一种基于全息多址接入的最优码字计算方法及装置与流程

1.本发明涉及无线通信领域，具体为一种基于全息地址接入的最优码字计算方法及装置。


背景技术：

2.下一代无线通信期待提供高速数据服务，并支持大量移动设备的大规模网络接入。这种 指数级增长的数据传输需求导致了大规模多输入多输出(mimo)技术与大规模相控阵的出现。 然而，相控阵的固有局限性严重阻碍了大规模mimo系统的未来发展，因为相控阵的元件昂贵， 如移相器和高功耗，特别是在高频段。此外，考虑到制造难度和辐射性能之间的权衡，相控 阵的元件间距通常约为半个波长。因此，在大规模mimo系统中由于相控阵尺寸过大的问题很 难在实际工程中实现。
3.幸运的是，随着超材料的快速发展，超薄和轻量级全息天线的出现为克服相控阵的不足 提供了一个有前途的解决方案。全息天线由众多超材料辐射单元紧凑排布而成，根据有效介 质理论，单元间距不大于四分之一波长，全息天线的馈源嵌入在波导的底部产生电磁波,它们 也被称为参考波，沿着波导传播。全息天线可利用超材料辐射元件根据全息干涉原理构建全 息图，记录指向接收机的目标波与参考波之间的干涉。换句话说，一个全息图对应于一个所 需的波方向。当参考波激发全息图时，各单元可控制参考波的辐射幅值，产生目标波束。


技术实现要素：

4.为了克服现有的相控阵尺寸过大的问题,本发明提供一种基于全息地址接入的最优码字 计算方法及装置，通过在基站处建立分层架构的多波束码本训练多个用户，同时获取各用户 的波束成形方案。
5.本发明的技术内容包括：
6.一种基于全息多址接入的最优码字计算方法，适用于一个配备全息天线的基站与k个用 户构成的通信系统，其步骤包括：
7.1)在基站处建立分层架构的多波束码本；
8.2)依据多波束码本与各用户k处码本进行波束训练，以选择各用户k处的最优码字与 基站处的最优码字v
*
。
9.进一步地，用户l处的码本为单波束分层码本。
10.进一步地，所述多波束码本设有若干层，其中每一层包含两个码字，所述码字为多波束 码字；所述多波束码本设有多个主瓣，每个主瓣覆盖一个区域。
11.进一步地，通过以下步骤进行波束训练：
12.1)基于多波束码本中第s层的码字v
(s，i)
，基站生成波束成形后的信号x
(s，i)
，其中i为第s层 中码字的序号；
13.2)根据用户k处码本与所述信号x
(s，i)
，用户k选取用户k处码本中第s层最优码字
与 最优码字并将最优码字的序号返回至基站；
14.3)基站根据序号在各码字v
(s，i)
中选取第s层的最优码字并根据该最优码字得 到第s 1层中的码字v
(s 1，i)
；
15.4)分别将多波束码本中第s层的最优码字与用户k处码本中第s层最优码字作为 基站处的最优码字v
*
与用户k处的最优码字其中s为多波束码本或用户k处码本的层数。
16.进一步地，通过以下步骤选取用户k处码本中第s层最优码字与最优码字
17.1)对用户k处码本中第s层的各码字与各码字进行排列组合，其中j为用户k处码 本第s层中的码字序号；
18.2)将接收功率最大的组合中的元素，作为最优码字与最优码字
19.进一步地，通过以下步骤计算用户k所在的区域：
20.1)将序号的值作为用户k所在的初始区域
21.2)通过区域与序号计算用户所在的区域
22.3)当获取序号时，得到最终用户所在的区域
23.一种无线通信服务方法，包括：
24.1)基于上述任一方法得到的最优码字与最优码字v
*
，分别获取用户k处的波束合成方 案w与基站处的波束成形方案m；
25.2)利用波束成形方案m，基站发射电磁波；
26.3)基于波束合成方案w，用户接收所述电磁波。
27.一种存储介质，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。
28.一种电子装置，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。
29.本发明的有益效果是：
30.(1)相比于传统的碟形天线体积大、笨重、后期维修费用高昂，全息天线尺寸小，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。
31.(2)全息天线功耗低，硬件成本低：传统天线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，传统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，全息天线则不需要移相器以及复杂的移相电路，通过调幅的方 式完成波束控制，因此用全息天线进行无线通信功耗及硬件成本都很低。
32.(3)可以在信道条件未知的情况下实现无线通信；
33.(4)相比于传统的基于导频的信道估计方法，本发明不需要估计准确的信道信息，复杂 度大大降低；
34.(5)相比于传统的码本构造方法，采用了多波束码字，大大降低了训练开销。
附图说明
35.图1是全息天线示意图。
36.图2是基于全息天线的通信服务系统。
37.图3是单波束分层码本。
38.图4是多波束分层码本。
39.图5是本发明的方法流程图。图6是本发明的仿真实验图。
具体实施方式
40.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。
41.1.基于全息天线的通信服务系统
42.该系统包括一个装配有全息天线的基站(即发射机)和l个用户。
43.如图1所示，全息天线是由馈源，波导，超材料辐射单元构成的一种新型天线。馈源嵌 于天线底部发出携带发射信号的电磁波(也称作参考波)，电磁波直接打入波导上并沿着波导 进行传播，超表面利用超材料辐射单元的辐射振幅构建全息图案，当携带发射信号的参考波 激励可重构全息超表面上的全息图案时，每个辐射单元会根据参考波当前的相位控制参考波 在该单元处的辐射振幅m
i,j
(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)，从而产生相应的定向目标波束。
44.为向l个用户提供无线通信服务，如图2所示，(1)基站首先对待发射信号进行数字波 束成形，该数字波束成形可以是但不局限于迫零波束成形；(2)之后通过射频链上变频到载 波频段，与全息天线的馈源相连，(3)电磁波从馈源打出后，依次经过各个辐射单元，进行 全息波束成形，数字波束成形和全息波束成形合起来称为混合波束成形。(4)之后，电磁波 从基站处发射，经过信道，到达用户处的天线，(5)经由模拟波束合并进行解码，与射频链 相连，得到最终的信号。
45.由于上述系统中的信道信息难以获取，不能直接利用信道信息设计预波束成形矩阵和波 束合成矩阵。为此，本发明提供一种可以在信道信息未知条件下，设计波束成形矩阵、波束 合成矩阵的方法，从而实现无线通信。
46.在基站、用户处分别设置一个码本，码本中含有多个码字，每个码字提供一种波束成形/ 波束合成方案，基于此方案，可以将波束打向某一特定方向。所有码字的波束方向加起来可 以覆盖整个角度域，即[-1,1]。在每个设备(基站/用户)处依次遍历码本中的所有码字，选择 用户处接收功率最大的码字作为最佳码字，其中基站的最佳码字由用户反馈至基站，用户处 的最佳码字记录在用户本地。在之后的通信中，直接采用上述最佳码字作为波束成形/波束合 成方案。但基于上述码本构造方法的波束训练，一次只能训练一个用户，随着用户数的不断 增加，其训练开销难以接受。为此，本发明采用多波束码字，降低训练开销。
[0047]
2.用户处码本设计
[0048]
如图3所示，用户处码本采用传统的单波束分层码本。码本最底层(第s层)为最终需 要筛选的码字。训练时，用户先依次采用第一层的两个码字(1,1)和(1,2)，若采用码字(1,1) 接收到的信号的功率大于码字(1，2)，则在下一层中，只遍历码字(1,1)对应的码字(2,1) 和码字(2,2)，反之亦然，直至底层。
[0049]
3.基站处码本设计
[0050]
为了同时训练多个用户，降低训练开销，如图4所示，基站处采用多波束码字。图4中， 每层只包含两个码字，每个码字为多波束码字，有多个主瓣，每个主瓣覆盖一个区域。即， 每一层中，所有的白色区域为码字1的覆盖范围，所有灰色区域为码字2覆盖范围。每训练 完一层(如，第s层)，所有用户同时将第s层的最佳码字
[0051][0052]
反馈到基站，以使基站基于在获取第s层中的最佳码字最优码字其中k为用户编号，*表 示最佳其中k为用户数量，*表示最佳。
[0053]
用户所在区域(每一层中从左到右分别为区域1,2，
…
)可以由下式计算得到：
[0054][0055]
其中与的取值一致
[0056]
综上所述，本发明的码本构造方法，如图5所示，包括：
[0057]
1、在基站建立分层架构的多波束码本；
[0058]
2、波束训练；
[0059]
3、获得全息波束成形及用户处最优码字。
[0060]
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。