基于超材料与预测优化的MIMO天线阵列波束控制方法及系统与流程

本发明涉及无线通信，特别涉及一种基于超材料与预测优化的mimo天线阵列波束控制方法及系统。

背景技术：

1、在5g及未来6g无线通信系统中，大规模mimo天线阵列是提升系统容量与频谱效率的核心器件。为满足设备小型化、集成化需求，天线单元间距常缩小至半波长以下，单元间表面波传播引发的强互耦效应，会直接恶化端口隔离度，造成系统信道容量显著下降。现有基于特征模补偿矩阵、固定电磁带隙结构的去耦方案，在单元间距低于0.3倍波长时去耦效果急剧衰退，且无法适配波束扫描过程中耦合状态的动态变化。高速移动场景下，无线信道相干时间大幅缩短，传统波束成形算法受信道状态信息反馈、计算链路的固有延迟影响，参数更新滞后于信道变化，极易出现波束指向失准，现有方案难以在低运算复杂度与高跟踪精度间实现平衡。而多频段协同工作场景中，传统固定谐振天线无法在sub-6ghz与毫米波频段间动态重构，多阵列部署则会导致体积成本倍增、电磁兼容风险升高；现有超材料去耦方案多为固定结构，仅能适配单一频段与固定波束指向，少数可调谐方案也仅能独立调控去耦参数，无法与数字波束成形实现全局协同优化，难以适配复杂通信场景需求。

技术实现思路

1、本发明的主要目的为提供一种基于超材料与预测优化的mimo天线阵列波束控制方法及系统，通过构建信道预测、多目标遗传算法联合优化与超材料去耦层动态调控，以实现高隔离度与高动态跟踪精度的波束控制的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于超材料与预测优化的mimo天线阵列波束控制方法，包括以下步骤：

3、根据当前信道变化速率调整采样频率，实时采集多天线信道状态信息矩阵，并对采集的所述信道状态信息矩阵进行预处理，得到预处理后的信道状态信息矩阵；

4、将预设时间窗口内所述预处理后的信道状态信息矩阵输入至经训练的时间序列预测模型，获取未来预设时长的预测信道矩阵；

5、以所述预测信道矩阵为输入，通过多目标遗传算法计算超材料去耦层的偏压分布参数与天线阵列的激励权重参数，所述计算的优化目标包括最大化等效阵列增益、最小化端口耦合功率和最小化频段间增益偏差；

6、将所述偏压分布参数施加于所述超材料去耦层，调控所述天线阵列辐射口径前方的介电常数呈非均匀梯度分布，并将所述激励权重参数作用于所述天线阵列，调控辐射方向图的波束指向。

7、进一步地，根据当前信道变化速率调整采样频率，实时采集多天线信道状态信息矩阵，并对采集的所述信道状态信息矩阵进行预处理，得到预处理后的信道状态信息矩阵的步骤，包括：

8、获取用户终端在当前通信环境下的移动速度参数；

9、根据所述移动速度参数确定采样频率的最低阈值，所述最低阈值对应的采样频率高于信道状态信息在多径时变条件下的变化速率，且在所述预设时间窗口内采集的有效样本量满足所述时间序列预测模型的输入要求；

10、通过射频前端的模数转换电路，以不低于所述最低阈值的采样频率采集各天线单元对应的信道状态信息，形成信道状态信息矩阵；

11、对所述信道状态信息矩阵进行噪声消除处理；

12、对噪声消除后的所述信道状态信息矩阵进行相位校准处理，得到预处理后的信道状态信息矩阵。

13、进一步地，经训练的时间序列预测模型的训练步骤，包括：

14、构建包含不同移动速度场景下的历史信道状态信息序列的训练数据集；

15、利用所述训练数据集对所述时间序列预测模型进行离线监督学习，学习信道状态在多径时变条件下的演化规律；

16、完成训练后，将所述时间序列预测模型加载至信道预测模块，所述时间序列预测模型用于对输入的所述预处理后的信道状态信息矩阵进行前向推理，输出所述预测信道矩阵。

17、进一步地，通过多目标遗传算法计算超材料去耦层的偏压分布参数与天线阵列的激励权重参数的步骤，包括：

18、构建适应度函数，所述适应度函数包括最大化等效阵列增益、最小化天线端口耦合功率和最小化不同工作频段间的阵列增益偏差；

19、将所述偏压分布参数与所述激励权重参数作为待优化变量，组合为同一解向量，在所述天线阵列的总发射功率上限与所述超材料去耦层的偏压电压动态范围的约束下，生成初始解集合；

20、对所述初始解集合进行选择、交叉和变异操作，经多代迭代进化后，从帕累托最优前沿解集中选取所述偏压分布参数与所述激励权重参数。

21、进一步地，计算得到偏压分布参数与激励权重参数之后，还包括：

22、将所述偏压分布参数编码为超材料去耦层控制指令，并将所述超材料去耦层控制指令下发至液晶超材料控制电路；

23、将所述激励权重参数编码为天线激励控制指令，并将所述天线激励控制指令下发至数字波束成形器；

24、根据所述液晶超材料控制电路的响应时延与所述数字波束成形器的响应时延，设置对应的触发偏移量，确认所述液晶超材料控制电路与所述数字波束成形器均已接收到对应的控制指令后，按所述触发偏移量同步触发所述介电常数分布调控动作与所述辐射方向图调控动作。

25、进一步地，将所述偏压分布参数施加于所述超材料去耦层，调控所述天线阵列辐射口径前方的介电常数呈非均匀梯度分布的步骤，包括：

26、将所述偏压分布参数转换为超材料去耦层中各液晶单元的偏压电压值，其中各液晶单元呈阵列排布；

27、将所述偏压电压值通过多路数模转换器输出至对应的液晶单元，通过调节所述偏压电压的幅值控制各液晶单元内部分子的偏转状态，其中，所述分子在所述偏压电压值低于阈值电压时保持初始排列状态，在所述偏压电压值达到所述阈值电压后开始偏转，偏转角度随所述偏压电压值的增大而增大，并在所述偏压电压值达到饱和电压后趋于稳定；

28、通过调整各液晶单元的偏压电压幅值，在所述超材料去耦层中形成中心区域与边缘区域介电常数取值不同的空间梯度分布。

29、进一步地，天线阵列为双频可重构天线阵列，各天线单元集成可调谐元件，所述调控辐射方向图的波束指向的步骤之前，还包括：

30、获取当前通信系统分配的工作频段指示信号；

31、根据所述工作频段指示信号，通过所述可调谐元件调整各天线单元的谐振频率，将所述天线阵列切换至对应的目标频段进行工作；

32、将所述工作频段指示信号作为所述多目标遗传算法的输入参数，所述工作频段指示信号用于计算所述偏压分布参数与所述激励权重参数时匹配当前天线阵列的频段特性。

33、进一步地，调控辐射方向图的波束指向的步骤，包括：

34、将所述激励权重参数分解为各天线单元的馈电幅度系数与馈电相位系数；

35、将所述馈电幅度系数与所述馈电相位系数写入数字波束成形器中对应各天线单元的复数乘法器；

36、通过各天线单元按对应的馈电幅度系数与馈电相位系数进行激励，控制所述天线阵列的辐射方向图波束指向目标用户终端方向。

37、进一步地，在完成所述调控辐射方向图的波束指向，且所述天线阵列进入稳定工作状态后，还包括：

38、获取经调控后天线阵列实际运行中产生的端口隔离度与波束指向偏差；

39、若所述端口隔离度偏离预设阈值范围，则将所述端口隔离度作为反馈信号对所述多目标遗传算法的适应度函数进行在线校准；

40、若所述波束指向偏差偏离预设阈值范围，则将所述波束指向偏差作为反馈信号对所述时间序列预测模型的网络权重参数进行在线修正，并将修正后的网络权重参数重新加载至所述时间序列预测模型进行模型更新。

41、本发明还提供一种基于超材料与预测优化的mimo天线阵列波束控制系统，包括：

42、信道采集模块，用于根据当前信道变化速率调整采样频率，实时采集多天线信道状态信息矩阵，并对采集的所述信道状态信息矩阵进行预处理，得到预处理后的信道状态信息矩阵；

43、信道预测模块，用于将预设时间窗口内所述预处理后的信道状态信息矩阵输入至经训练的时间序列预测模型，获取未来预设时长的预测信道矩阵；

44、联合计算模块，用于以所述预测信道矩阵为输入，通过多目标遗传算法对超材料去耦层的偏压分布参数与天线阵列的激励权重参数进行同步计算，所述计算的优化目标包括最大化等效阵列增益、最小化端口耦合功率和最小化频段间增益偏差；

45、执行控制模块，用于将所述偏压分布参数施加于所述超材料去耦层，调控所述天线阵列辐射口径前方的介电常数呈非均匀梯度分布，并将所述激励权重参数作用于所述天线阵列，调控辐射方向图的波束指向。

46、本发明提供的基于超材料与预测优化的mimo天线阵列波束控制方法及系统，具有以下有益效果：本发明通过在阵列辐射口径前方设置梯度可调谐液晶超材料去耦层，以空间非均匀介电常数分布破坏表面波传播条件，为波束成形提供了低互耦的近场环境；利用离线训练的预测模型对未来信道状态进行提前推演，为优化计算提供提前时间窗口，使波束控制指令执行时与真实信道保持同步，在高速移动场景下维持高波束对准成功率；还通过多目标遗传算法对超材料偏压参数与天线激励参数进行联合全局寻优，共同优化去耦效果与波束成形效果，提升了系统在双频工作模式下的吞吐量，并降低了功耗。