CN113746518A - 连续调相智能超表面、波束赋形方法和快速波束追踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续调相智能超表面、波束赋形方法和快速波束追踪方法，涉及通信技术领域。该连续调相智能超表面在可重构智能表面RIS的基础上，将可重构智能表面RIS中的部分二极管替换为可连续调相器件后得到的。工作时，通过改变加在可连续调相器件上的偏置电压，改变可连续调相器件的等效电容值，进而改变反射系数。基于连续调相智能超表面设计的一种波束赋形方法和一种快速波束追踪方法，充分考虑了无线通信系统中用户的移动性，通过反射系数的调整，可以为用户提供动态的波束赋形，进而为动态移动的用户提供高速的网络服务。

Description

连续调相智能超表面、波束赋形方法和快速波束追踪方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种连续调相智能超表面、波束赋形方法和快速波束追踪方法。
背景技术
超表面的最新发展为第六代移动通信网络容量的提升提供了一种很有前途的方法。传统的可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces，RIS，下文均用RIS表述)是一种包含多个亚波长近无源散射单元的超薄表面，具有可控的电磁特性，使传播环境具有可重构性。
传统的亚波长近无源散射单元(以下用RIS单元表述)具有有限个单元状态，反射相位也为若干个有限值。通常n比特RIS单元表示单元状态有2n个的RIS单元；其中，两个相邻单元状态的反射相位相差为360°/2n，如1比特RIS单元有2个不同的单元状态，两种单元状态的反射相位相差为180°。将传统的RIS单元的各个单元状态进行合适的配置，便可以增强在所需方向上的信号波束，减弱其他方向上的信号波束，这样便能通过对RIS单元的单元状态进行合适的配置以实现波束赋形。然而，对于传统的有限且确定单元状态数的RIS单元来说，会存在以下问题：
有限的单元状态数，会导致波束赋形精度不足。由于RIS单元的单元状态数有限，所以波束赋形的结果只是当前RIS单元所能达到的最优解，而不是波束赋形所需的最优解，会造成一定的能量损失并影响通信效果。若通过提升单元状态数来提高波束精度，又具有较大的设计难度，同时随着设计结构的复杂，可重构智能表面RIS的抗干扰能力也会有所减弱。
确定的单元状态数，会导致可重构智能表面RIS控制成本的提升。对于不同波束精度的要求，由于单元状态数确定，所以可重构智能表面RIS的控制成本差异不大，这对于精度要求不高的任务来说，控制成本是一种浪费，会引起一些不必要的时间延迟。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种连续调相智能超表面，并给予该连续调相智能超表面，设计了一种波束赋形方法和一种快速波束追踪方法，为动态移动的用户提供高速的网络服务。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种连续调相智能超表面，所述连续调相智能超表面是在可重构智能表面RIS的基础上，将所述可重构智能表面RIS中的部分二极管替换为可连续调相器件后得到的。
可选的，所述连续调相智能超表面包括亚波长近无源散射单元和改进的亚波长近无源散射单元；其中，所述亚波长近无源散射单元的二极管和所述改进的亚波长近无源散射单元的可连续调相器件不同。
可选的，所述改进的亚波长近无源反射单元的可连续调相器件为变容二极管、液晶或铁氧体。
可选的，在工作时，通过改变加在所述可连续调相器件上的偏置电压，改变所述可连续调相器件的等效电容值，从而使不同的改进的亚波长近无源反射单元上反射的电磁波具有不同的反射系数，且反射系数可随等效电容变化而连续变化。
一种基于连续调相智能超表面的波束赋形方法，包括：
保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵；
根据优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的模拟波束成形矩阵；
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互优化，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵。
可选的，，所述对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互优化，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵，具体包括：
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互迭代优化；
当两个相邻迭代之间的用户总数据速率的差值小于设定阈值，则迭代完成，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵；
当两个相邻迭代之间的用户总数据速率的差值大于或者等于设定阈值时，将当前迭代优化后的模拟波束成形矩阵替换步骤保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵中的模拟波束成形矩阵，并返回保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵步骤。
一种基于连续调相智能超表面的快速波束追踪方法，包括：
获取当前时隙对应的当前接收功率；所述当前接收功率为用户端检测到的自身的接收功率；
判断所述当前接收功率是否达到预设阈值；
若是，则继续使用上一时隙对应的波束赋形方案；
若否，则根据所述当前接收功率及当前方向角，重新设计波束赋形方案。
一种快速波束追踪方法，包括：
用户端检测得到当前时隙对应的自身接收功率；
用户端判断所述自身接收功率是否达到预设阈值；
若是，则用户端继续使用上一时隙对应的波束赋形方案；
若否，则用户端将当前时隙对应的自身接收功率和当前方向角反馈至基站，所述基站根据当前时隙对应的自身接收功率和当前方向角重新设计波束赋形方案；所述基站为装有连续调相智能超表面的基站。
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：
与普通离散调相方法相比，本发明提供了一种连续调相智能超表面，波束方向更为精准。此外，针对该连续调相智能超表面，本发明还提供了一种波束赋形方法和一种快速波束追踪方法，充分考虑了无线通信系统中用户的移动性，可以为用户提供动态的波束赋形，进而为动态移动的用户提供高速的网络服务，同时使多用户通信系统的数据速率最大化。
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为本发明基于连续调相智能超表面的波束赋形方法的流程示意图；
图2为本发明基于连续调相智能超表面的快速波束追踪方法的流程示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本发明实施例提供的连续调相智能超表面：是在可重构智能超表面RIS的基础上，将可重构智能超表面RIS上的部分普通二极管替换为可连续调相器件，并进行一定的设计后得到的。
其中，所述连续调相智能超表面包括亚波长近无源散射单元和改进的亚波长近无源散射单元；其中，所述亚波长近无源散射单元的二极管和所述改进的亚波长近无源散射单元的可连续调相器件不同。
进一步地，所述改进的亚波长近无源反射单元的可连续调相器件为变容二极管、液晶或铁氧体。
在工作时，通过改变加在所述可连续调相器件上的偏置电压，改变所述可连续调相器件的等效电容值，从而使不同的改进的亚波长近无源反射单元上反射的电磁波具有不同的反射系数，且反射系数可随等效电容变化而连续变化。
具体而言，连续调相智能超表面发射的电磁波会发生幅度改变和相位移动，而幅度和相位的改变量是和改进的亚波长近无源反射单元上变容二极管的等效电容值是有关的。随着变容二极管的等效电容连续变化，连续调相智能超表面的反射系数连续变化，使得反射相位连续可调。
实施例二
本发明实施例提供的一种基于实施例一所述的连续调相智能超表面的波束赋形方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤10：保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵。其中，该模拟波束成形矩阵用于表征连续调相智能超表面的配置参数值；所述配置参数值至少包括相位。
步骤20：根据优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的模拟波束成形矩。
步骤30：对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互优化，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵。
进一步，本实施例提供的步骤30具体包括：
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互迭代优化。
当两个相邻迭代之间的用户总数据速率的差值小于设定阈值，则迭代完成，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵。
当两个相邻迭代之间的用户总数据速率的差值大于或者等于设定阈值时，将当前迭代优化后的模拟波束成形矩阵替换步骤10中的模拟波束成形矩阵，并返步骤10。
进一步地，本实施例所述的根据优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的模拟波束成形矩阵，具体包括：
根据优化后的数字波束成形矩阵，对模拟波束成形矩阵进行初步优化。
判断初步优化后的模拟波束成形矩阵中的相位是否在可达范围内。
若是，则将初步优化后的模拟波束成形矩阵确定为优化后的模拟波束成形矩阵。
若否，则将所述初步优化后的模拟波束成形矩阵替换步骤根据优化后的数字波束成形矩阵，对模拟波束成形矩阵进行初步优化中的模拟波束成形矩阵，并返回根据优化后的数字波束成形矩阵，对模拟波束成形矩阵进行初步优化步骤。
实施例三
考虑一个含有实施例一所述的连续调相智能超表面的无线通信系统，连续调相智能超表面装配在基站上，用户在该无线通信系统中动态移动。为了向用户提供高速稳定的网络服务，需根据用户位置不断变化波束方向。
本发明实施例提供一种基于实施例一所述的连续调相智能超表面的快速波束追踪方法。上述基站通过遍历方法，获得连续调相智能超表面的最佳初始化相位，为用户提供服务。之后，在每个时隙中，用户端检测自己的接收功率是否达到预设阈值，若达到，则用户端继续使用上一时隙的波束赋形方案，若无法达到，用户向基站反馈当前用户接收功率及当前方向角，基站根据用户反馈，重新设计波束赋形方案，从而为用户提供高质量的网络服务。具体的实施步骤为：
用户端检测得到当前时隙对应的自身接收功率。
用户端判断所述自身接收功率是否达到预设阈值。
若是，则用户端继续使用上一时隙对应的波束赋形方案。
若否，则用户端将当前时隙对应的自身接收功率和当前方向角反馈至基站，所述基站根据当前时隙对应的自身接收功率和当前方向角重新设计波束赋形方案。
实施例四
请参见图2，本实施例提供的一种基于实施例一所述的连续调相智能超表面的快速波束追踪方法，包括：
步骤40：获取当前时隙对应的当前接收功率；所述当前接收功率为用户端检测到的自身的接收功率；
步骤50：判断所述当前接收功率是否达到预设阈值；若是则执行步骤60，若否则执行步骤70。
步骤60：继续使用上一时隙对应的波束赋形方案。
步骤70：根据所述当前接收功率及当前方向角，重新设计波束赋形方案。
其中，可以基于本发明实施例提供的技术方案重新设计波束赋形方案，需要补充的是：1)根据上一时刻的相位配置θt，将θt附近
Figure BDA0003245540700000061
作为当前时刻相位配置的候选集{θt+1}，从而缩减波束候选集；2)为避免复杂的信道估计过程，将连续调相智能超表面配置的微分形式作为波束追踪更新参数。
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 (9)

1.一种连续调相智能超表面，其特征在于，所述连续调相智能超表面是在可重构智能表面RIS的基础上，将所述可重构智能表面RIS中的部分二极管替换为可连续调相器件后得到的。
2.根据权利要求1所述的一种连续调相智能超表面，其特征在于，所述连续调相智能超表面包括亚波长近无源散射单元和改进的亚波长近无源散射单元；其中，所述亚波长近无源散射单元的二极管和所述改进的亚波长近无源散射单元的可连续调相器件不同。
3.根据权利要求2所述的一种连续调相智能超表面，其特征在于，所述改进的亚波长近无源反射单元的可连续调相器件为变容二极管、液晶或铁氧体。
4.根据权利要求2所述的一种连续调相智能超表面，其特征在于，在工作时，通过改变加在所述可连续调相器件上的偏置电压，改变所述可连续调相器件的等效电容值，从而使不同的改进的亚波长近无源反射单元上反射的电磁波具有不同的反射系数，且反射系数可随等效电容变化而连续变化。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的连续调相智能超表面的波束赋形方法，其特征在于，包括：
保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵；
根据优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的模拟波束成形矩阵；
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互优化，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵。
6.根据权利要求5所述的波束赋形方法，其特征在于，所述对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互优化，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵，具体包括：
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的模拟波束成形矩阵进行相互迭代优化；
当两个相邻迭代之间的用户总数据速率的差值小于设定阈值，则迭代完成，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的模拟波束成形矩阵；
当两个相邻迭代之间的用户总数据速率的差值大于或者等于设定阈值时，将当前迭代优化后的模拟波束成形矩阵替换步骤保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵中的模拟波束成形矩阵，并返回保持模拟波束成形矩阵不变，优化数字波束成形矩阵步骤。
7.根据权利要求5所述的波束赋形方法，其特征在于，所述根据优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的模拟波束成形矩阵，具体包括：
根据优化后的数字波束成形矩阵，对模拟波束成形矩阵进行初步优化；所述模拟波束成形矩阵用于表征连续调相智能超表面的配置参数值；所述配置参数值至少包括相位；
判断初步优化后的模拟波束成形矩阵中的相位是否在可达范围内；
若是，则将初步优化后的模拟波束成形矩阵确定为优化后的模拟波束成形矩阵；
若否，则将所述初步优化后的模拟波束成形矩阵替换步骤根据优化后的数字波束成形矩阵，对模拟波束成形矩阵进行初步优化中的模拟波束成形矩阵，并返回根据优化后的数字波束成形矩阵，对模拟波束成形矩阵进行初步优化步骤。
8.一种基于权利要求1-4任意一项所述的连续调相智能超表面的快速波束追踪方法，其特征在于，包括：
获取当前时隙对应的当前接收功率；所述当前接收功率为用户端检测到的自身的接收功率；
判断所述当前接收功率是否达到预设阈值；
若是，则继续使用上一时隙对应的波束赋形方案；
若否，则根据所述当前接收功率及当前方向角，重新设计波束赋形方案。
9.一种快速波束追踪方法，其特征在于，包括：
用户端检测得到当前时隙对应的自身接收功率；
用户端判断所述自身接收功率是否达到预设阈值；
若是，则用户端继续使用上一时隙对应的波束赋形方案；
若否，则用户端将当前时隙对应的自身接收功率和当前方向角反馈至基站，所述基站根据当前时隙对应的自身接收功率和当前方向角重新设计波束赋形方案；所述基站为装有权利要求1-4任意一项所述的连续调相智能超表面的基站。
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