一种基于可重构全息超表面的无线通信装置及方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面的无线通信装置及方法。


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.现有于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基于可重构全息超表面的无线通信装置及方法。


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无线通信装置及方法。
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无线通信装置，包括：基带单元、数模转换单元、发射机射频单元、模数转换单元、接收机射频单元、以及可重构全息超表面；所述可重构全息超表面包括：馈源、波导以及位于所述波导上的可重构超材料辐射单元阵列；
8.基站发送的信号依次经所述基带单元、数模转换单元、发射机射频单元以及可重构全息超表面发射至各用户，可重构全息超表面接收到的信号依次经所述接收机射频单
元、所述模数转换单元以及所述基带单元到达基站。
9.可选的，所述可重构超材料辐射单元阵列为基于二极管的可重构超材料辐射单元阵列。
10.可选的，还包括三端口路由选择装置，所述可重构全息超表面通过所述三端口路由选择装置与所述发射机射频单元以及所述接收机射频单元相连接。
11.可选的，所述三端口路由选择装置为环形器。
12.本发明还提供了一种基于可重构全息超表面的无线通信方法，应用于上述基于可重构全息超表面的无线通信装置，所述基于可重构全息超表面的无线通信方法包括：
13.基于数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，构建用户总传输速率最大化问题；所述全息波束成形矩阵为可重构全息超表面中超材料辐射单元阵列对应的辐射振幅矩阵；
14.求解所述用户总传输速率最大化问题，得到用户总传输速率最大时对应的数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，分别记为目标数字波束成形矩阵以及目标全息波束成形矩阵；
15.基于所述目标数字波束成形矩阵对基站信号进行数字波束成形；所述基站信号为基站发送给用户的信号；
16.基于所述目标全息波束成形矩阵，对可重构全息超表面各可重构超材料辐射单元对应的二极管进行调控；
17.对数字波束成形后的信号进行编码，并将编码后的信号输入可重构全息超表面的馈源中，馈源发出的信号经过调控后的可重构超材料辐射单元实现全息波束成形。
18.可选的，所述基于数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，构建用户总传输速率最大化问题，具体包括：
19.构建用户总传输速率最大化问题其中，v表示数字波束成形矩阵，v是大小为k
×
l的数字波束成形矩阵，v
l
是v的第l列，对应用户l，w表示全息波束成形矩阵，k表示可重构全息超表面上馈源的数量，m表示可重构超材料辐射单元的行数，n表示可重构超材料辐射单元的列数，f
l
表示基站与每个用户l之间的总信道矩阵，l
′
为用户序号，不同于用户l的用户称为用户l
′
，p
t
为总发射功率，σ2为噪声功率，i为离散幅值比特数。
20.可选的，所述求解所述用户总传输速率最大化问题，得到用户总传输速率最大时对应的数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，具体包括：
21.s1，保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出数字波束成形矩阵；
22.s2，给定推导出数字波束成形矩阵，优化全息波束成形矩阵，并确保所述全息波束成形矩阵在设定范围之内；
23.重复s1和s2，直到两次相邻的迭代的用户总传输速率的差值小于预设的阈值。
24.可选的，采用分支定界法优化所述全息波束成形矩阵。
25.可选的，所述基于所述目标数字波束成形矩阵对基站信号进行数字波束成形，具体包括：
26.基于所述目标数字波束成形矩阵对基站信号进行数字波束成形，其中，p为对角矩阵，f
l
表示基站与每个用户l之间的总信道矩阵，w表示全息波束成形矩阵，l为用户的数量。
27.可选的，所述方法还包括：
28.对用户发送信号进行基于可重构全息超表面的全息接收波束成形；所述用户发送信号为用户发送给基站的信号；
29.对经全息接收波束成形的信号进行数字波束成形，解调出各用户发送信号。
30.根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本技术基于可重构全息超表面rhs，设计了一款轻量级、低能耗、低成本的无线通信收发一体化装置，并提供了一种基于可重构全息超表面rhs的全息收发波束成形设计方法。实现了基于可重构全息超表面的无线通信。
附图说明
31.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。
32.图1为本发明实施例中基于可重构全息超表面的无线通信装置的结构示意图；
33.图2(a)为本发明实施例中可重构全息超表面的结构示意图，图2(b)为本发明实施例中可重构全息超表面信号传输原理示意图；
34.图3为本发明实施例中基于可重构全息超表面的无线通信方法中的发射方法流程示意图；
35.图4为本发明实施例中用户总传输速率最大化问题的求解流程示意图；
36.图5为本发明实施例中基于可重构全息超表面的无线通信方法中的接收方法流程示意图。
具体实施方式
37.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。
38.本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的无线通信装置及方法。
39.参见图1，本技术提供的基于可重构全息超表面的无线通信装置包括：基带单元1、数模转换单元2、发射机射频单元3、模数转换单元6、接收机射频单元7、三端口路由选择装
置4以及可重构全息超表面5。
40.可重构全息超表面(rhs)5通过一个三端口路由选择装置4与发射机射频单元3/接收机射频单元6相连接。其中，三端口路由选择装置4可以采用环形器，由于环形器端口之间不具有互异性，因此可以将同时同频的发射信号与接收信号进行分离，从而实现双向收发。
41.基站发送的信号依次经所述基带单元1、数模转换单元2、发射机射频单元3、三端口路由选择装置4以及可重构全息超表面5发射至各用户，可重构全息超表面5接收到的信号依次经所述三端口路由选择装置4、所述接收机射频单元6、所述模数转换单元7以及所述基带单元1到达基站。
42.参见图2(a)，所述可重构全息超表面5包括：馈源51、波导52以及位于所述波导上的可重构超材料辐射单元阵列53。其中，可重构超材料辐射单元阵列53可以是基于二极管的可重构超材料辐射单元阵列。馈源51发出电磁波，波导52可以为平行板波导，参见图2(b)，电磁波在波导52上传播，通过调节控制每个超材料辐射单元的多个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离散辐射振幅调节，其中超材料辐射单元具有有限个离散幅度可调节值，而二极管开关状态与在超材料辐射单元上辐射出的电磁波的幅度值具有一一对应关系，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。。
43.需要说明的是，上述超材料辐射单元的超材料是一种自然界没有的，人工制造的能够改变电磁波辐射特性的超材料。超材料单元为亚波长尺寸，整个单元具有特殊的电磁特性，比如其可以对电磁波的辐射振幅进行调节。此处，对上述超材料进行一下简单介绍：上述超材料为人工电磁材料，这种材料能够对电磁波的传输特性产生影响。所谓人工电磁材料，是英文“metamaterial”的中文翻译，其中“meta
‑”
是希腊语前缀，可译为“超”的意思。因此，最早metamaterial被中国学者翻译为超材料。还有些学者称其为负折射率材料等。但到目前为止，对于metamaterial被大家广泛认可的中文称谓是新型人工电磁材料。该称谓贴切实用，直接体现了该媒质材料的特性，即人为制造的，与自然界本来就有的材料直观地区别开来。且该称谓极为广义，它将以往对metamaterial的各种称谓进行了统一。自然界的绝大多数材料是由原子或分子组成的，相比于作用在电磁材料上的电磁波波长，原子或者分子的电尺寸是极小的，可以在宏观上认为是均匀媒质，并可以利用介电常数ε和磁导率μ来描述。而构成新型人工电磁材料的基本单元结构点尺寸都在λ/10波长左右，将其按照一定周期或者准周期设计在三维空间中进行排列。因此在宏观上也可以认为新型人工电磁材料是等效均匀媒质，用等效电磁参数和来描述其材料基本电磁属性，相应的参数提取方法现如今已经非常成熟。
44.需要说明的是，二极管与超材料辐射单元的连接关系有很多种。
45.比如，将二极管与超材料辐射单元串联，二极管开/关的时候，分走的电压不同，对应的，使超材料辐射单元两端的电压得到改变。因此，将超表面单元中的电源的偏置电压调节为目标偏置电压，在所述超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。
46.又比如，在超材料辐射单元上开缝隙，缝隙的尺寸不一样，在缝隙中连接二极管，通过改变二极管的开/关状态，可实现对超材料辐射单元辐射振幅的调整。
47.当然，二极管与超材料辐射单元的连接不仅限于以上两种方式，凡是可以实现通过二极管的开/关状态改变超材料辐射单元的辐射振幅的连接方式均属于本技术的保护范
围。
48.在上述基于可重构全息超表面的无线通信的基础上，本技术提供了一种基于可重构全息超表面的无线通信方法，参见图3，该通信方法的信号发射方法包括以下步骤：
49.步骤301：基于数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，构建用户总传输速率最大化问题；所述全息波束成形矩阵为可重构全息超表面中超材料辐射单元阵列对应的辐射振幅矩阵。
50.步骤302：求解所述用户总传输速率最大化问题，得到用户总传输速率最大时对应的数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，分别记为目标数字波束成形矩阵以及目标全息波束成形矩阵。
51.步骤303：基于所述目标数字波束成形矩阵对基站信号进行数字波束成形；所述基站信号为基站发送给用户的信号。
52.步骤304：基于所述目标全息波束成形矩阵，对可重构全息超表面各可重构超材料辐射单元对应的二极管进行调控。
53.步骤305：对数字波束成形后的信号进行编码，并将编码后的信号输入可重构全息超表面的馈源中，馈源发出的信号经过调控后的可重构超材料辐射单元实现全息波束成形。
54.下面对上述信号发射方法进行详细的介绍
55.为方便叙述，对无线通信场景以及发射装置中的变量进行字母表述与假设
56.考虑一个装有k个馈源的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface，rhs)的基站(发射装置)要与l个移动用户进行通信，则l个移动用户相对于该发射装置的位置即为发射装置所需发射波束的方向。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可取值为对每个超材料辐射单元的辐射振幅w
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。rhs每个辐射单元与每个用户之间的传输信道可根据实际情况利用计算机进行模拟，基站与每个用户l之间的总信道矩阵用f
l
表示，其维度为1
×
mn。假设基站向用户发送的信号为s，其中s是一个l维列向量，s
l
表示发送给用户l的信号。基站对于发送给用户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w
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)发送给各个用户，则每个用户接收到的信号可以表示为：
57.y
l
＝f
l
wv
l
s
l
f
l
w∑
l
′
≠l
v
l
′
s
l
′
z
l
，
58.其中，v是大小为k
×
l的数字波束成形矩阵，v
l
是v的第l列，w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，z
l
为信道中的高斯白噪声。则用户总传输速率最大化问题为：
[0059][0060][0061]
tr(v
h
v)＜p
t
[0062]
其中，l
′
为用户序号，不同于用户l的用户称为用户l
′
，p
t
为总发射功率，σ2为噪声功率，i为离散幅值比特数。
[0063]
对于该用户总传输速率最大化问题的求解，参见图4，迭代过程如下，1)保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，进而推导出数字波束成形矩阵；2)给定数字波束成形矩阵，优化全息波束成形矩阵，并确保该矩阵在可选范围之内；3)重复步骤1)和步骤2)，直到两次相邻的迭代的数据速率的差值小于预设的阈值。
[0064]
下面对上述用户总传输速率最大化问题的求解进行详细介绍
[0065]
步骤1：数字波束成形模块设计
[0066]
仿真得到初始的超材料辐射单元的辐射振幅w
m，n
、信道矩阵f
l
，为了使所有用户总数据速率达到最大值，数字波束成形方案可以表示为：
[0067][0068]
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
[0069]
步骤2：基于rhs的全息波束成形方案设计
[0070]
利用分支定界法确定每个辐射单元的最优离散幅度值，令利用分支定界法确定每个辐射单元的最优离散幅度值，令s
m，n
∈{0，1，2，...，2
i
‑
2，2
i
‑
1}，则通过优化整数s
m，n
的值即可确定最优的全息波束成形方案，具体包括：
[0071]
(1)首先求得无整数约束约束下的最优s
m，n
值和总数据速率和上限
[0072]
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：
[0073][0074]
其中，其中，
[0075]
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这里η
l
为矩阵re(b
l
)[re(b
l
)]
t
im(b1)[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。
[0076]
通过可以得到最优的γ
l
，δ
l
，具体表达如下：
[0077][0078][0079]
根据求得的利用matlab中的二次规划算法即可求解出最优的s
m，n
值和相应的最大总数据速率和记为rmax，检验最优s
m，n
值是否都为整数，若是，则结束全息波束成形的优化，反之则进行如下所述的分支定界法优化。
[0080]
(2)分支定界法优化s
m，n
[0081]
分支：任意选择一个非整数进行分支，记其值为构造两个约束条件：和其中代表不超过g
m，n
的最大整数将这两个约束条件分别加入问题(*)，利用matlab中的二次规划算法继续求解两个后继优化问题(*1)和(*2)相应最优的s
m，n
值和相应的最大总数据速率和；
[0082]
定界：以每个后继问题为一分支并标明求解的结果，与其他后继问题解的结果中，找出总数据速率最大者作为新的上界从已符合整数条件的分支中找出总数据速率最小者作为新的下界r。
[0083]
比较与剪枝：各分支中的数据速率，若有小于r者则进行剪枝，后续不再考虑，若有大于r者，但不符合整数条件，则继续进行分支操作，一直到最后最大速率和等于r为止，对应的整数s
m，n
即为所求。通过s
m，n
可以获得w
m，n
的值。
[0084]
参见图5，本技术提供的基于可重构全息超表面的无线通信方法中的信号接收方法包括以下步骤：
[0085]
步骤501：基于数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，构建用户总传输速率最大化问题；所述全息波束成形矩阵为可重构全息超表面中超材料辐射单元阵列对应的辐射振幅矩阵。
[0086]
步骤502：求解所述用户总传输速率最大化问题，得到用户总传输速率最大时对应的数字波束成形矩阵以及全息波束成形矩阵，分别记为目标数字波束成形矩阵以及目标全息波束成形矩阵。
[0087]
步骤503：基于所述目标全息波束成形矩阵，对可重构全息超表面各可重构超材料辐射单元对应的二极管进行调控。
[0088]
步骤504：对用户发送信号进行基于上述可重构全息超表面的全息接收波束成形；所述用户发送信号为用户发送给基站的信号。
[0089]
步骤505：对经全息接收波束成形的信号进行数字波束成形，解调出各用户发送信号。
[0090]
下面对上述接收方法进行详细介绍
[0091]
考虑一个装有k个馈源的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface，rhs)的基站(接收装置)要接收来自l个移动用户的数据，则l个移动用户相对于该接收装置的位置即为接收装置所需发射波束的方向。假设rhs由m
×
n个超材料辐射单元祖成；rhs每个接收单元与每个用户之间的传输信道可根据实际情况利用计算机进行模拟，基站与每个用户l之间的总信道矩阵用f
l
表示，其维度为mn
×
1；假设用户l向基站发送的信号为s
l
。基站对于发送给用户的信号首先进行基于rhs的全息接收波束成形，然后再对信号进行数字波束成形解调出个用户的信号，则基站最终恢复出的每个用户的信号为
[0092]
y
l
＝v
l
wf
l
s
l
∑
l
′
≠l
v
l
′
wf
l
s
l
′
z
l
，
[0093]
其中，v是大小为l
×
k的数字波束成形矩阵，v
l
是v的第l行，w是由元素构成的大小为k
×
mn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，z
l
为信道中的高斯白噪声。则用户总传输速率最大化问题为：
[0094][0095][0096]
上述问题的优化方法与发射方法中用户总传输速率最大化问题一致。此处不再进行赘述。
[0097]
本技术提供的基于可重构全息超表面的无线通信装置及方法具有以下优势：
[0098]
1)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。
[0099]
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，利用二极管开关状态即可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。
[0100]
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。
[0101]
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。