基于可重构全息超表面的非授权频谱接入与资源管理方法与流程

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非授权频谱接入与资源管理方法。


背景技术：

2.目前，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.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非授权频谱接入与资源管理方法。


技术实现要素：

5.为了解决现有的基于可重构全息超表面的通信系统缺少非授权频谱接入与资源管理方法的问题,本发明提供一种基于可重构全息超表面的非授权频谱接入与资源管理方法，对基于可重构全息超表面的通信系统进行建模，设计非授权频谱接入方案，并通过建立并求解资源分配问题来获取资源分配方案。
6.本发明的技术内容包括：
7.一种基于可重构全息超表面的非授权频谱接入方法，适用于配备可重构全息超表面的基站与若干蜂窝用户构成的通信系统，其步骤包括
8.监听非授权频段；
9.当存在空闲信道时，获取空闲信道集合其中t为信息传输次数；
10.通过基于可重构全息超表面的非授权频谱资源管理方案，对资源进行第t次分配调度，得到资源分配调度结果a
t
；
11.根据资源分配调度结果a
t
，利用空闲信道集合进行信息传输。
12.进一步地，所述可重构全息超表面包括：n个辐射单元和b个馈源，其中每个馈源与基站的一个射频链路相连。
13.进一步地，所述通信系统还包括：多个wifi接入点以及多个与wifi接入点通信的wifi用户。
14.进一步地，通过以下步骤生成基于可重构全息超表面的非授权频谱资源管理方法
15.1)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：与资源管理相关的变量，待优化目标包括：最大化系统性能。
16.2)基于约束条件求解最优化问题，获取待优化变量的值；
17.3)根据待优化变量的值，生成基于可重构全息超表面的非授权频谱资源管理方案。
18.进一步地，与资源管理相关的变量包括：可重构全息超表面波束形成矩阵、与时域资源相关变量和与频域资源相关变量中的至少一种；系统性能包括：蜂窝用户在非授权频谱的总传输速率或能量效率。
19.进一步地，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。
20.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。
21.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。
[0022]
进一步地，求解最优化问题的方法包括：迭代优化方法。
[0023]
一种基于可重构全息超表面的非授权频谱资源管理方法，适用于配备可重构全息超表面的基站与若干蜂窝用户构成的通信系统，其步骤包括：
[0024]
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：与资源管理相关的变量，待优化目标包括：最大化系统性能。
[0025]
2)基于约束条件求解最优化问题，获取待优化变量的值；
[0026]
3)根据待优化变量的值，生成非授权频谱资源管理方案。
[0027]
与现有技术相比，本发明通过将全息超表面通信系统接入非授权频谱并优化资源分配方式，提升了通信速率，能量效率等系统性能。
附图说明
[0028]
图1是本发明的可重构全息超表面示意图。
[0029]
图2是多用户无线通信系统示意图。
[0030]
图3是非授权频谱接入协议流程图。
具体实施方式
[0031]
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。
[0032]
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。
[0033]
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，多个与基站通信的蜂窝用户，多个wifi接入点，以及多个与wifi接入点通信的wifi用户。rhs一共有n个辐射单元，b个馈源。每个馈源与基站的一个射频链路相连。总蜂窝用户总数量是mc。总wifi接入点数量为ma。一个wifi用户只与一个wifi接入点通信。与第q个wifi接入点通信的wifi用户数量为mq。基站和蜂窝用户使用授权和非授权频谱进行通信，而wifi接入点和wifi用户只使用非授权频谱进行通信。
[0034]
根据nr-u(new radio in unlicensed channel spectrum，在非授权频段应用的新无线电技术)规范，非授权频谱接入采用对话前监听(lbt)的方式，具体如图3所示。首先，基站会监听所有的非授权频段，确定哪些频段的信道空闲。设空闲信道集合为若存在空闲信道，则会进入第二步资源调度，在这一步基站会对当前空闲的时域，频域，空域等资源进行分配调度。接下来，基站会根据之前调度的结果进行信息的传输，传输时长为τ。传输完成后，基站会继续监听非授权频段是否空闲。若空闲则继续进行资源调度和信息传输。
[0035]
非授权频谱的资源管理优化问题可以建模为
[0036][0037][0038][0039]
其中指待优化的变量(包含rhs波束形成矩阵ψ和与时域、频域等资源相关的变量)，指待优化的目标(例如总通信速率，能量效率)。是通信系统的约束条件。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。通过求解上述问题，可以得到一个资源分配方案。
[0040]
基于上述建模，假设待优化的变量为rhs波束成形矩阵ψ和频域资源中的非授权频谱信道、发射功率。空闲信道集合为集合中不同信道的载波频率分别为f1,
…
,fk,
…
,fc。当目标函数为最大化蜂窝用户在非授权频谱的总传输速率时，资源调度问题可以写作:
[0041][0042][0043][0044]
其中h
m,k
表示rhs到用户m的载波频率为fk的信道。qk是rhs从馈源到超材料辐射单元的载波频率为fk的传播矩阵。p
m,k
是基站给用户m在载波频率fk下分配的发射功率。pm是基站最大的发射功率。σ2是噪声功率。
[0045]
该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。
[0046]
同样的，目标函数也可以为最大化能量效率，其表达式为同样的，目标函数也可以为最大化能量效率，其表达式为其中约束条件与上述相同。
[0047]
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。