CN113189902A - 一种基于触发器的智能超表面及其控制方法、控制器 - Google Patents

一种基于触发器的智能超表面及其控制方法、控制器 Download PDF

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尹海帆
张昆
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Abstract

本发明公开了一种基于触发器的智能超表面及其控制方法、控制器，属于无线通信领域。本发明对控制电路板结构进行改进，改进后的控制电路板包括扫描线驱动电路和多个触发器，扫描线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到扫描信号后，根据接扫描信号触发触发器，触发器用于在被触发时，输出电平信号加载在对应的RIS单元，未被触发时，保持原有状态。本发明利用触发器未被触发时输出信号不发生变化这一特性，触发集合内的各RIS单元对应的触发器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，由于触发器不易产生毛刺，且由于边沿作用可有效抑制输入端干扰，控制效果更佳，且在控制时序上表现更佳。

Description

一种基于触发器的智能超表面及其控制方法、控制器
技术领域
本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种基于触发器的智能超表面及其控制方法、控制器。
背景技术
智能超表面(智能反射面，RIS，Large Intelligent Surface，ReconfigurableIntelligent Surface，Software Defined Surface，Metasurface，IRS，IntelligentReflecting Surface，Reconfigurable Meta-Surfaces，Holographic MIMO等，下文均用RIS表述)是一种辅助通信系统，它利用其的反射单元改变入射到表面的电磁波的相位或幅度，通过大量反射单元的共同作用，可以实现电磁波的定向反射，从而使得基站信号可以绕过阻挡物到达用户。
如图1所示，每个单元里面的符号θn(n＝1，2，…，N)表示该单元的相移，这些单元的相移可由智能超表面的控制器控制。目前现存的智能超表面控制方案基本都是每个反射单元由一个控制器引脚独立控制的形式。
这种方法虽然简单，但是由于超表面往往有大量的电磁单元，因此需要大量的控制器IO口资源，导致硬件成本居高不下，且不利于在智能超表面阵列规模较大时对其进行控制，并且增加控制器会大大增加成本。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于触发器的智能超表面及其控制方法、控制器，其目的在于将大规模智能超表面划分为小规模集合后，利用触发器未被触发时输出信号不发生变化这一特性，触发集合内的各RIS单元对应的触发器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，降低控制器成本，提高控制器的利用效率；由于触发器不易产生毛刺，且由于边沿作用可有效抑制输入端干扰，控制效果更佳，且在控制时序上表现更佳。
为实现述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于触发器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个触发器，每个触发器与RIS单元一一对应；其中，每个触发器的时钟引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路，输入引脚通过信号线连接到智能超表面的控制器，输出引脚连接RIS单元；
所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据接扫描信号触发触发器；
所述触发器，用于在被触发时，输出电平信号加载在对应RIS单元，未被触发时，保持原有状态。
优选地，所述控制电路板还包括：
位于所述触发器与RIS单元之间的电压转换电路，用于在触发器输出的电平信号无法满足RIS单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足RIS单元正常工作所需电压信号。
有益效果：本发明提出在触发器与RIS单元之间放置电压转换电路，全面考虑了触发器输出的电平信号(数字)可能无法满足RIS单元正常工作要求的情形，使得RIS单元可以工作在正常的电压范围内，实现电磁波的定向反射功能。
优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。
有益效果：以n行m列阵列式智能超表面为例，扫描线驱动电路优选为移位寄存器电路时，整个智能超表面的引脚数仅为m+1，扫描线驱动电路优选为译码逻辑电路时，整个智能超表面的引脚数仅为m+log2n，使得所需要的控制器引脚数量(原始为m+n)进一步减少，控制器的成本进一步降低。
为实现述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种如第一方面所述的智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：
S1.确定智能超表面各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有RIS单元划分为至少一个集合；
S2.确定每个集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号；
S3.选中一个集合，将选中集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号同时加载到选中集合内各RIS单元对应触发器；
S4.向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内各RIS单元对应触发器；
S5.重复步骤S3-S4，直至各RIS单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。
为实现述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种基于触发器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个触发器，每个触发器与RIS单元一一对应；其中，每个触发器的时钟引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路，输入引脚通过信号线连接到信号线驱动电路，输出引脚连接RIS单元；
所述信号线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的控制电平信号后，将接收到的控制电平信号同时加载到选中RIS单元对应的触发器；
所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据接收到的扫描信号触发RIS单元对应的触发器；
所述触发器，用于在被触发时，输出电平信号加载在对应RIS单元，未被触发时，保持原有状态。
优选地，所述控制电路板还包括：
位于所述触发器与RIS单元之间的电压转换电路，用于在触发器输出的电平信号无法满足RIS单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足RIS单元正常工作所需电压信号。
优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。
为实现述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种如第三方面所述的智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：
S1.确定智能超表面各RIS单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有RIS单元划分为至少一个集合；
S2.确定每个集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号；
S3.选中一个集合，向信号线驱动电路发送选中集合内RIS单元所需控制电平信号；
S4.向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内各RIS单元对应触发器；
S5.重复步骤S3-S4，直至各RIS单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。
优选地，步骤S1中，将智能超表面划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块RIS单元。
有益效果：将智能超表面划分为多个相同的集合，有助于提高控制的效率。
为实现述目的，按照本发明的第五方面，提供了一种智能超表面的控制器，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如述智能超表面的控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)考虑到现有智能超表面的控制器成本高，本发明提出一种基于触发器的智能超表面，对控制电路板结构进行改进，改进后的控制电路板包括扫描线驱动电路和多个触发器，扫描线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到扫描信号后，根据接扫描信号触发触发器，触发器用于在被触发时，输出电平信号加载在对应的RIS单元，未被触发时，保持原有状态。本发明利用触发器未被触发时输出信号不发生变化这一特性，触发集合内的各RIS单元对应的触发器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，由于触发器不易产生毛刺，且由于边沿作用可有效抑制输入端干扰，控制效果更佳，且在控制时序上表现更佳。
(2)本发明提出一种基于触发器的智能超表面的控制方法，控制器将智能超表面分为若干集合，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以直接控制该集合内RIS单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各集合，就可以完整地控制整个智能超表面。使用有源矩阵式的控制方式，系统复杂度低，大大降低了系统的总体成本；由于触发器未被触发时输出信号不发生变化，这种控制方法不需要定时刷新，且控制电压稳定，不会随时间波动。由于不需要定期刷新充电，这种方法的信号串扰也更小，系统的稳定性提升。
(3)考虑到现有智能超表面的控制器成本高，本发明提出一种基于触发器的智能超表面，对控制电路板结构进行改进，改进后的控制电路板包括信号线驱动电路、扫描线驱动电路和多个触发器，信号线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制电平信号后，将接收到的控制电平信号同时加载到各选中的RIS单元对应的信号线，扫描线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到扫描信号后，根据接收到的扫描信号触发若干RIS单元对应的触发器，触发器用于在被触发时，输出电平信号加载在对应的RIS单元，未被触发时，保持原有状态。本发明利用触发器未被触发时输出信号不发生变化这一特性，触发集合内的各RIS单元对应的触发器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，由于触发器不易产生毛刺，且由于边沿作用可有效抑制输入端干扰，控制效果更佳，且在控制时序上表现更佳。
(4)本发明提出一种基于触发器的智能超表面的控制方法，控制器将智能超表面分为若干集合，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以通过信号线驱动电路控制该集合内RIS单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各集合，就可以完整地控制整个智能超表面。使用有源矩阵式的控制方式，系统复杂度低，大大降低了系统的总体成本；本发明利用触发器未被触发时输出信号不发生变化这一特性，触发集合内的各RIS单元对应的触发器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，由于触发器不易产生毛刺，且由于边沿作用可有效抑制输入端干扰，控制效果更佳，且在控制时序上表现更佳。
附图说明
图1为现有技术中智能超表面示意图；
图2为本发明实施例提供的基于触发器的智能超表面按行扫描控制方法示意图；
图3为本发明实施例提供的触发器的基本结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于触发器的智能超表面按列扫描控制方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一方面，本发明提供了一种基于触发器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个触发器，每个触发器与RIS单元一一对应；其中，每个触发器的时钟引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路，输入引脚通过信号线连接到智能超表面的控制器，输出引脚连接RIS单元。
所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据接扫描信号触发触发器。
智能超表面可以是阵列式，也可以是圆盘形等其他类型。
优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。
若使用移位寄存器电路，则扫描信号为移位脉冲；若使用译码逻辑电路，则扫描信号为控制信号，经过译码后再触发。
所述触发器，用于在被触发时，输出电平信号加载在对应的RIS单元，未被触发时，保持原有状态。
优选地，所述控制电路板还包括：位于所述触发器与RIS单元之间的电压转换电路，用于在触发器输出的电平信号无法满足RIS单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足RIS单元正常工作所需电压信号。
例如，触发器输出的电平为0～15V，无法使智能超表面正常工作，使用电压转换电路，将其转换为－15V～15V的电压信号之后，再输出给RIS单元。
对应地，本发明提供了一种如述智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：
步骤S1.确定智能超表面各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有RIS单元划分为至少一个集合。
控制器将智能超表面分为若干集合，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以控制该集合内RIS单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各集合，就可以完整地控制整个智能超表面。集合的大小根据实际需要设定，设定时综合考虑智能超表面的规模和控制效率。
优选地，将智能超表面划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块RIS单元。例如，将n×m阵列式智能超表面划分为n行，按行扫描智能超表面。每一行的RIS单元连接同一扫描线，每一列的智能超表面连接同一信号线。
步骤S2.确定每个集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号。
步骤S3.选中一个集合，将选中集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号同时加载到选中集合内各RIS单元对应触发器。
步骤S4.向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内各RIS单元对应触发器。
步骤S5.重复步骤S3-S4，直至各RIS单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。
整个控制过程是实时的，在当前时刻控制结束后，重复步骤S1-S5进入下一时刻的控制。
另一方面，本发明提供了一种基于触发器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个触发器，每个触发器与RIS单元一一对应；其中，每个触发器的时钟引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路，输入引脚通过信号线连接到信号线驱动电路，输出引脚连接RIS单元。
所述信号线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的控制电平信号后，将接收到的控制电平信号同时加载到选中RIS单元对应的触发器。
所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据接收到的扫描信号触发RIS单元对应的触发器。
优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。
所述触发器，用于在被触发时，输出电平信号加载在对应RIS单元，未被触发时，保持原有状态。
优选地，所述控制电路板还包括：位于所述触发器与RIS单元之间的电压转换电路，用于在触发器输出的电平信号无法满足RIS单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足RIS单元正常工作所需电压信号。
对应地，本发明提供了一种如述智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：
步骤S1.确定智能超表面各RIS单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有RIS单元划分为至少一个集合。
控制器将智能超表面分为若干集合，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以控制该集合内RIS单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各集合，就可以完整地控制整个智能超表面。
步骤S2.确定每个集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号。
步骤S3.选中一个集合，向信号线驱动电路发送选中集合内RIS单元所需控制电平信号。
步骤S4.向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内各RIS单元对应触发器。
步骤S5.重复步骤S3-S4，直至各RIS单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。
此外，本发明还提供了一种智能超表面的控制器，包括：计算机可读存储介质和处理器；所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行述智能超表面的控制方法。
所述控制器可采用FPGA、单片机等微处理器。
实施例1
如图2所示，本实施例使用行扫描方式。每个RIS单元中使用触发器来控制RIS的逻辑电平。一个RIS单元及触发器的基本结构如图3所示，其中，触发器的电源和地引脚已经省去。所述触发器的时钟引脚为CLK，当时钟(CLK)升沿时，来自输入引脚(IN)的数据被传送到输出引脚(OUT)。
对智能超表面阵列进行1bit的控制，本实施例中智能超表面一共n行m列RIS单元。控制器向信号线驱动电路发送此行RIS的控制信号，信号线驱动电路在S1，S2，S3，S4，…，Sm-1，Sm加载控制电平，接着，控制器向扫描线驱动电路发送扫描信号，由扫描线驱动电路触发某一行RIS单元(图中G1，G2，G3，…，Gn-1，Gn)，此时，被选中行的触发器使能，输出信号电压，加载在RIS单元，电压变化，幅度相位都会改变；未被触发的触发器保持原有状态，其输出不会随着信号线S1，S2，S3，S4，…，Sm-1，Sm电压的变化而变化。
整个系统工作过程如下：
(1)控制器根据智能超表面算法，确定超表面各单元当前时刻所需要的控制电压。
(2)控制器选中一行，将选中集合内的RIS单元分配到的所需控制电平信号同时加载到选中集合内的各RIS单元对应的信号线S1，S2，S3，S4，…，Sm-1，Sm。
(3)控制器向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内的RIS单元对应的触发器，其余未选通的触发器保持原有状态。
实施例2
如图4所示，本实施例使用列扫描方式。此时每行连接到信号线驱动电路，每列连接到扫描线驱动电路，所示的智能超表面仍然为n行m列，且触发器与扫描线、信号线驱动电路的连接方式不应发生变化，即：扫描线仍然连接触发器的CLK引脚，信号线仍然连接触发器的输入引脚。
本领域的技术人员容易理解，以所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于触发器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，其特征在于，
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个触发器，每个触发器与RIS单元一一对应；其中，每个触发器的时钟引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路，输入引脚通过信号线连接到智能超表面的控制器，输出引脚连接RIS单元；
所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据接扫描信号触发触发器；
所述触发器，用于在被触发时，输出电平信号加载在对应RIS单元，未被触发时，保持原有状态。
2.如权利要求1所述的智能超表面，其特征在于，所述控制电路板还包括：
位于所述触发器与RIS单元之间的电压转换电路，用于在触发器输出的电平信号无法满足RIS单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足RIS单元正常工作所需电压信号。
3.如权利要求1或2所述的智能超表面，其特征在于，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的智能超表面的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
S1.确定智能超表面各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有RIS单元划分为至少一个集合；
S2.确定每个集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号；
S3.选中一个集合，将选中集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号同时加载到选中集合内各RIS单元对应触发器；
S4.向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内各RIS单元对应触发器；
S5.重复步骤S3-S4，直至各RIS单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。
5.一种基于触发器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，其特征在于，
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个触发器，每个触发器与RIS单元一一对应；其中，每个触发器的时钟引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路，输入引脚通过信号线连接到信号线驱动电路，输出引脚连接RIS单元；
所述信号线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的控制电平信号后，将接收到的控制电平信号同时加载到选中RIS单元对应的触发器；
所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据接收到的扫描信号触发RIS单元对应的触发器；
所述触发器，用于在被触发时，输出电平信号加载在对应RIS单元，未被触发时，保持原有状态。
6.如权利要求5所述的智能超表面，其特征在于，所述控制电路板还包括：
位于所述触发器与RIS单元之间的电压转换电路，用于在触发器输出的电平信号无法满足RIS单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足RIS单元正常工作所需电压信号。
7.如权利要求5或6所述的智能超表面，其特征在于，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。
8.一种如权利要求5至7任一项所述的智能超表面的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
S1.确定智能超表面各RIS单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有RIS单元划分为至少一个集合；
S2.确定每个集合内各RIS单元在当前时刻所需控制电平信号；
S3.选中一个集合，向信号线驱动电路发送选中集合内RIS单元所需控制电平信号；
S4.向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于触发选中集合内各RIS单元对应触发器；
S5.重复步骤S3-S4，直至各RIS单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。
9.如权利要求4或8所述的方法，其特征在于，步骤S1中，将智能超表面划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块RIS单元。
10.一种智能超表面的控制器，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求4、8或9所述的智能超表面的控制方法。
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