智能反射面辅助的毫米波通信链路增强方法及系统

本发明涉及无线通信，具体涉及智能反射面辅助的毫米波通信链路增强方法及系统。

背景技术：

1、智能反射面（ris）与毫米波（mmwave）通信的结合是当前无线通信领域的重要发展趋势。随着5g及6g通信技术的演进，毫米波凭借其高带宽、高速率的优势被广泛应用于大容量数据传输场景。然而，毫米波信号波长极短、空间衰减剧烈且易被建筑物阻挡。为了克服毫米波信号穿透能力差和覆盖盲区问题，利用由大量低成本无源/半有源超材料单元组成的智能反射面（ris），通过自适应调整反射单元的相位和振幅，实现电磁波束的定向重构与动态弯折，已成为增强毫米波通信链路覆盖与信号质量的关键技术。

2、在实际工程部署中，为了降低安装成本并兼顾建筑物外观，现有技术通常将柔性薄膜式的ris贴附于高层建筑的玻璃幕墙或外墙表面，并预先假设ris处于理想的静态二维平面状态。在此假设下，现有的波束赋形与相位控制算法利用固定几何坐标系求解反射阵元的阵列响应矢量，能够有效补偿自由空间传输损耗并提升接收端的信号强度。然而，在真实的高空峡谷或高楼外墙环境中，柔性ris不可避免地会受到高空风载荷的机械推挤以及阳光直射产生的非均匀热应力影响，导致ris物理结构发生非立体的微米级曲面弯曲与形变；同时，高空风场突变还会引发空中接收终端的瞬间位移与姿态漂移。由于现有技术依赖于固定的二维平面物理模型，无法感知并响应 ris 结构本身的动态曲面形变，微小的结构弯曲即会导致反射波束的空间光程差发生严重偏移，进而引发阵元间相干干涉失效与波束发散，导致毫米波通信链路的通信质量剧烈下降甚至中断。

3、因此，亟需一种技术方案来解决上述提到的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了智能反射面辅助的毫米波通信链路增强方法及系统，能够有效解决现有技术中所提到的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了智能反射面辅助的毫米波通信链路增强方法，具体步骤包括：

4、s100、获取部署于柔性智能反射面背部的应变传感器阵列上报的应变数据、温度传感器阵列上报的温度数据，以及移动终端通过无线信道上报的姿态运动数据和链路信道状态数据；

5、s200、根据所述应变数据，利用预设的曲面重构模型生成所述柔性智能反射面的三维空间坐标曲面方程；

6、s300、将所述温度数据输入预设的电磁-温度映射关系，计算所述柔性智能反射面中各反射阵元的热介电相位偏移量；

7、s400、根据所述姿态运动数据预测所述移动终端的空间位置坐标，并结合所述三维空间坐标曲面方程，计算各反射阵元相对于基站与所述移动终端的物理几何相位偏差量；

8、s500、将所述热介电相位偏移量与所述物理几何相位偏差量进行矢量叠加，生成总相位畸变矩阵；

9、s600、根据所述链路信道状态数据计算实时信噪比预估值；

10、s700、当所述实时信噪比预估值小于预设的通信质量阈值，或所述总相位畸变矩阵中的最大偏移量大于预设的相位容差阈值时，根据所述总相位畸变矩阵与目标聚焦相位求解反向相位补偿矩阵；

11、s800、根据所述反向相位补偿矩阵查找预设的电压映射表，生成偏置电压控制指令，并将所述偏置电压控制指令下发至所述柔性智能反射面的控制芯片，驱动各反射阵元完成相位调整。

12、进一步的，所述根据所述应变数据，利用预设的曲面重构模型生成所述柔性智能反射面的三维空间坐标曲面方程，包括：

13、解析所述应变数据获得所述柔性智能反射面主轴方向的应变张量，并将所述应变张量代入下式计算所述柔性智能反射面在各采样节点处的法向曲率：

14、；

15、其中，为节点处的法向曲率；和分别为节点在x轴与y轴方向的应变张量值；为所述柔性智能反射面基底材料的泊松比；为所述柔性智能反射面的基底结构厚度；

16、基于各采样节点处的所述法向曲率进行二次曲面拟合，得到所述三维空间坐标曲面方程。

17、进一步的，所述根据所述姿态运动数据预测所述移动终端的空间位置坐标，并结合所述三维空间坐标曲面方程，计算各反射阵元相对于基站与所述移动终端的物理几何相位偏差量，包括：

18、提取所述姿态运动数据中的三轴加速度与三轴角速度，利用预设的卡尔曼滤波算法预测下一时隙所述移动终端的三维空间预测坐标；

19、计算各反射阵元在所述三维空间坐标曲面方程下的实际三维物理坐标；

20、根据所述实际三维物理坐标、预设的基站三维坐标及所述三维空间预测坐标，求解波束传输的空间光程差，并根据所述空间光程差计算各反射阵元对应的所述物理几何相位偏差量。

21、进一步的，所述求解波束传输的空间光程差，并根据所述空间光程差计算各反射阵元对应的所述物理几何相位偏差量，包括：

22、利用下式计算第(m,n)个反射阵元相对于理想平面状态的空间几何相位偏差量：

23、

24、；

25、其中，为毫米波的工作波长；为第(m,n)个反射阵元的实际三维物理坐标；为所述基站三维坐标；为所述三维空间预测坐标；为第(m,n)个反射阵元在理想二维平面假设下至所述基站与所述移动终端的空间距离之和。

26、进一步的，所述将所述温度数据输入预设的电磁-温度映射关系，计算所述柔性智能反射面中各反射阵元的热介电相位偏移量，包括：

27、提取所述温度数据中各反射阵元对应的实时温度值，将所述实时温度值代入预设的介电常数温度漂移函数，确定各反射阵元当前时刻的微带线等效介电常数；

28、根据所述微带线等效介电常数计算微带线的传播常数变化量，并将所述传播常数变化量乘以阵元微带线物理长度，获得对应反射阵元的所述热介电相位偏移量。

29、进一步的，所述根据所述反向相位补偿矩阵查找预设的电压映射表，生成偏置电压控制指令，包括：

30、利用下式计算第(m,n)个反射阵元的目标调整相位值：

31、；

32、其中，为理想对准状态下第个反射阵元所需的期望波束赋形相位；为第个反射阵元的所述热介电相位偏移量；为第个反射阵元的所述物理几何相位偏差量；

33、将所述目标调整相位值进行以为周期的相位映射，获得处于区间内的目标调整相位；

34、根据所述目标调整相位匹配所述电压映射表中对应的偏置电压数值，并封装为所述偏置电压控制指令。

35、进一步的，在所述驱动各反射阵元完成相位调整之后，还包括：

36、获取调整后当前传输周期内的更新信道状态数据；

37、根据所述更新信道状态数据判断信噪比提升量是否大于预设的增益阈值；

38、若所述信噪比提升量小于或等于所述增益阈值，则触发局部导频扫描程序，微调所述偏置电压控制指令中的电压幅值。

39、智能反射面辅助的毫米波通信链路增强系统，包括：

40、数据获取模块，用于获取部署于柔性智能反射面背部的应变传感器阵列上报的应变数据、温度传感器阵列上报的温度数据，以及移动终端通过无线信道上报的姿态运动数据和链路信道状态数据；

41、曲面重构模块，用于根据所述应变数据，利用预设的曲面重构模型生成所述柔性智能反射面的三维空间坐标曲面方程；

42、温漂计算模块，用于将所述温度数据输入预设的电磁-温度映射关系，计算所述柔性智能反射面中各反射阵元的热介电相位偏移量；

43、几何偏差计算模块，用于根据所述姿态运动数据预测所述移动终端的空间位置坐标，并结合所述三维空间坐标曲面方程，计算各反射阵元相对于基站与所述移动终端的物理几何相位偏差量；

44、相位融合模块，用于将所述热介电相位偏移量与所述物理几何相位偏差量进行矢量叠加，生成总相位畸变矩阵；

45、信道评估模块，用于根据所述链路信道状态数据计算实时信噪比预估值；

46、控制决策模块，用于当所述实时信噪比预估值小于预设的通信质量阈值，或所述总相位畸变矩阵中的最大偏移量大于预设的相位容差阈值时，根据所述总相位畸变矩阵与目标聚焦相位求解反向相位补偿矩阵；

47、驱动控制模块，用于根据所述反向相位补偿矩阵查找预设的电压映射表，生成偏置电压控制指令，并将所述偏置电压控制指令下发至所述柔性智能反射面的控制芯片，驱动各反射阵元完成相位调整。

48、进一步的，所述系统还包括部署于所述柔性智能反射面背部的柔性印制电路板，所述柔性印制电路板上集成有所述应变传感器阵列和所述温度传感器阵列；

49、所述应变传感器阵列包括按网格状均匀分布的多个微型压阻式应变片；

50、所述温度传感器阵列包括按多区域贴附的多个热敏电阻感知单元。

51、进一步的，所述控制芯片包括多路数模转换器以及与所述柔性智能反射面的变容二极管阵列一一对应电性连接的电压驱动放大接口，用于将所述偏置电压控制指令转换为连续变化的模拟电压加持于对应的变容二极管两端。

52、本发明提供的技术方案，与已知的现有技术相比，具有如下有益效果：

53、本发明通过背部集成的感知网格实时重构ris的三维曲面方程与温漂相位，结合终端姿态预测求解真实空间光程差，实现了对结构形变与环境温漂的自适应反向纠偏，显著降低了恶劣高空物理场对毫米波通信的影响，确保波束精准聚焦，避免链路频繁中断。

54、本发明将ris自身的结构弯曲、热介电漂移以及终端的空间位置漂移这三种不同维度的物理变化，统一抽象并归结为空间传输路径上的非线性相位畸变数据流，利用内聚的电磁-物理映射模型进行协同求解。同时，将最终解算出的超额相位精确映射至二极管可调的控制区间，以最小的硬件调谐代价同时完成了“结构曲面补偿”与“终端轨迹动态追随”，大幅提升了系统在复杂动态场景下的自适应响应速度与工程落地可行性。