CN112910531B - 一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法，其中，超表面为反射式超表面，该超表面由大量亚波长二进制可重构单元构成。通过对这些二进制单元进行编程，该超表面可利用不同的数字辐射相位实现将喇叭天线辐射出的波束转至特定方向。利用这个功能，超表面可通过波束转向来进行用户跟踪以及在方向波束上进行相位调制编码信号传输。由于其简易的架构和灵活的控制特性，该方法在构建雷达通信一体化系统和可识别电子系统方面具有广阔的应用前景。

Description

一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法
技术领域
本发明属于无线通信系统领域，尤其涉及一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法。
背景技术
作为薄层版本的超材料，超表面可在介质表面调控电磁波的可视化特性。对于沿表面传播的波，超表面可以调控表面阻抗来形成平面式功能设备或辐射漏波。对于波在表面的反射或折射，超表面可以调控反射或折射系数来实现不同功能。从不同角度研究，多种多样的超表面相继被提出，例如惠更斯超表面、阻抗超表面、全息超表面、非线性超表面以及可编程超表面等。其中，可编程超表面为包含数字可重构单元的动态超表面。通过对数字单元进行编程，可编程超表面可在时域和空域上调制电磁波。可编程超表面在多域上调控电磁波的能力为其在波束扫描天线、电磁波成像和新型无线通信的应用创造了无限可能。
目前实现用户追踪的方法是基于天线阵列或传感器网络实现，这些方法构建成的通信系统复杂度大，成本高，集成度和灵活性较低，这也是通信系统发展需要解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法,以解决现有方法构建成的通信系统复杂度大，成本高，集成度和灵活性较低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体技术方案如下：
一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法，包括以下步骤：
步骤1、超表面为反射式超表面，它包括二进制单元，根据可编程超表面的数字编码表示为状态“1”或状态“0”，如果一个单元从状态“1”变为状态“0”，其反射相位会改变180°，通过设计特定的数字编码，可编程超表面在空域上塑造其远场模式，通过动态切换数字编码序列，可编程超表面在时域上调控远区场的相位。
步骤2、可编程超表面控制方向波束的辐射相位来实现无线传输，通过接收信号的正确性来判断方向波束是否对准了用户，相位调制只有在方向波束的覆盖范围内有效，最终在相同的通信信道上实现用户追踪和无线数字传输；
步骤3、通过设计数字编码序列合成散射波的频谱，可编程超表面辐射特定频率的波，通过调频信号实现基于可编程超表面的无线通信，信号传输通过判断接收信号的谐波实现。
进一步的，超表面的二进制单元，每个单元包含一个PIN二极管，通过切换二极管状态，每个单元拥有两个相差180°的反射相位状态，分别记为“1”和“0”，这些数字的分布作为可编程超表面的数字编码，可编程超表面通过带有I/O引脚的连接器与FPGA连接，可编程超表面的数字编码提前储存于FPGA，在需要之时调用来配置超表面状态，可编程超表面在空域上通过配置数字编码来改变远区场模式。
进一步的，通过调控方向波束的辐射相位进行传输以及循环冗余校验值可用来判断接收信号的正确性。
本发明的一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法具有以下优点：
1、基于可编程超表面的系统使用单个超表面来追踪用户和发射信号，从而大大降低通信系统的复杂度和成本；
2、超表面由数字电路直接控制，因此增加了通信系统的集成度和灵活度。
附图说明
图1为本发明的数字编码及其对应的远区场模式示意图,其中：
图1a为本发明的波束指向0°时对应的数字编码示意图；
图1b为本发明的波束指向40°时对应的数字编码示意图；
图1c为本发明的波束指向40°时对应的数字编码示意图；
图1d为本发明的波束指向60°时对应的数字编码示意图；
图1e为本发明的可编程超表面波束指向在-60°到60°变化时对应的远区场模式示意图；
图2为本发明的不同
Figure BDA0003021935550000031
对应的数字编码及其远区场和相位模式示意图,其中：
图2a为本发明的
Figure BDA0003021935550000032
为0时的数字编码示意图；
图2b为本发明的
Figure BDA0003021935550000033
为
Figure BDA0003021935550000034
时的数字编码示意图；
图2c为本发明的
Figure BDA0003021935550000035
为π时的数字编码示意图；
图2d为本发明的
Figure BDA0003021935550000036
为
Figure BDA0003021935550000037
时的数字编码示意图；
图3为本发明的三种周期序列的超表面空间频率谱的理论计算和测试频谱示意图,其中：
图3a为本发明的第一种周期序列配置的超表面的空间频率谱的计算结果示意图；
图3b为本发明的第二种周期序列配置的超表面的空间频率谱的计算结果示意图；
图3c为本发明的第三种周期序列配置的超表面的空间频率谱的计算结果示意图；
图4为本发明的实验测试场景结构示意图；
图5为本发明的不同方位定位喇叭的星座图的示意图,其中：
图5a为本发明的喇叭放置于方位角0°定位的星座图；
图5b为本发明的喇叭放置于方位角10°定位的星座图；
图5c为本发明的喇叭放置于方位角20°定位的星座图；
图5d为本发明的喇叭放置于方位角30°定位的星座图；
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法做进一步详细的描述。
超表面为反射式超表面，它包括大量二进制单元，它们根据可编程超表面的数字编码表示为状态“1”或状态“0”。其中，灰色和黄色贴片代表不同状态的二进制单元。如果一个单元从状态“1”变为状态“0”，其反射相位会改变180°。通过设计特定的数字编码，可编程超表面能在空域上塑造其远场模式。通过动态切换数字编码序列，可编程超表面也能在时域上调控远区场的相位。
所制造的可编程超表面包含400个单元，每个单元包含一个PIN二极管。通过切换二极管状态，每个单元拥有两个相差180°的反射相位状态，分别记为“1”和“0”。这些数字的分布作为可编程超表面的数字编码。可编程超表面通过带有512个I/O引脚的连接器与FPGA连接。可编程超表面的数字编码提前储存于FPGA，在需要之时调用来配置超表面状态。假设可编程超表面发射一个方向波束
Figure BDA0003021935550000041
其对应的数字编码可用改进型GS算法获取。
Figure BDA0003021935550000042
和
Figure BDA0003021935550000043
分别为波矢量和距离矢量。
图1a给出了波束指向0°时对应的数字编码，图1b给出了波束指向20°时对应的数字编码,图1c给出了波束指向40°时对应的数字编码，图1d给出了波束指向60°时对应的数字编码。远区场的测试在微波暗室进行。将可编程超表面作为发射机，并将一个喇叭天线作为接收机来记录从超表面中辐射出的远区场的辐度和相位。图1e给出了可编程超表面波束指向在-60°到60°变化时对应的远区场模式。这些实验证明可编程超表面可以在空域上通过配置数字编码来改变远区场模式。
一般情况下，转向波束可通过校验不同方向上的接收信号强度来实现用户追踪，但这个过程需要维持接收信号强度信息，这表明无法在这个过程中使用自动增益控制。但是在通信信道中需要自动增益控制来确保接收信号的固定增益。因此，需要另一个独立于通信信道的信道来记录接收信号实际强度。通过使用基于可编程超表面的通信系统，可以省去这个额外信道，因为方向波束的辐射相位由可编程超表面控制从而实现无线传输，而相位调制只有在方向波束的覆盖范围内有效。因此接收信号的正确性会说明方向波束是否对准了用户。最终可在相同的通信信道上实现用户追踪和无线数字传输。对于固定方向波束上的相位调制，可编程超表面的数字编码在时域配置。假设一个方向波束
Figure BDA0003021935550000051
由可编程超表面生成并带有变化的相位
Figure BDA0003021935550000052
则超表面上相应的数字编码也可通过改进型GS算法获得。
图2a展示了
Figure BDA0003021935550000053
为0时的数字编码，图2b展示了
Figure BDA0003021935550000054
为
Figure BDA0003021935550000055
时的数字编码，图2c展示了
Figure BDA0003021935550000056
为π时的数字编码。图2d展示了
Figure BDA0003021935550000057
为
Figure BDA0003021935550000058
时的数字编码。基于测试结果，数字信号可通过调控方向波束的辐射相位进行传输以及循环冗余校验值可用来判断接收信号的正确性。
频率调制信号为另类用于无线通信的常见信号。由于可编程超表面能够调控电磁波的相位，它也能通过控制每个单元的谐波来调制电磁波频率。但是远区场的频率调制可以通过处理整个超表面的辐射相位直接实现，而不需要针对每个单元处理。实际上，相位调制伴随着频率调制因为它们都属于角度调制。当可编程超表面被单频波照射时，如果散射波的相位由超表面按序更替的数字编码调制，则散射波的频谱会有大量谐波分量。此外，散射波的频谱可通过设计适当的数字编码序列合成，因此可编程超表面可辐射特定频率的波。
以图2的情况举例，方向波束指向0°且方向波束的辐射相位根据可编程超表面的数字编码产生了4种不同的值。假设
Figure BDA0003021935550000061
是一个周期序列
Figure BDA0003021935550000062
其中N＝16，
Figure BDA0003021935550000063
从
Figure BDA0003021935550000064
中随机取值，则方向波束拥有离散频谱。所设计的可编程超表面以频率10MHz切换数字编码，因此离散频谱拥有最小频率间隔0.625MHz。此处使用遗传算法来合成频谱。经过优化获得3种周期序列，分别对应主要分量为第一、第二、第三谐波的光谱。
图3a给出了第一种周期序列配置的超表面的空间频率谱的计算结果，图3b给出了第二种周期序列配置的超表面的空间频率谱的计算结果，图3c给出了第三种周期序列配置的超表面的空间频率谱的计算结果。纵向坐标为俯仰角，水平坐标为频率偏移量。可看出频率调制只有在主波束覆盖域内有效，这和相位调制一致。
这些频率合成的实验验证了通过调频信号实现基于可编程超表面的无线通信的可能性。信号传输可通过判断接收信号的谐波实现。但是，频率调制需要用周期数字编码序列对可编程超表面进行配置，因此码率较低，而且序列越长，码率越低。例如，图3的码率是相位调制的1/16。因此，在接下来用户追踪的实验中我们使用相位调制。值得一提的是，通过设计可编程超表面的周期数字编码序列，我们实现了空域远区场模式和时频谱的同时合成。
为验证基于可编程超表面的用户追踪的可行性，我们设计了如图4所示的实验。为简化实验配置，通信系统只建立了一条收发链，且信号的发射和接收在同一个信号处理板(SPB)上进行。可编程超表面作为基站进行水平方向上的波束转向。一个喇叭天线模仿移动用户来接收基站发出的信号。波束转向和相位调制的请示指令从信号处理板中加载，然后这些指令对应的数字编码实时被调用来配置可编程超表面。当超表面辐射出的转向波束指向喇叭天线时，相位调制信号将会被喇叭天线正确接收并且周期冗余校验值为0，否则大于0。通过实时校验周期冗余校验值，即可确定喇叭天线的方向。
我们搭建了图4所示的场景进行实验。经过测试，方向波束在水平面从-60°以10°的间隔扫描至60°，并且在每个角度会滞留一段时间以保证2帧的发射信号能够成功发射。如之前所述，测试信号通过调控方向波束的辐射相位发射。测试信号的每一帧包含5844bit数字数据、24bit循环冗余校验码以及1956bit先导序列。可编程超表面的数字编码切换速率为10MHz/s，因此测试信号的比特率也为10MHz/s。喇叭天线距离可编程超表面2.4m，且放置在方向波束保持的方向上。发射信号的功率为20dBm，接收信道的增益为40dB。为了验证追踪机制，喇叭天线分别放置在方位角0°、10°、20°和30°的位置上。在四种情况的追踪过程中，周期冗余校验的实时测量值只有在方向波束指向喇叭天线时为0。也就是说，在喇叭天线移动位置时可编程超表面辐射出的方向波束会一直指向喇叭天线。图5a,图5b,图5c,图5d给出了当喇叭天线被成功定位时测得的星座图。从这些结果中可清楚地看出相位映射关系，这说明喇叭天线成功接收到测试信号。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、超表面为反射式超表面，它包括二进制单元，根据可编程超表面的数字编码表示为状态“1”或状态“0”，如果一个单元从状态“1”变为状态“0”，其反射相位会改变180°，通过设计特定的数字编码，可编程超表面在空域上塑造其远场模式，通过动态切换数字编码序列，可编程超表面在时域上调控远区场的相位；
步骤2、可编程超表面控制方向波束的辐射相位来实现无线传输，通过接收信号的正确性来判断方向波束是否对准了用户，相位调制只有在方向波束的覆盖范围内有效，最终在相同的通信信道上实现用户追踪和无线数字传输；
步骤3、通过设计数字编码序列合成散射波的频谱，可编程超表面辐射特定频率的波，通过调频信号实现基于可编程超表面的无线通信，信号传输通过判断接收信号的谐波实现。
2.根据权利要求1所述的基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法，其特征在于，所述超表面的二进制单元，每个单元包含一个PIN二极管，通过切换二极管状态，每个单元拥有两个相差180°的反射相位状态，分别记为“1”和“0”，这些数字的分布作为可编程超表面的数字编码，可编程超表面通过带有I/O引脚的连接器与FPGA连接，可编程超表面的数字编码提前储存于FPGA，在需要之时调用来配置超表面状态，可编程超表面在空域上通过配置数字编码来改变远区场模式。
3.根据权利要求2所述的基于可编程超表面的用户追踪和无线数字传输方法，其特征在于，通过调控方向波束的辐射相位进行传输以及循环冗余校验值可用来判断接收信号的正确性。
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