一种基于开环霍尔传感器的全息IRS表面及通信系统的制作方法

一种基于开环霍尔传感器的全息irs表面及通信系统
技术领域
1.本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于开环霍尔传感器的全息irs表面及通信系统。


背景技术：

2.智能反射表面(intelligent reflective surface，irs)技术是一种实现无线网络中无线信号传输的技术。irs通过大量低成本的无源反射元件巧妙地调节信号反射，能够动态地改变无线信道以提高通信性能，预计以irs辅助的混合无线网络(包括有源和无源元件)在未来将非常有希望实现成本效益可持续的容量增长。尽管irs具有巨大的潜力，但它在有效地集成到无线网络中面临着新的挑战，最为显著的难题就是以irs所构成通信系统的信道估计问题。
3.由于irs表面的是由多个无源的小单元组合而成的。由于小单元数目繁多，所以以传统的信道估计解决irs信道问题时极为复杂，而且其无源的特性虽然降低了接收机的功耗，但是无法主动对信号进行处理，这两点正是传统模型中信道估计不适用于irs表面通信系统信道估计的原因。
4.从开启现代移动通信起，发射端和接收端之间的无线信道通常被建模为一个随机过程。在传统的通信信道估计中我们通常会发射导频来计算出用户和基站之间的信道信息，但是对包含irs表面的新型通信系统而言，“基站——irs表面——用户”的级联信道的信道过程过于复杂，且如何获取到未知位置的用户三维坐标来取得波束成形的最佳效果也是难题所在。而irs中无源元件反射到达的信号的方式决定了irs中不包含发送器模块，无法对获取到的信号进行处理，自然也无法主动计算出信道信息。
5.当前新型超材料表面用于通信还处于研发起步阶段。在最显著的信道估计问题上，通常研究者会将参与通信的用户假设其位置是可知的，在三维坐标已知的条件下按照传统的信道估计方案将整个通信系统的信号传输模型分为发送模块和接收模块两大部分。其中发送模块由“用户——irs表面接收”、“irs表面接收——irs表面发射”、“irs表面发射——基站接收”三个小模块组成，再由传统的信道估计方案得出无线信道参数。在接收模块，也是由“基站——irs表面——用户”三个小模块的信道估计级联而成，由此便可将irs表面参与的通信系统信道估计化为多级级联的信道估计，但是由于小单元数目非常多，计算难度依然很严峻。
6.或是利用压缩感知的原理，通过开发信号的稀疏特性,在远小于奈奎斯特采样率的条件下,用随机采样获取信号的离散样本,然后通过非线性重建算法完美的重建信号。但是压缩感知的原理尚未成熟，且对信号要求性较高，适用于较为稀疏的信号，在实际通信中局限性较大。
7.现有关于irs表面信道估计的处理方案有多级级联信道估计和依靠压缩感知原理的信道估计方案。这两种方案的现有缺点如下：(1)设计复杂度高；
(2)投入使用成本高；(3)计算量大，时延较长，无法保证通信的实时性。


技术实现要素：

8.为解决上述问题，提供一种基于开环霍尔传感器的全息irs表面及通信系统。
9.本发明的目的是以下述方式实现的：一种基于开环霍尔传感器的全息irs表面，由n个小单元等距排列构成，所述小单元包括 pin二极管d1、直流电源dc、扼流电感l1、保护电阻r1和开环霍尔传感器，其中pin二极管d1的阳极与扼流电感l1的一端连接，扼流电感l1的另一端与直流电源dc的正极连接，直流电源dc的负极接地，pin二极管d1的阴极与保护电阻r1的一端连接，保护电阻 r1的另一端接地，开环霍尔传感器置于扼流电感l1与pin二极管d1之间的回路中。
10.所述pin二极管d1的开关两种状态对应着小单元的两种耦合相位状态。
11.所述开环霍尔传感器用于测量小单元在开关两种状态下感应高频电流的大小，在比较之后，保留高频电流较大的pin二极管开关状态反馈给控制器。
12.一种基于开环霍尔传感器的全息irs表面的通信系统，包括基站、控制器、用户、全息irs表面、信号分路器和信号反射器，其中基站发射出的射频信号通过信号分路器分成两路信号，分别为信号1和信号2，第一束信号1到达用户处，需要通信的用户会反射信号 3到全息irs表面，第二束信号2在经信号反射器反射后进入全息irs表面，两束信号波在全息irs表面干涉形成全息图，此时全息irs表面上的多个小单元通过两种耦合相位状态来记录下全息图样，此时将全息irs表面上每个单元内的pin二极管的开关状态反馈给控制器并保存，完成训练部分；在训练完成后，当用户需要进行通信时，直接从基站发送一束信号2至全息irs表面，控制器将全息irs表面上的单元阵列的内置pin二极管开关状态还原至训练完成时控制器记实的状态，此时全息irs表面上的若干个小单元的相位状态即为两束波所干涉形成的全息图样；全息图可以记录干涉波的基本信息，当基站发射出信号2后，全息irs表面可反射出一束信号4至用户处，完成实际通信过程。
13.所述控制器包括单片机和fpga可编程控制器，开环霍尔传感器输出的电压经模数转换后传递至单片机处，单片机可同时接入多个全息irs表面的开环霍尔传感器单元内部比较电路，集中处理之后产生可编程电压和可编程数据反馈至fpga控制器处，fpga控制器发出指令控制单个小单元的相位状态。
14.本发明的有益效果：相对于现有技术，本发明将全息原理、霍尔效应与irs表面结合起来。首先全息irs表面可以通过全息成像的方式将携带用户信息的物光波和基站发射的参考波在irs表面上形成全息图，而后再次从基站发射参考波即可完成显象，即还原为成像过程中用户发向irs表面的物光波，据此可在无需信道估计的情况下完成整个通信过程。其中开环霍尔传感器的参与使两束信号可以在全息irs表面形成完整的干涉图样。本发明的优点有：(1)流程设计简单；(2)irs小单元与开环霍尔传感器皆属于低成本材料，产品成本低；(3)通过简单的全息原理可规避复杂的信道估计，大大提高了通信系统的实时性；(4)利用全息成像原理记录电磁信号，还原度高、定位准确、保证通信的准确性。
附图说明
15.图1是本发明的全息irs表面通信系统的训练框图。
16.图2是本发明的全息irs表面通信系统的实际通信框图。
17.图3是窄带波束射入全息irs超表面单元示意图。
18.图4是全息irs表面的单元电路图。
19.图5是图4内单元电路图中开环霍尔传感器单元内部比较电路图。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
24.如图3所示，一种基于开环霍尔传感器的全息irs表面，由n个小单元等距排列构成，所述小单元包括pin二极管d1、直流电源dc、扼流电感l1、保护电阻r1和开环霍尔传感器，其中pin二极管d1的阳极与扼流电感l1的一端连接，扼流电感l1的另一端与直流电源dc的正极连接，直流电源dc的负极接地，pin二极管d1的阴极与保护电阻r1 的一端连接，保护电阻r1的另一端接地，开环霍尔传感器置于扼流电感l1与pin二极管 d1之间的回路中。
25.所述pin二极管d1的开关两种状态对应着小单元的两种耦合相位状态。
26.所述开环霍尔传感器用于测量小单元在开关两种状态下感应高频电流的大小，在比较之后，保留高频电流较大的二极管开关状态反馈给控制器。
27.在本发明所参与构成的通信系统分为两部分，即训练部分和实际通信部分。当信号射入小单元上时，单元上接收到的高频信号会在单元电路中产生高频电流的回路。每个小单元内置pin二极管“开”“关”两种状态不同会使该单元的所置相位也分为两种，不同的相位状态下小单元所接收到的信号强度可能不同(由入射方向而定)，参考信号和物光信号可以在全息irs表面进行干涉，形成干涉图样，完成训练部分。当该用户进行通信时，我们只需要控制基站发出参考信号至全息irs表面，便可以通过显像原理得到通往用户的通信信号，完成实际通信部分。
28.训练部分由基站、信号分路器、信号反射器、用户、全息irs表面以及控制器六个模块组成。基站发射出的射频信号通过信号分路器分成两路信号(参考波)。第一束信号1 到达用户处，需要通信的用户会反射信号3(物光波)到全息irs表面，第二束信号2在经信号反射器反射之后也进入全息irs表面，两束信号波在全息irs表面干涉形成全息图，此时全息
irs表面上的多个小单元通过两种耦合相位状态来记录下全息图样，此时将全息irs 表面上每个单元内的pin二极管的开关状态反馈给控制器并保存。
29.如图1所示，训练工作完成之后，当该位置的用户需要进行通信时，控制器控制基站，由基站发送一束信号2至全息irs表面处。控制器将全息irs表面上的单元阵列的内置 pin二极管开关状态还原至训练完成时，此时全息irs表面上的若干个小单元的相位状态即为两束波所干涉形成的全息图样。全息图可以记录干涉波的基本信息，当基站发射出信号2 后，全息irs表面可反射出一束信号4至用户处，完成实际通信过程。
30.如图2所示，本发明基于全息成像的基本原理，并且结合了新型irs表面的通信优势。通过使用开环霍尔传感器来解决在训练过程中如何使每个小单元的内置pin二极管能够处于正确的开关状态，得到正确的全息图样：小单元的内置pin二极管对应着两种不同的反射相位，由于每个小单元在不同的反射相位下对于入射波的接收能力不同，因此入射波对于小单元的影响强弱也不同，接收波较多的会在小单元内部电路生成较大的高频电流，反之则生成较小的高频电流。在测量并比较开关状态下的高频电流大小之后，我们即可确定从某位置发射信号的情况下，该单元的内置pin二极管应当处于何状态，并且控制该单元处于该相位状态，从而整体来看在全息irs表面上形成全息图样。最后再将每个单元内的pin二极管的开关状态转换成可编程数据传回至控制器，由控制器记录储存可编程数据。
31.在信号射入全息irs表面时，我们以“4
×
4”的小单元所构成的全息irs表面为例，每个单元成等距排列，其中d为单元与单元之间的距离。假设窄带参考信号“r”以方位角θ
azi
∈[0，2π)和仰角θ
ele
∈[0，π/2]撞入全息irs表面，由此可见，在三维坐标中，每个小单元对该束窄带信号波形的接收能力并不是相同的，在比较每个单元内置pin二极管开关状态下所产生感应的高频电流之后，取大电流的状态，我们即可确定该“4
×
4”的全息irs表面上每个单元的内置pin二极管的开关状态。如图3所示，图3中为了方便理解，我们取“4
×
4”离散排列的16个超表面小单元作为研究对象。在全息irs表面当中，由于每个 irs小单元都是无源的，因此功耗低、制作成本低的优点可以使我们在表面上尽可能多的排列irs小单元，此时每个单元之间的间距d
→
0，此时便可以获取最大天线孔径，此时全息 irs表面也可看做一般irs表面的准连续状态。
[0032]
小单元的内部电路图如图4所示，由pin二极管d1、直流电源dc、扼流电感l1、保护电阻r1以及开环霍尔传感器五部分组成。pin二极管d1的开关两种状态对应着小单元的两种相位状态，不同的相位状态接收信号的效果不同。直流3.3v的电源dc为电路供电，以供一个可控制二极管的偏置电压。扼流电感l1起通直隔交的作用，当通过直流电源向二极管供电时，其不会起作用；当小单元上受信号影响产生高频交流电时，扼流电感l1 可以隔断交流电向外流出，以保证我们所测结果的准确性。开环霍尔传感器可放置于扼流电感与pin二极管之间的回路当中，起到测量高频电流大小，反馈给控制器的重要连接作用。
[0033]
本发明将开环霍尔传感器应用于全息irs表面的单元电路当中。开环霍尔传感器具有结构简单、耐冲击电流大、尺寸小等优点。在全息irs参与的通信系统的训练步骤中，我们可以将对安装空间要求较为灵活的开环霍尔传感器接在每个小单元上，耐承受电流峰值大的优点可以使它测量在通信过程中所产生的高频电流。
[0034]
图5中开环霍尔传感器输出的电压v_s经模数转换之后传递至80c51单片机处，多个接口的80c51单片机可同时接入多个全息irs单元的内部比较电路，集中处理之后产生可
编程电压pv和可编程数据pd反馈至fpga控制器处。fpga控制器发出指令控制每个小单元的相位状态以达到两束信号在全息irs表面上成像的最优效果，至此，训练过程完整结束。
[0035]
本发明具有以下优点有：(1)流程设计简单；(2)irs小单元与开环霍尔传感器皆属于低成本材料，产品成本低；(3)通过简单的全息原理可规避复杂的信道估计，大大提高了通信系统的实时性；(4)利用全息成像原理，还原度高、定位准确、保证通信的准确性。
[0036]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
[0037]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。