基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法及装置与流程

1.本发明涉及天线设计及频谱共享协议设计领域，特别是涉及一种基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法及装置。


背景技术：

2.为了实现无处不在的智能信息网络，即将到来的第六代(6g)无线通信对天线技术提出了严格的要求，如容量增强和精确的波束控制。虽然广泛使用的碟形天线和相控阵天线都有能力实现这些目标，但它们都存在着自身固有的缺陷，严重阻碍了它们的未来发展。具体而言，碟形天线需要沉重而昂贵的波束转向机械，而相控阵高度依赖功率放大器，耗电功率大，移相电路复杂，移相器众多，尤其是在高频波段。因此，为了满足未来6g无线系统中指数增长的移动设备的数据需求，需要更经济高效的天线技术。在现有的天线技术中，全息天线作为一种小尺寸、低功耗的平面天线，以其低制造成本和低硬件成本的多波束控制能力受到越来越多的关注。具体地说，全息天线利用金属贴片在表面构建全息图案，根据干涉原理记录参考波和目标波之间的干涉。然后，参考波的辐射特性可以通过全息图案来改变，以产生所需的辐射方向。
3.然而，随着移动设备的爆炸性增长，传统的全息天线面临着巨大的挑战，因为一旦全息图案建立，传统全息天线其辐射方向图就固定了，因此无法满足移动通信的需求。由于超材料的可控性，新兴的rhs技术在改善传统全息天线的不足方面显示出极大的潜力。rhs是一种超轻薄的平面天线，天线表面嵌有许多超材料辐射单元。具体而言，由天线馈源产生的参考波以表面波的形式激励rhs，使得基于印刷电路板(pcb)技术制造的拥有紧凑结构的rhs成为可能。根据全息图案，每个辐射单元可以通过电控制参考波的辐射幅度来产生所需的辐射方向。因此，相比于传统的碟形天线和相控阵天线，rhs无需重型机械运动装置和复杂的移相电路就可以实现动态波束成形，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗，同时其轻薄的结构也十分便于安装。
4.但是现有rhs的研究工作大致集中于rhs硬件组件设计和辐射方向控制上，大多数研究仅证明了rhs实现动态多波束控制的可行性。目前还没有工作研究基于可重构全息超表面的非授权频谱接入方法及装置。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法及装置。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法，包括：
8.在每个占空周期内进行蜂窝用户的非授权频谱信道检测和非授权频谱信道选择；
9.根据信道选择的情况和检测的信道占用情况进行波束赋形和信道分配设计。
10.优选地，所述根据信道选择的情况和检测的信道占用情况进行波束赋形和信道分
配设计，具体包括：
11.在下行传输之前，基站进行信道检测时对蜂窝用户进行接收方的信道检测，并判断当前的非授权频谱信道是否空闲，待蜂窝用户将检测结果回传给基站后，基站综合发送方和接收方的检测结果，确定占用的非授权频谱信道；
12.对全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵进行初始化处理，使得用户使用初始授权信道进行数据传输；
13.采用迭代的方式对初始化处理后的全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵进行波束赋形，直到两个波束赋形矩阵间不再随对方的改变而改变时，得到波束赋形结果；
14.根据所述波束赋形结果确定信道分配结果；
15.判断所述信道分配结果是否满足预设条件，得到判断结果；
16.如果所述判断结果为满足，则依据所述信道分配结果进行数据传输；
17.如果所述判断结果为不满足，则以当前信道分配结果替换初始授权信道后，重新进行波束赋形。
18.优选地，还包括：
19.获取信道占用时的蜂窝用户数和总用户数；
20.根据所述蜂窝用户数和所述总用户数确定信道占用率；
21.根据所述信道占用率确定每个所述占空周期内传输周期中的共享传输周期；
22.所述共享传输周期内蜂窝用户和wigig用户共享非授权频谱信道；
23.除所述共享传输周期之外的传输周期内，蜂窝用户使用授权频谱进行数据传输。
24.优选地，所述在每个占空周期内进行蜂窝用户的非授权频谱信道检测和非授权频谱信道选择，具体包括：
25.对蜂窝用户进行接收方的信道检测，判断当前的非授权频谱信道是否空闲，得到判断结果；
26.依据所述判断结果确定发送方和接收方的信道占用检测结果；
27.根据所述信道占用检测结果确定非授权频谱信道的占用情况。
28.一种基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形装置，用于实施如上述本发明提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法；所述基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形装置包括：基站和多个wigigap；
29.所述基站包括可重构全息超表面。
30.优选地，所述可重构全息超表面包括：馈源、平行板波导和辐射单元；
31.所述馈源和所述辐射单元均设置在所述平行板波导上；所述馈源用于发出电磁波；所述平行板波导用于使所述电磁波沿波导结构向前传播；所述辐射单元用于对自身接收的电磁波进行有限离散辐射振幅调节，并将电磁波辐射到自由空间中。
32.优选地，所述辐射单元为超材料辐射单元。
33.优选地，所述基站还包括pin二极管；所述pin二极管与所述超材料辐射单元对应设置；
34.通过调节所述pin二极管的开关状态，可实现对传播至所述超材料辐射单元上电磁波的有限离散辐射振幅的调节。
35.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
36.本发明提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法和装置，首先通过在每个占空周期内进行蜂窝用户的非授权频谱信道检测和非授权频谱信道选择，根据信道选择的情况和检测的信道占用情况进行波束赋形和信道分配设计的技术方案，实现波束赋形和信道的优化分配。然后，对应设置包含有可重构全息超表面的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形装置实施上述基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法，进而填补现有领域没有非授权频谱接入方法及装置的技术空白。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法的流程图；
39.图2(a)为本发明提供的可重构全息超表面的结构示意图；
40.图2(b)为本发明提供的电磁波平行板波导上以表面波形式进行传播的示意图；
41.图3为本发明实施例提供的场景实施图；
42.图4为本发明实施例提供的非授权频谱共享协议的设计流程图；
43.图5为本发明实施例提供的波束赋形和信道分配的流程框图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明的目的是提供一种基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法及装置，以填补现有领域没有非授权频谱接入方法及装置的技术空白。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
47.如图1所示，本发明提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法，包括：
48.步骤100：在每个占空周期内进行蜂窝用户的非授权频谱信道检测和非授权频谱信道选择。该步骤具体包括：
49.对蜂窝用户进行接收方的信道检测，判断当前的非授权频谱信道是否空闲，得到判断结果。
50.依据判断结果确定发送方和接收方的信道占用检测结果。
51.根据信道占用检测结果确定非授权频谱信道的占用情况。
52.步骤200：根据信道选择的情况和检测的信道占用情况进行波束赋形和信道分配设计。该步骤具体包括：
53.对全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵进行初始化处理，使得用户使用初始授权信道进行数据传输。
54.采用迭代的方式对初始化处理后的全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵进行波束赋形，直到两个波束赋形矩阵间不再随对方的改变而改变时，得到波束赋形结果。
55.根据波束赋形结果确定信道分配结果。
56.判断信道分配结果是否满足预设条件，得到判断结果。
57.如果判断结果为满足，则依据信道分配结果进行数据传输。
58.如果判断结果为不满足，则以当前信道分配结果替换初始授权信道后，重新进行波束赋形。
59.进一步，本发明提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法还优选包括：
60.获取检测到信道繁忙的蜂窝用户数和总用户数。
61.根据信道繁忙的蜂窝用户数和总用户数确定信道占用率。
62.根据信道占用率确定每个占空周期内传输周期中的共享传输周期。
63.共享传输周期内蜂窝用户和wigig用户共享非授权频谱信道。
64.除共享传输周期之外的传输周期内，蜂窝用户使用授权频谱进行数据传输。
65.基于上述提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法，本发明还对应提供了一种实施装置，即基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形装置。
66.基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形装置包括：基站和多个wigigap。
67.基站包括可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface,rhs)。其中，如图2(a)所示，本发明采用的可重构全息超表面包括：馈源1、平行板波导2和辐射单元3。辐射单元3优选为超材料辐射单元。
68.馈源1和辐射单元3均设置在平行板波导2上。馈源1用于发出电磁波。平行板波导2用于使电磁波沿波导结构向前传播[如图2(b)所示]。辐射单元3用于对自身接收的电磁波进行有限离散辐射振幅调节，并将电磁波辐射到自由空间中。
[0069]
进一步，与每一超材料辐射单元都对应设置有一个或多个pin二极管。传播过程中，超材料辐射单元由多个pin二极管进行控制，通过调节超材料辐射单元对应的pin二极管的开关状态，可实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的有限离散辐射振幅调节。若有i个pin二极管控制一个超材料辐射单元，则该单元具有2
i
个离散幅度可调节值，因此，将超表面单元中的pin二极管开关状态调节为目标开关值，在超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标离散化幅度值。
[0070]
下面以如图3所示的系统场景为传输场景，对本发明提供的基于全息超表面的非授权频谱接入和波束赋形方法及装置进行详细说明。
[0071]
在如图3所示的传输场景下，考虑一个装有k个馈源的可重构全息超表面的基站和多个wigigap共存的下行传输场景。基站和wigigap都进行方向性数据传输，蜂窝用户配置单个天线，随机分布在基站周围，可能会在wigig ap的覆盖范围之内受其干扰。如果基站gnb(5gnr技术发展之后的基站，next
‑
generationnode b)占用非授权频段进行数据传输，会对其传输方向附近的同信道wigig(在60ghz附近的非授权毫米波频段上的wi
‑
fi技术)用户造成干扰。
[0072]
非授权频谱共享协议的设计如图4所示，采用占空周期的方式，具体过程为：
[0073]
每个占空周期内，首先进行蜂窝用户辅助的非授权频谱信道检测和选择。即在下行传输之前，基站首先进行信道检测，并出发蜂窝用户进行接收方的信道检测，判断当前的非授权信道是否空闲，待蜂窝用户将检测结果回传给基站后，基站综合发送方和接收方的检测结果，决定占用哪些非授权信道。
[0074]
根据信道选择的情况和蜂窝用户检测的信道占用情况，进行波束赋形和信道分配设计，具体过程如图5所示。
[0075]
用μ表示当前信道的占用率，即检测到信道繁忙的蜂窝用户数/总用户数，根据当前信道的占用率，确定整个占空周期t个传输周期中，一共有(1
‑
μ)t个传输周期，蜂窝用户可以和wigig用户共享非授权信道，剩余的时间内，蜂窝用户只能使用授权频段进行数据传输。
[0076]
其中，如图5所示，进行波束赋形和信道分配设计过程为：
[0077]
步骤1、基站在蜂窝用户辅助进行信道检测，并选择非授权信道。在下行传输之前，基站首先进行信道检测，并对蜂窝用户进行接收方的信道检测，判断当前的非授权频谱信道是否空闲，待蜂窝用户将检测结果回传给基站后，基站综合发送方和接收方的检测结果，决定占用哪些非授权信道。其中，所谓发送方和接收方的检测结果，是指收发双方都观察一下，某个非授权频谱信道是否空闲，最后基站会综合收发双方的检测结果，占用空闲的非授权信道，如果所有非授权信道都已经被占用，基站会分配授权信道给对应的用户，但授权信道的相关内容不在本专利的讨论范围。
[0078]
步骤2、初始化全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵，所有用户初始使用授权信道进行数据传输。
[0079]
步骤3、采用迭代的方式分别设计全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵，直到两组波束成形不再随对方而改变。例如，采用迫零波束成形和功率分配相结合的方式(即迫零波束成形矩阵和功率分配矩阵相乘)设计得到数字波束成形矩阵。其中迫零波束成形是无线通信中的经典波束成形方案，即迫零波束成形矩阵为h
h
(hh
h
)
‑1，其中h表示信道矩阵，h表示矩阵的共轭转置。功率分配策略采用注水算法求解，注水算法是求解功率分配的经典方法，基本原理是，对于信噪比比较大、信道状况比较好的用户，为其分配更大的功率，反之为其分配更小的功率。
[0080]
步骤4、根据波束赋形结果(即设计得到的全息波束成形矩阵和数字波束成形矩阵)，优化信道分配，最大化所有蜂窝用户的总速率，并降低对wigig系统的干扰。其中，优化信道分配的方式可以为：保持数字和全息波束成形矩阵不变，将这两者看作是定量，采用非凸优化的数学方法计算最佳信道分配方案，比如拉格朗日乘子法等。
[0081]
步骤5、判断信道分配结果是否与上一轮(第一次优化结果跟初始化相比较)相同，如果相同，那么结束优化。否则根据当前的信道分配结果重新进行波束赋形设计。
[0082]
综上，本发明提供的上述技术方案相对于现有技术还具有以下优点：
[0083]
1)rhs轻薄，易于安装：相比于传统的碟形天线通过笨重的机械装置控制天线转动从而实现波束控制的方式，且后期维修费用高昂，rhs尺寸小，制造使用pcb技术使其结构紧凑而轻薄，制造成本大大降低，易于直接安装在发射装置上，采用电控制的方式可以达到很好的动态多波束控制效果，因此rhs非常适用于多用户移动通信。
[0084]
2)rhs功耗低，硬件成本低：相控阵天线虽然也利用电控制波束方向，但是相控阵依赖于大量的移相器控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量功率放大器，因此，相控阵天线需要复杂的移相电路，且功率损耗大，硬件成本高。相比之下，rhs则不需要移相器以及复杂的移相电路，利用变容二极管控制每个辐射单元辐射电磁波能量的不同，即通过调幅的方式就可以完成波束控制，因此用rhs辅助多用户通信功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。
[0085]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0086]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。