CN113745807A - 基于全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统及方法，所述多小区通信干扰消除系统覆盖C个小区；所述多小区通信干扰消除系统包括C个基站，且每个所述基站均装有可重构全息超表面天线；在每个小区中均安装一个所述基站；其中，标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户进行通信；所述标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户分配资源以多小区之间的通信干扰消除。本发明可以有效消除D2D链路对蜂窝网络造成不可避免的干扰，同时通过迭代算法提高用户总传输速率，满足高数据速率的要求。

Description

基于全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统及方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统及方法。
背景技术
近年来，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统及方法，在消除D2D链路对蜂窝网络造成不可避免的干扰的同时，提高用户总传输速率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统，所述多小区通信干扰消除系统覆盖C个小区；所述多小区通信干扰消除系统包括C个基站，且每个所述基站均装有可重构全息超表面天线；在每个小区中均安装一个所述基站；其中，标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户进行通信；所述标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户分配资源以多小区之间的通信干扰消除，所述标定基站为C个基站中的任意基站；所述资源包括传输子信道和功率。
可选的，所述可重构全息超表面天线包括馈源、平行板波导以及超材料辐射单元阵列；所述超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元；所述超材料辐射单元阵列在所述平行板波导的表面上；
所述馈源发出电磁波，所述电磁波在所述平行板波导上以表面波的形式进行传播，所述超材料辐射单元通过连续改变各自电源的偏置电压，对传播至各个所述超材料辐射单元的电磁波的辐射振幅进行连续调节，从而使各个所述超材料辐射单元辐射出能量不同的电磁波，最终叠加为方向可连续调节的电磁波。
可选的，每个所述超材料辐射单元上均设置有多个PIN二极管，
通过调节控制每个超材料辐射单元上的多个PIN二极管的开关状态，来对传播至所述超材料辐射单元上电磁波的辐射振幅进行调节。
可选的，第c个小区第m个用户接收到的信号是由第c个小区第m个用户想要接收到的信号、第c个小区内用户间的干扰信号、C个小区间的干扰信号以及第c个小区第m个用户接收的高斯白噪声组成的。
一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除方法，包括：
保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，优化功率分配方案；
基于优化后的功率分配方案和所述全息波束成形矩阵，优化子信道分配方案；
保持所述优化后的功率分配方案和优化后的子信道分配方案，优化全息波束成形矩阵。
可选的，所述保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，优化功率分配方案，具体包括：
保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，求解功率分配问题，得到优化后的功率分配方案。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将可重构全息超表面天线应用于各个小区的通信网络中，可以有效消除D2D链路对蜂窝网络造成不可避免的干扰，同时通过优化算法提高用户总传输速率，满足高数据速率的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明可重构全息超表面天线的结构示意图；
图2为本发明表面波的传播过程示意图；
图3为本发明基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统的结构示意图；
图4为本发明基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除方法的流程示意图；
图5为本发明基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除方法的整体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface，可重构全息超表面)天线由馈源、平行板波导、超材料辐射单元阵列构成；所述超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元，且每个超材料辐射单元均设置有多个PIN二极管。
馈源发出电磁波，电磁波在平行板波导上以表面波的形式进行传播，如图2所示，在传播过程中，所述超材料辐射单元通过连续改变各自电源的偏置电压，对传播至各个所述超材料辐射单元的电磁波的辐射振幅进行连续调节，从而使各个所述超材料辐射单元辐射出能量不同的电磁波，最终叠加为方向可连续调节的电磁波。
具体为：通过调节控制每个超材料辐射单元上的多个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离散辐射振幅的调节；其中，超材料辐射单元具有有限个离散辐射振幅的调节值，而PIN二极管的开关状态与在超材料辐射单元上辐射出的电磁波的离散辐射振幅的调节值具有一一对应关系；因此，将超材料辐射单元中的电源的偏置电压调节为目标偏置电压，将超材料辐射单元中的PIN二极管的开关状态调节为目标开关值，在超材料辐射单元上辐射出的离散辐射振幅的调节值为目标幅度值。
例如，若有I个PIN二极管控制一个超材料辐射单元，则该超材料辐射单元具有2I个离散辐射振幅调节值。
本发明提供的可重构全息超表面天线考虑到多小区系统中的资源分配(包括功率和子信道分配)和用户调度问题，并对二者进行联合优化，解决多小区间干扰消除问题，并最大化系统的用户总数据速率。
鉴于上述内容介绍，本发明提供了一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统及方法。
如图3所示，在一个下行的多用户无线通信系统中，即多小区通信干扰消除系统，所述多小区通信干扰消除系统覆盖C个小区；所述多小区通信干扰消除系统包括C个基站，且每个所述基站均装有可重构全息超表面天线；在每个小区中均安装一个所述基站；其中，标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户进行通信；所述标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户分配资源以多小区之间的通信干扰消除，所述标定基站为C个基站中的任意基站；所述资源包括传输子信道和功率。
第c’个基站与第c个小区的第m个用户之间的第k个子信道用
Figure BDA0003246062680000041
表示。所有传输子信道与收发两端间的距离有关，假设可根据实际情况利用计算机技术进行模拟。第c个小区中的第m个用户通过第k个子信道接收到的第c个基站信号的发射功率记作
Figure BDA0003246062680000042
为保证第c个基站分配出去的发射功率总和小于它本身的总功率，需满足
Figure BDA0003246062680000043
其中，Pc是第c个基站的总传输功率。根据非正交多址(NOMA)技术的基本思想，一个子信道可以被分配给多个用户，同时每个用户可以通过多个子信道接收来自基站的信号。第k个子信道服务的第c个小区的用户用集合Sc，k表示，通过第k个子信道向第m个用户传输的信号用
Figure BDA0003246062680000051
表示。
第c个小区的第m个用户通过第k个子信道接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003246062680000052
其中，第一项为第c个小区的第m个用户想要接收到的信号，第二项为小区内用户间的干扰，第三项为小区间的干扰，第四项为信道中的高斯白噪声。Mc为第c个可重构全息超表面天线的全息波束成形矩阵。
假设每个可重构全息超表面天线设置有上1个馈源和N个超材料辐射单元，每个超材料辐射单元的离散辐射振幅的调节值的取值范围为
Figure BDA0003246062680000053
对每个超材料辐射单元的离散辐射振幅
Figure BDA0003246062680000054
(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)进行0-1之间的初始化。每个超材料辐射单元根据
Figure BDA0003246062680000055
对参考波能量向自由空间辐射，以形成固定方向的波束，即为全息波束成形，第c个可重构全息超表面天线的全息波束成形矩阵记作Mc，它是一个是由元素
Figure BDA0003246062680000056
构成的矩阵。其中，ks为参考波在可重构全息超表面天线表面传播的传播矢量，rn为馈源到第n个超材料辐射单元的距离矢量。
用户总传输速率最大化问题为：
Figure BDA0003246062680000061
Figure BDA0003246062680000062
Figure BDA0003246062680000063
如图4和图5所示，一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除方法，包括：
步骤401：保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，优化功率分配方案；具体为：保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，求解功率分配问题。将功率分配问题改写成一个几何规划问题，利用高效内点法求解优化功率分配方案。
步骤402：基于优化后的功率分配方案和所述全息波束成形矩阵，优化子信道分配方案；具体地，子信道分配方案可以定义为一个多对多双边匹配问题，利用匹配博弈求解优化后的子信道分配方案。
步骤403：保持所述优化后的功率分配方案和优化后的子信道分配方案，优化全息波束成形矩阵。
具体如下：
利用分支定界法确定每个辐射单元的最优离散幅度值,令
Figure BDA0003246062680000064
Figure BDA0003246062680000065
则通过优化整数
Figure BDA0003246062680000066
的值即可确定最优的全息波束成形方案。
首先求得无整数约束约束下的最优
Figure BDA0003246062680000067
值和总数据速率和上限
上述用户总传输速率最大化问题可以根据分式规划进行改写，然后利用MATLAB中的二次规划算法即可求解出最优的
Figure BDA0003246062680000068
值和相应的最大总数据速率和记为Rmax，检验最优
Figure BDA0003246062680000069
值是否都为整数，若是，则结束全息波束成形的优化，反之则进行如下所述的分支定界法优化。
分支定界法优化
Figure BDA0003246062680000071
分支：任意选择一个非整数
Figure BDA0003246062680000072
进行分支，记其值为
Figure BDA0003246062680000073
构造两个约束条件：
Figure BDA0003246062680000074
和
Figure BDA0003246062680000075
其中
Figure BDA0003246062680000076
代表不超过
Figure BDA0003246062680000077
的最大整数.考虑这两个约束条件,再次利用MATLAB中的二次规划算法继续求解，得出最优的
Figure BDA0003246062680000078
值和最大总数据速率和。
定界：以每个后继问题为一分支并标明求解的结果，与其他后继问题解的结果中，找出总数据速率最大者作为新的上界
Figure BDA0003246062680000079
从已符合整数条件的分支中找出总数据速率最小者作为新的下界R。
比较与剪枝：各分支中的数据速率，若有小于
Figure BDA00032460626800000710
者则进行剪枝，后续不再考虑，若有大于R者，但不符合整数条件，则继续进行分支操作，一直到最后最大速率和等于R为止，对应的整数sm，n即为所求。通过
Figure BDA00032460626800000711
可以获得
Figure BDA00032460626800000712
的值。
进一步地，本实施例提供的方法还包括：重复步骤401至403，直到两次相邻的迭代的数据速率的差值小于预设的阈值。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.可重构全息超表面天线轻薄，易于安装；传统的碟形天线，需要通过笨重的机械装置来控制天线转动从而实现波束控制的方式，且后期维修费用高昂；而可重构全息超表面天线尺寸小，制造过程中采用了PCB技术使其结构紧凑而轻薄，制造成本大大降低，且易于直接安装在发射装置上；另外可重构全息超表面天线采用电控制的方式可以达到很好的达到动态多波束控制效果，因此可重构全息超表面天线非常适用于多用户移动通信。
2.可重构全息超表面天线功耗低，硬件成本低；相控阵天线，虽然也利用了电控制的方式来控制波束方向，但是相控阵天线依赖于大量的移相器来控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量的功率放大器；因此，相控阵天线需要复杂的移相电路，且功率损耗大，硬件成本高。而可重构全息超表面天线则不需要移相器以及复杂的移相电路，只需要利用电容二极管来控制每个辐射单元辐射电磁波能量的不同，即通过调幅的方式就可以完成波束的控制；因此用可重构全息超表面天线辅助多用户实现通信功耗低，硬件成本很低的效果。
3.可重构全息超表面可重构全息超表面天线，可有效地消除D2D链路干扰，满足高数据速率的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统，其特征在于，所述多小区通信干扰消除系统覆盖C个小区；所述多小区通信干扰消除系统包括C个基站，且每个所述基站均装有可重构全息超表面天线；在每个小区中均安装一个所述基站；其中，标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户进行通信；所述标定基站与所述标定基站所在小区内的M个用户分配资源以多小区之间的通信干扰消除，所述标定基站为C个基站中的任意基站；所述资源包括传输子信道和功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统，其特征在于，所述可重构全息超表面天线包括馈源、平行板波导以及超材料辐射单元阵列；所述超材料辐射单元阵列包括多个超材料辐射单元；所述超材料辐射单元阵列在所述平行板波导的表面上；
所述馈源发出电磁波，所述电磁波在所述平行板波导上以表面波的形式进行传播，所述超材料辐射单元通过连续改变各自电源的偏置电压，对传播至各个所述超材料辐射单元的电磁波的辐射振幅进行连续调节，从而使各个所述超材料辐射单元辐射出能量不同的电磁波，最终叠加为方向可连续调节的电磁波。
3.根据权利要求2所述的一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统，其特征在于，每个所述超材料辐射单元上均设置有多个PIN二极管，
通过调节控制每个超材料辐射单元上的多个PIN二极管的开关状态，来对传播至所述超材料辐射单元上电磁波的辐射振幅进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除系统，其特征在于，第c个小区第m个用户接收到的信号是由第c个小区第m个用户想要接收到的信号、第c个小区内用户间的干扰信号、C个小区间的干扰信号以及第c个小区第m个用户接收的高斯白噪声组成的。
5.一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除方法，其特征在于，包括：
保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，优化功率分配方案；
基于优化后的功率分配方案和所述全息波束成形矩阵，优化子信道分配方案；
保持所述优化后的功率分配方案和优化后的子信道分配方案，优化全息波束成形矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种基于可重构全息超表面天线的多小区通信干扰消除方法，其特征在于，所述保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，优化功率分配方案，具体包括：
保持全息波束成形矩阵与子信道分配方案不变，求解功率分配问题，得到优化后的功率分配方案。
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