CN113746519A - 基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统及方法 - Google Patents

基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统及方法 Download PDF

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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点协作传输系统及方法，该多点协作传输系统包括C个基站，且C个所述基站均布置在同一个小区内；所述基站均装有RHS天线；每个所述基站均与所述小区内的L个用户进行通信。此外基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统及方法，实现可重构全息超表面辅助的同一小区多用户无线通信，并使得通信数据速率最大化。

Description

基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统及方法
技术领域
本发明涉及多点协作通信技术领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统及方法。
背景技术
为了实现无处不在的智能信息网络，即将到来的第六代(6G)无线通信对天线技术提出更严格的要求，如容量增强和精确的波束控制。虽然广泛使用的碟形天线和相控阵天线都有能力实现这些目标，但碟形天线和相控阵天线都存在着自身固有的缺陷，严重阻碍了碟形天线和相控阵天线的未来发展。具体而言，碟形天线需要沉重且昂贵的波束转向机械装置，相控阵天线高度依赖功率放大器，具有耗电功率大，移相电路复杂，移相器众多的特点，尤其是在高频波段，此特点更为突出。
为了满足未来6G无线系统中指数增长的移动设备的数据需求，现需要更经济更高效的天线技术。现有的天线技术中，全息天线作为一种小尺寸、低功耗的平面天线，以其低制造成本和低硬件成本的多波束控制能力受到越来越多的关注。具体地说，全息天线利用金属贴片在表面构建全息图案，根据干涉原理记录参考波和目标波之间的干涉。然后，参考波的辐射特性可以通过全息图案来改变，以产生所需的辐射方向。然而，随着移动设备的爆炸性增长，传统的全息天线面临着巨大的挑战，因为一旦全息图案建立，传统全息天线其辐射方向图就固定了，因此无法满足移动通信的需求。
由于超材料的可控性，新兴的RHS技术在改善传统全息天线的不足方面显示出极大的潜力。RHS天线是一种超轻薄的平面天线，该RHS天线表面嵌有许多超材料辐射单元。具体而言，由馈源产生的参考波以表面波的形式激励RHS天线，使得基于印刷电路板(PCB)技术制造的拥有紧凑结构的RHS天线成为可能。根据全息图案，每个超材料辐射单元可以通过电控制参考波的辐射幅度来产生所需的辐射方向。因此，相比于传统的碟形天线和相控阵天线，RHS天线无需重型机械运动装置和复杂的移相电路就可以实现动态波束成形，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗，同时其轻薄的结构也十分便于安装。
现有研究工作大致集中于RHS硬件组件设计和辐射方向控制上。然而，大多数研究仅证明了RHS实现动态多波束控制的可行性，目前还没有工作研究RHS辅助下的多点协作传输方法及系统。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统及方法。
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点协作传输系统，所述多点协作传输系统包括C个基站，且C个所述基站均布置在同一个小区内；所述基站均装有RHS天线；每个所述基站均与所述小区内的L个用户进行通信。
可选的，所述基站包括：
波束方向确定模块，用于确定发射波束的方向；其中，L个用户相对于所述基站的位置为所述基站所需发射波束的方向；
数字波束成形模块，与所述波束方向确定模块连接，用于预处理发射信号；
RHS天线，与所述数字波束成形模块连接，用于进行全息波束成形。
可选的，所述RHS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l个用户接收到的信号是由第l个用户想要接收到的信号、用户间的干扰信号、高斯白噪声组成的。
一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法，包括：
保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵；
基于优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的全息波束成形矩阵；
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的全息波束成形矩阵进行优化，使所有用户总数据速率达到最大值。
可选的，还包括：
对每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到初始的全息波束成形矩阵；其中，所述超材料辐射单元为RHS天线的一部分；
根据所述初始的全息波束成形矩阵，得到初始的数字波束成形矩阵。
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全息波束成形矩阵进行优化，使所有用户总数据速率达到最大值，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全息波束成形矩阵进行优化；
当两个相邻优化之间的用户总数据速率的差值小于设定阈值，则优化完成，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的全息波束成形矩阵，以便根据所述最优的数字波束成形矩阵和所述最优的全息波束成形矩阵对发射信号进行处理，使所有用户总数据速率达到最大值；
当两个相邻优化之间的用户总数据速率的差值大于或者等于设定阈值时，将当前优化后的全息波束成形矩阵替换步骤保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵，并返回保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵步骤
可选的，所述保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵，具体包括：
基于上一次优化后的全息波束成形矩阵，求解功率最佳分配函数，确定当次优化后的数字波束成形矩阵。
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：
本发明基于可重构全息超表面RHS，设计了一种多点协作传输方案，包括基于可重构全息超表面RHS全息收发波束成形设计方法，实现可重构全息超表面辅助的同一小区多用户无线通信，并使得通信数据速率最大化。
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点协作传输方法的流程示意图；
图4为本发明基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法的整体流程图。
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。
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。
如图1所示，可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface，RHS)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。
多点协作传输(Coordinated Multiple PointsTransmission/Reception，CoMP)：指地理位置上分离的多个传输点，协同参与为一个终端的数据传输或者联合接收一个终端发送的数据。
鉴于上述内容介绍，本实施例提供了一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统。
在一个下行的多用户无线通信系统中，即多点协作传输系统，在CPU的控制调度下，所述多点协作传输系统包括C个基站(即发射装置)，且C个所述基站均布置在同一个小区内；所述基站均装有RHS天线；每个所述基站均与所述小区内的L个用户进行通信，则L个用户相对于该发射装置的位置即为发射装置所需发射波束的方向。
假设每个RHS天线的每个超材料辐射单元与每个用户之间的传输信道可根据实际情况利用计算机技术进行模拟得到，则基站与用户l之间的总信道矩阵用Hl表示，其维度为C×MN；假设每个基站c向自己小区的用户发送的信号为s，其中sc是一个L维列向量，sl表示发送给用户l的信号。为使得多用户无线通信系统中所有用户总通信数据速率最大化，基站对于发送给用户的信号首先进行数字波束成形，继而将编码后的信号输入RHS天线的馈源中，馈源发出携带有发送信号的参考波经过RHS的全息波束成形，发送给各个用户，从而形成了一种混合波束成形方案(数字+全息)。
故该基站包括：
波束方向确定模块，用于确定发射波束的方向；其中，L个用户相对于所述基站的位置为所述基站所需发射波束的方向。
数字波束成形模块，与所述波束方向确定模块连接，用于预处理发射信号。
RHS天线，与所述数字波束成形模块连接，用于进行全息波束成形。
数字波束成形：假设Vc是第c个基站处的数字波束成形矩阵，大小为K×L，Vc，l是Vc的第l列
全息波束成形：假设每个RHS天线上包含K个馈源和M×H个超材料辐射单元，每个辐射单元的辐射幅度可取值为
Figure BDA0003246022710000061
对每个超材料辐射单元的离线辐射振幅
Figure BDA0003246022710000062
(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。每个离散辐射单元根据
Figure BDA0003246022710000063
对参考波能量向自用空间辐射以形成固定方向的波束，即为全息波束成形，RHS天线的全息波束成形矩阵记作M，它是一个是由元素
Figure BDA0003246022710000064
Figure BDA0003246022710000065
构成的大小为MN×CK的矩阵。其中，ks为参考波在RHS天线表面传播的传播矢量，
Figure BDA0003246022710000066
为第k个馈源到第(m，n)个辐射单元的距离矢量。
用户l接收到的信号可以表示为：
yl＝HlMVc，lsl+HlM∑l′≠lVc，l′sl′+zl，
其中，第一项为用户l想要接收到的信号，第二项为用户间的干扰，第三项为信道中的高斯白噪声。则用户总传输速率最大化问题为：
Figure BDA0003246022710000067
Figure BDA0003246022710000071
Figure BDA0003246022710000072
其中，第二个约束为功率约束，即每个基站c向各用户发射的功率之和必须小于该基站的总功率。
请参见图3，本实施例提供的一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法，包括：
步骤301：保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵。
步骤302：基于优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的全息波束成形矩阵。
步骤303：对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的全息波束成形矩阵进行相互优化，使所有用户总数据速率达到最大值。
进一步，本实施例提供的方法还包括：
对每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到初始的全息波束成形矩阵；其中，所述超材料辐射单元为RHS天线的一部分；根据所述初始的全息波束成形矩阵，得到初始的数字波束成形矩阵。
步骤302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全息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全息波束成形矩阵，以便根据所述最优的数字波束成形矩阵和所述最优的全息波束成形矩阵对发射信号进行处理，使所有用户总数据速率达到最大值。
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全息波束成形矩阵替换步骤保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵，并返回保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵步骤。
步骤301具体包括：
基于上一次优化后的全息波束成形矩阵，求解功率最佳分配函数，确定当次优化后的数字波束成形矩阵。
如图4所示，本实施例提供了采用迭代式算法的基于可重构全息超表面的多点协作传输方法，包括：1)保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，进而推导出数字波束成形矩阵；2)给定数字波束成形矩阵，优化全息波束成形矩阵，并确保该全息波束成形矩阵在可选范围之内；3)重复步骤1)，直到两次相邻的迭代的数据速率的差值小于预设的阈值。
下面分别介绍步骤1和步骤2的求解方法。
步骤1：数字波束成矩阵设计
为了使所有用户总数据速率达到最大值，根据仿真所得的初始的超材料辐射单元的离散辐射振幅
Figure BDA0003246022710000081
的信道矩阵Hl，数字波束成形矩阵可以采用迫零波束成形和功率分配相结合的方案，数学表达式为：
Figure BDA0003246022710000082
其中，
Figure BDA0003246022710000083
Pc＝diag{pc，1，pc，2，...，pc，L}是一个对角矩阵，pc，l表示第c个基站为第l个用户分配的功率。最优的
Figure BDA0003246022710000084
Figure BDA0003246022710000085
μc，l为
Figure BDA0003246022710000086
的第l个对角元素，vc为满足等式
Figure BDA0003246022710000087
步骤2：基于RHS的全息波束成形方案设计
根据步骤2中所得的优化数字波束成形方案，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 BDA0003246022710000088
则通过优化整数
Figure BDA0003246022710000089
的值即可确定最优的全息波束成形方案。
(1)首先求得无整数约束约束下的最优
Figure BDA0003246022710000091
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 BDA0003246022710000092
值和相应的最大总数据速率和记为Rmax，检验最优
Figure BDA0003246022710000093
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。
(2)分支定界法优化
Figure BDA0003246022710000094
分支：任意选择一个非整数
Figure BDA0003246022710000095
进行分支，记其值为
Figure BDA0003246022710000096
构造两个约束条件：
Figure BDA0003246022710000097
和
Figure BDA0003246022710000098
其中
Figure BDA0003246022710000099
代表不超过
Figure BDA00032460227100000910
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 BDA00032460227100000911
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 BDA00032460227100000912
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R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 BDA00032460227100000913
可以获得
Figure BDA00032460227100000914
的值。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.RHS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RHS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RHS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RHS天线非常适用于多用户移动通信。
2.RHS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RHS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RHS天线辅助多用户实现通信功耗低，硬件成本很低的效果。
3.全息波束成形优化算法效果好；在混合波束成形设计中，由于用户速率最大化问题是一个高度非凸的问题，难以直接求解，本发明将用户速率最大化问题改写成为一个凸优化问题，再用拉格朗日乘子法求解。由于迭代算法具有良好的收敛性，可以在较少的迭代次数内准确地收敛到问题的最优解，因此优化效果好。
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)

1.一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统，其特征在于，所述多点协作传输系统包括C个基站，且C个所述基站均布置在同一个小区内；所述基站均装有RHS天线；每个所述基站均与所述小区内的L个用户进行通信。
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点协作传输系统，其特征在于，所述基站包括：
波束方向确定模块，用于确定发射波束的方向；其中，L个用户相对于所述基站的位置为所述基站所需发射波束的方向；
数字波束成形模块，与所述波束方向确定模块连接，用于预处理发射信号；
RHS天线，与所述数字波束成形模块连接，用于进行全息波束成形。
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点协作传输系统，其特征在于，所述RHS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。
4.根据权利要求3所述的一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输系统，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。
5.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点协作传输系统，其特征在于，第l个用户接收到的信号是由第l个用户想要接收到的信号、用户间的干扰信号、高斯白噪声组成的。
6.一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法，其特征在于，包括：
保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵；
基于优化后的数字波束成形矩阵，得到优化后的全息波束成形矩阵；
对所述优化后的数字波束成形矩阵和所述优化后的全息波束成形矩阵进行优化，使所有用户总数据速率达到最大值。
7.根据权利要求6所述的一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法，其特征在于，还包括：
对每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到初始的全息波束成形矩阵；其中，所述超材料辐射单元为RHS天线的一部分；
根据所述初始的全息波束成形矩阵，得到初始的数字波束成形矩阵。
8.根据权利要求6所述的一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法，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全息波束成形矩阵进行优化，使所有用户总数据速率达到最大值，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全息波束成形矩阵进行优化；
当两个相邻优化之间的用户总数据速率的差值小于设定阈值，则优化完成，获得最优的数字波束成形矩阵和最优的全息波束成形矩阵，以便根据所述最优的数字波束成形矩阵和所述最优的全息波束成形矩阵对发射信号进行处理，使所有用户总数据速率达到最大值；
当两个相邻优化之间的用户总数据速率的差值大于或者等于设定阈值时，将当前优化后的全息波束成形矩阵替换步骤保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵，并返回保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵步骤。
9.根据权利要求6所述的一种基于可重构全息超表面天线的多点协作传输方法，其特征在于，所述保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，推导出优化后的数字波束成形矩阵，具体包括：
基于上一次优化后的全息波束成形矩阵，求解功率最佳分配函数，确定当次优化后的数字波束成形矩阵。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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