基于可重构全息超表面的功率控制方法及装置与流程

1.本发明涉及无线通信领域，具体为一种基于可重构全息超表面的通信系统功率控制方法及装置。


背景技术：

2.目前，随着移动设备和智能终端的不断发展，未来无线网络对数据流量的需求急剧增长。为了满足快速增长的数据流量需求，实现无缝通信，d2d技术被认为是一种很有前景的解决方案。在d2d通信中，用户之间可以直接通信，而无需通过基站(bs)转发。由于用户之间传输距离短，d2d通信可以降低能耗，在紧急情况下提供预警，提升用户的qos(quality of service)需求。一般情况下，允许d2d链路与蜂窝链路共享上行频谱，可以缓解频谱不足的问题。然而，共享频谱会使得d2d链路对蜂窝网络造成不可避免的干扰，对蜂窝网络的通信质量造成严重影响。
3.一种创新的、革命性的技术，即可重构全息超表面rhs，它可以有效地消除d2d干扰，满足高数据速率的要求。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。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，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。


技术实现要素：

4.为了解决基于可重构全息超表面通信系统缺少功率控制方法的问题,本发明提供一种基于可重构全息超表面的功率控制方法及装置，通过对通信系统进行建模，并利用优化方法解决功率控制问题。
5.本发明的技术内容包括：
6.一种基于可重构全息超表面的通信系统功率控制方法，适用于配备可重构全息超表面的基站构成的通信系统，其步骤包括：
7.1)构建一个待优化变量与待优化目标之间的最优化问题，其中待优化变量包括与功率控制相关的变量，待优化目标包括最大化系统性能；
8.2)基于约束条件求解最优化问题，获取待优化变量的值；
9.3)利用待优化变量的值，生成通信系统功率控制方案。
10.进一步地，所述可重构全息超表面包括：n个辐射单元和k个馈源，其中每个馈源与基站的一个射频链路相连。
11.进一步地，与功率控制相关的变量包括：可重构全息超表面的波束成形矩阵ψ和基站的数字波束成形矩阵b。
12.进一步地，系统性能包括：总传输速率r或能量效率η。
13.进一步地，所述约束条件包括：发射功率约束和可重构全息超表面幅度约束。
14.进一步地，发射功率约束包括：基站的发射功率不能超过设定的上限。
15.进一步地，可重构全息超表面幅度约束包括：可重构全息超表面的幅度在[0,1]之间取值。
[0016]
进一步地，求解最优化问题的方法包括：迭代优化方法。
[0017]
一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行以上所述方法。
[0018]
一种电子装置，包括存储器和处理器，其中存储器存储执行以上所述方法的程序。
[0019]
与现有技术相比，本发明通过优化可重构全息超表面通信系统中的基站发射功率来提升总通信速率，能量效率等通信性能。
附图说明
[0020]
图1是本发明的可重构全息超表面示意图。
[0021]
图2是下行的多用户无线通信系统示意图。
[0022]
图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0023]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明特定实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
[0024]
可重构全息超表面(rhs)由馈源，平行板波导，超材料辐射单元阵列构成，如图1所示，其中馈源发出电磁波，电磁波在平行板波导内进行传播，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2i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，在所述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。
[0025]
我们考虑一个下行的多用户无线通信系统，如图2所示。该系统包括一个配备rhs的基站，和多个与本小区基站通信的移动用户。设本小区的总用户数量是m。rhs一共有n个辐射单元，k个馈源。每个馈源与基站的一个射频链路相连。
[0026]
本发明的通信系统功率控制方法，如图3所示，先将功率控制优化问题建模为
[0027][0028]
s.t.p(v)≤pm,
[0029][0030]
其中v指待优化的变量(包含rhs波束形成矩阵ψ)，f(v)指待优化的目标(例如总
通信速率，能量效率)。p(v)是基站的总功率。pm是小区基站和rhs总功率的上限。ψn是rhs的第n个超材料辐射单元的幅度值；rhs波束形成矩阵ψ是一个n*n的矩阵，其第n行第n列的元素为ψn，对角线以外的元素都为0。2i是可调的离散幅度值的个数。通过求解该问题，可以得到一个功率控制方案。
[0031]
根据不同的应用，上述优化问题中的变量和函数都有不同的形式。例如，假设待优化的变量为rhs波束成形矩阵ψ和基站数字波束成形矩阵b。当目标函数为总传输速率化的变量为rhs波束成形矩阵ψ和基站数字波束成形矩阵b。当目标函数为总传输速率时，其表达式可以写作
[0032][0033]
其中hm表示rhs到用户m的信道。q是rhs从馈源到超材料辐射单元的传播矩阵。bm是矩阵b的第m列，表示第m个用户信号的数字波束成形向量。σ2是噪声功率。当目标函数为能量效率时，其表达式可以写作
[0034][0035]
其中r表示总传输速率。本小区基站和rhs的总功率可以写作
[0036]
p(ψ,b)＝p
on
tr(|ψqb|2)
[0037]
其中p
on
指基站的固定功耗。
[0038]
这些优化问题可以利用多种优化算法进行求解，例如迭代优化等，这里不再赘述。
[0039]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于可重构全息超表面的通信系统功率控制方法，适用于配备可重构全息超表面的基站构成的通信系统，其步骤包括：1)构建一个待优化变量与待优化目标之间的最优化问题，其中待优化变量包括与功率控制相关的变量，待优化目标包括最大化系统性能；2)基于约束条件求解最优化问题，获取待优化变量的值；3)利用待优化变量的值，生成通信系统功率控制方案。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可重构全息超表面包括：n个辐射单元和k个馈源，其中每个馈源与基站的一个射频链路相连。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与功率控制相关的变量包括：可重构全息超表面的波束成形矩阵和基站的数字波束成形矩阵。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，系统性能包括：总传输速率或能量效率。5.如权利要求1所述的方法，所述约束条件包括：发射功率约束和可重构全息超表面幅度约束。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，发射功率约束包括：基站的发射功率不能超过设定的上限。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，可重构全息超表面幅度约束包括：可重构全息超表面的幅度在[0,1]之间取值。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，求解最优化问题的方法包括：迭代优化方法。9.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行权利要求1-8中任一所述方法。10.一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行如权利要求1-8中任一所述方法。

技术总结
本发明公开了一种基于可重构全息超表面的通信系统功率控制方法及装置，包括：构建一个待优化变量与待优化目标之间的最优化问题；基于约束条件求解最优化问题，获取待优化变量的值；利用待优化变量的值，生成通信系统功率控制方案。本发明通过优化可重构全息超表面通信系统中的基站发射功率来提升总通信速率，能量效率等通信性能。量效率等通信性能。量效率等通信性能。


技术研发人员：张浩波 邓若琪 张雨童
受保护的技术使用者：杭州腓腓科技有限公司
技术研发日：2022.03.01
技术公布日：2022/7/9