非对称收发阵列MIMO情形的单基站定位,深入挖掘其中的机理并设计相关的算法。这将有助于开辟单基站定位的新途径，为单基站定位系统的数学建模和理论分析提供借鉴作用，为无线电复杂传播环境下开发高效的单基站定位算法提供理论指导以及性能基准。

针对天线阵列在通信方面的优势以及特性已经进行了比较深入的研究，但是，在目标定位方面的相关研究才刚刚涉足。针对利用天线阵列的单基站定位技术的机理机制亟待研究，分析不同阵列场景下的定位性能等。本课题利用新的通信技术，研究基于非对称天线阵列的单基站定位理论，取得了以下创新性的成果。首先，提出了一种基于非对称接收阵列下单基站定位的方案，并推导了节点定位的理论极限。与基于对称接收阵列定位方案进行了对比，证明了稀疏性增强对定位性能的好处。数值结果验证了所提方案在不同参数设置下的优良特性。其次，提出了一种基于发射阵列的单基站定位方案。重点研究了如何通过待定位节点侧的单个天线实现基于下行链路信号的单基站定位理论等，实现基于离开角的非对称天线单基站定位分析。利用Fisher信息分析方法对机理进行深入的研究并对定位性能进行探讨。当大部分阵元远离参考阵元时，对应的Fisher信息增大；当大部分阵元靠近参考阵元时，对应的Fisher信息减小；阵元数量增加时，对应的Fisher信息增大；阵元数量减少时，对应的Fisher信息减少。随着非对称天线阵列技术的发展，使得在基站侧以及用户侧均使用天线阵列成为可能的场景，在此考虑了如何通过非对称天线阵列实现单基站的有效定位方案。在非对称天线收发场景下，推导单基站定位的性能极限等；从Fisher信息的角度对非对称收发阵列对定位精度的影响进行一定程度的分析等。综上所述，本课题提出了系统、有效、 可行的非对称天线阵列的单基站定位方案，有利于我国综合定位导航体系的建设和完善， 具有较大的理论和应用价值。在项目执行期间，发表了高水平学术论文6篇，其中SCIE收录3篇，EI收录1篇；申请/授权国家发明专利3项；培养博士研究生2名，硕士研究生5名。