一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法与流程

1.本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法。


背景技术：

2.目前卫星通信发展十分迅速，卫星通信可以提供高容量、宽带宽的数据服务，但是由于卫星自身的移动性，卫星通信对天线的精准波束控制以及快速切换波束方向的能力提出了很高的要求。目前广泛应用于卫星通信的天线包括碟形天线和相控阵天线，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。
3.由于超材料的可调谐性和可编程性，新兴的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface，rhs)技术在改善传统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。rhs利用超材料辐射单元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。具体而言，由天线馈源产生的参考波以导波的形式激励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。通过对超材料辐射单元的电控制即可改变全息图案，从而快速改变产生的波束的方向。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.rhs的现有研究工作大致集中于rhs硬件组件设计和辐射方向控制上。然而，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rhs辅助的卫星通信追踪以及优化方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法，以填补现有技术的研究空白。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置，包括：
8.偏置电压控制模块，用于预设偏置电压调节间隔；
9.可重构全息超表面，与所述偏置电压控制模块连接，用于根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节；
10.数字波束成形模块，与所述可重构全息超表面连接，用于对所述可重构全息超表
面发射的电磁波进行预处理；
11.卫星追踪模块，与所述可重构全息超表面连接，用于根据卫星位置确定所述可重构全息超表面的波束指向。
12.优选地，所述可重构全息超表面包括：馈源、波导和超材料辐射单元阵列；
13.所述馈源和所述超材料辐射单元阵列均设置在所述波导上；所述超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元；
14.所述馈源发出电磁波，电磁波以导波的形式在所述波导上传播，所述超材料辐射单元对接收到的电磁波辐射振幅进行调节。
15.优选地，所述超材料辐射单元包括：金属底板、介质层、刻蚀有互补电感电容谐振环的微带线和液晶层；
16.所述介质层设在所述金属底板上；所述微带线设置在所述介质层上；所述液晶层设置在所述微带线上；
17.将偏置电压施加在所述液晶层上，所述液晶层的电容值随着施加的偏置电压的改变而改变，进而改变所述互补电感电容谐振环的互感。
18.优选地，在所述微带线上刻蚀环形槽以形成一个闭合环；所述闭合环上贴合一个金属贴片形成互补电感电容谐振环谐振器。
19.优选地，所述金属贴片的最长边上均设置有“t”型槽。
20.优选地，所述超材料辐射单元阵列的个数有多个；
21.两个超材料辐射单元阵列之间设置一个馈源，以构成一个电磁波传输
‑
接收模块；所述可重构全息超表面上设置有多个所述电磁波传输
‑
接收模块。
22.一种基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法，应用于本发明上述提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置中；所述基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法包括：
23.获取可重构全息超表面接收到的电磁波的初始辐射振幅和地面站与卫星信号矩阵；
24.根据所述初始辐射振幅和地面站与卫星信号矩阵确定数字波束成形方案；
25.采用迭代优化算法根据所述初始辐射振幅确定最优的全息波束成形方案；
26.将所述数字波束成形方案和所述全息波束成形方案作为系统数据速率最大化问题的初始解，对所述系统数据速率最大化问题进行迭代求解，直至相邻迭代次数间的卫星总数据速率的差值小于预设阈值时，输出的数字波束成形方案和全息波束成形方案为最优解。
27.优选地，所述采用迭代优化算法根据所述初始辐射振幅确定最优的全息波束成形方案，具体包括：
28.初始化所述初始辐射振幅；
29.引入辅助变量，基于所述初始辐射振幅确定用户速率最大化问题；
30.基于所述辅助变量和所述用户速率最大化问题确定优化后的辅助变量；
31.引入拉格拉日乘子，基于所述优化后的辅助变量确定全息波束成形方案；
32.采用次梯度法更新所述拉格拉日乘子后，检验确定的所述全息波束成形方案是否收敛，若不收敛，则返回步骤“基于所述辅助变量和所述用户速率最大化问题确定优化后的
辅助变量”，若收敛，则得到最优的全息波束成形方案。
33.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：
34.本发明提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法中，通过采用可重构全息超表面和偏置电压控制模块，可以根据预设的偏置电压调节间隔对接收到的电磁波的振幅进行调节，填补了现有技术中没有采用rhs辅助的卫星通信追踪以及优化方法的技术空白。
35.并且，本发明采用基于幅值调控的可重构全息超表面辅助卫星通信，具有功率低、成本低、易于安装等特点。
附图说明
36.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。
37.图1为本发明提供的可重构全息超表面的结构示意图；
38.图2为本发明提供的波导上导波的传播示意图；
39.图3为本发明提供的超材料辐射单元的结构示意图；
40.图4为本发明提供的互补电感电容谐振环的结构示意图；
41.图5为本发明提供的基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法的流程图；
42.图6为采用本发明提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置与卫星进行通信的示意图.
43.符号说明：
44.1馈源，2波导，3超材料接收单元，4金属底板，5介质层，6微带线，7液晶层，8金属贴片。
具体实施方式
45.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。
46.本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的卫星通信装置及其优化方法，以填补现有技术的研究空白。
47.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。
48.本发明提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置，包括：偏置电压控制模块、可重构全息超表面、数字波束成形模块和卫星追踪模块。
49.其中，偏置电压控制模块用于预设偏置电压调节间隔，根据预设的偏置电压的调节间隔，对可重构全息超表面上的各个超表面单元上辐射电磁波的辐射振幅进行调节。
50.可重构全息超表面与偏置电压控制模块连接，用于根据预设的偏置电压调节间隔
对接收到的电磁波的振幅进行调节。
51.数字波束成形模块与可重构全息超表面连接，用于对可重构全息超表面发射的电磁波进行预处理。
52.卫星追踪模块与可重构全息超表面连接，用于根据卫星位置确定可重构全息超表面的波束指向。
53.如图1所示，本发明采用的可重构全息超表面包括：馈源1、波导2和超材料辐射单元阵列。超材料辐射单元阵列的个数有多个。两个超材料辐射单元阵列之间设置一个馈源1，以构成一个电磁波传输
‑
接收模块。可重构全息超表面上设置有多个电磁波传输
‑
接收模块。
54.馈源1和超材料辐射单元阵列均设置在波导2上。超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元3。
55.馈源1发出电磁波，电磁波以导波的形式在波导2上传播(如图2所示)，超材料辐射单元3对接收到的电磁波辐射振幅进行调节。传播过程中，超材料辐射单元由变容二极管进行控制，通过调节施加在每个超材料辐射单元上变容二极管的电压，可实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的辐射振幅调节，因此，将超表面单元中施加于变容二极管上的偏置电压调节为目标值，在超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。
56.可重构全息超表面上的超材料辐射单元通过连续改变各自电源的偏置电压，可对传播至各个超材料辐射单元的电磁波的辐射振幅进行连续调节，从而各个辐射单元辐射出能量不同的电磁波，最终可叠加为方向可连续调节的电磁波。
57.如图3所示，超材料辐射单元2包括：金属底板4、介质层5、刻蚀有互补电感电容谐振环的微带线6和液晶层7。
58.介质层5设在金属底板4上。微带线6设置在介质层5上。液晶层7设置在微带线6上。
59.将偏置电压施加在液晶层7上，液晶层7的电容值随着施加的偏置电压的改变而改变，进而改变互补电感电容谐振环的互感，使辐射元件可调谐。下面具体介绍互补电感电容谐振环结构，如下图4所示，在微带线上刻蚀环形槽形成一个闭合环，并与金属贴片8结合，可制备出互补电感电容谐振环谐振器。金属贴片8的每一长边中间都有一个“t”型槽，以提高设计自由度。具体地说，通过调整互补电感电容谐振环的几何性质，可以改变互补电感电容谐振环的谐振频率和器件的辐射效率。
60.进一步，本发明还提供了一种基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法，以应用于本发明上述提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置中。如图5所示，本发明提供的基于可重构全息超表面的卫星通信优化方法包括：
61.步骤100：获取可重构全息超表面接收到的电磁波的初始辐射振幅和地面站与卫星信号矩阵。
62.步骤101：根据初始辐射振幅和地面站与卫星信号矩阵确定数字波束成形方案。
63.步骤102：采用迭代优化算法根据初始辐射振幅确定最优的全息波束成形方案。
64.步骤103：将数字波束成形方案和全息波束成形方案作为系统数据速率最大化问题的初始解，对系统数据速率最大化问题进行迭代求解，直至相邻迭代次数间的卫星总数据速率的差值小于预设阈值时，输出的数字波束成形方案和全息波束成形方案为最优解。
65.其中，上述步骤102的具体实施过程为：
66.步骤1020：初始化初始辐射振幅。
67.步骤1021：引入辅助变量，基于初始辐射振幅确定用户速率最大化问题。
68.步骤1022：基于辅助变量和用户速率最大化问题确定优化后的辅助变量。
69.步骤1023：引入拉格拉日乘子，基于优化后的辅助变量确定全息波束成形方案。
70.步骤1024：采用次梯度法更新拉格拉日乘子后，检验确定的全息波束成形方案是否收敛，若不收敛，则返回步骤“基于辅助变量和用户速率最大化问题确定优化后的辅助变量”，若收敛，则得到最优的全息波束成形方案
71.下面考虑一个装有k个馈源的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface,rhs)的地面终端站(即本发明提供的基于可重构全息超表面的卫星通信装置)要与l个卫星进行通信，则l个卫星相对于该地面终端站的位置即为发射装置所需发射波束的方向，其通信场景如图6所示。
72.将每个地面终端站与卫星通信的时间分为t个时隙，每个时隙长度为δ，可以认为在每个时隙内卫星相对地面终端站的位置不发生改变。由于卫星绕地球做近似圆轨道运动，则卫星在任意时刻相对地面终端站的位置可以由前两个时刻推导得出，从而避免了多次信道估计，t时刻地面终端站与卫星l之间相对位置(为仰角，为方位角)由(t
‑
1),(t
‑
2)时刻具体推导如下：
[0073][0074][0075]
其中r为地球半径，h为卫星高度，为t时刻地面终端站与卫星之间的距离，ω
l
为卫星做匀速圆周运动的角速度。
[0076]
根据(a)(b)两式，rhs辅助的卫星通信追踪方案总结如下：
[0077]
首先利用传统的基于信号强度的信道估计方法得出前两个时刻卫星相对于地面站的角度。
[0078]
再接下来的每一个时刻卫星追踪模块利用(a)(b)两式计算出卫星相对于地面站的位置。数字波束成形模块和rhs根据此位置打出对应方向的波束，使得地面站与多颗卫星进行通信。
[0079]
考虑到卫星受到大气阻力、其他行星引力等各种摄动力的影响，造成相对漂移，跟踪精度逐渐降低。为了解决这个问题，每颗卫星将每隔几个时隙将接收到的信号强度(rss)信息反馈给地面终端站。一旦rss小于阈值，则地面站将重新获得卫星在下两个时隙中的位置，在此基础上根据(a)(b)继续预测卫星在接下来时隙中的位置。
[0080]
接下来具体叙述确定卫星位置后使得卫星通信系统数据速率最大化的数字波束
成形和全息波束成形设计方案：
[0081]
假设rhs由m
×
n个超材料辐射单元祖成，每个辐射单元的辐射幅度在[0，1]之间，对每个超材料辐射单元的辐射振幅m
m，n
(即传输到每一个超材料辐射单元的参考波的能量辐射至自由空间的比例)进行0
‑
1之间的初始化。每个卫星有j根天线，rhs每个辐射单元与每个卫星的接收天线之间的传输信道可建模为视距信道，地面站与每个卫星l之间的总信道矩阵用h
l
表示，其维度为j
×
mn。假设地面站向卫星发送的信号为s，其中s是一个l维列向量，s
l
表示发送给卫星l的信号。地面站对于发送给卫星的信号首先进行数字波束成形，继而将编码后的信号输入rhs的馈源中，馈源发出携带有发送信号的参考波经过rhs的全息波束成形(即每个辐射单元根据m
m，n
对参考波能量向自用空间辐射以形成固定方向的波束)发送给各个卫星，卫星对接收到的信号进行接收端波束成形，则每个卫星接收到的信号可以表示为：
[0082]
y
l
＝w
lh
h
l
mv
l
s
l
w
lh
h
l
m∑
l
′
≠l
v
l
′
s
l
′
w
1h
z
l
，
[0083]
其中，v是大小为k
×
l的数字波束成形矩阵，v
l
是v的第1列，m是由元素构成的大小为mn
×
k的矩阵，k
s
为参考波在rhs表面传播的传播矢量，为第k个馈源到第(m，n)个辐射单元的距离矢量，w
l
为每个卫星的接收端波束成形矩阵，维度为j
×
1，z
l
为信道中的高斯白噪声。不失一般性，本发明考虑每个卫星接收天线为均匀线性相控阵天线，则：
[0084][0085]
其中d
s
为接收天线间的距离，φ
l
为来自地面站的信号到达卫星l的到达角度。
[0086]
那么，地面
‑
卫星通信系统速率最大化问题为：
[0087][0088][0089]
其中第二个限制为地面站发射总功率限制。
[0090]
基于上述描述，可以得到优化方法的具体实施过程为：
[0091]
步骤1：数字波束成形模块设计
[0092]
根据初始的超材料辐射单元的辐射振幅m
m，n
和地面站与卫星信道矩阵h
l
，为了使所有卫星总数据速率达到最大值，数字波束成形方案可以表示为：
[0093][0094]
其中，p＝diag{p1，p2，
…
，p
l
}是一个对角矩阵，最优的μ
l
为q
h
(qq
h
)
‑1的第l个对角元素，v为满足等式满足等式
[0095]
步骤2：基于rhs的全息波束成形方案设计
[0096]
根据步骤2中所得的优化数字波束成形方案，通过引入辅助变量γ
l
，δ
l
可以将用户速率最大化问题改写成：
[0097][0098]
其中，
[0099][0100]
为w
l
(j)的共轭。定义为关于下标m，n下标做向量化得到的mn维列向量，则的线性近似可以表示成的线性近似可以表示成这里η
l
为矩阵re(b
l
)[re(b
l
)]
t
im(b
l
)[im(b
l
)]
t
的最大特征值，为对应于η
l
的特征向量的第(m
‑
1)n n个分量。
[0101]
通过可以得到最优的γ
l
，δ
l
，具体表达如下：
[0102][0103][0104]
通过引入拉格朗日乘子λ
m，n
松弛约束至目标函数中，每一轮拉格朗日迭代中，最优的全息波束成形方案可以通过求解下列线性方程组得出：
[0105]
完整的全息波束成形优化算法总结如下：
[0106]
(1)初始化m
m，n
。
[0107]
(2)通过(c)式和(d)式计算和
[0108]
(3)通过(e)式计算
[0109]
(4)通过次梯度法更新λ
m，n
。
[0110]
(5)检验算法是否收敛，若没有收敛，回到第(2)步继续迭代，若收敛，则算法结束，得到最优的
[0111]
步骤3：利用计算机迭代优化数字波束成形与全息波束成形方案
[0112]
在步骤1和步骤2提出的算法的基础上，本发明设计了一个基于rhs的地面
‑
卫星通
信系统速率联合优化算法，以迭代的方式求解系统数据速率最大化问题。具体而言，在保持全息波束成形方案{m
m，n
}固定的情况下，可以步骤1中提出的数字波束成形优化算法获得数字波束成形方案v。然后用步骤2中提出的全息波束成形优化算法对{m
m，n
}进行优化。将优化后的数字波束形成器和全息波束形成器作为初始解。在随后的每次迭代中，这两个子问题交替求解。直到两个相邻迭代之间的卫星总数据速率的值差小于预定义的阈值，则迭代完成，获得最优的数字波束成形方案v
*
与全息波束成形方案使得地面
‑
卫星通信系统总速率最大化。
[0113]
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。
[0114]
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。