CN113765564A - 基于可重构全息超表面的无小区组网装置、方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于可重构全息超表面的无小区组网装置、方法及设备，该装置包括CPU控制端、装有RHS的基站和用户；所述装有RHS的基站和用户均为多个；所述装有RHS的基站用于给各个用户发送波束成形后的信号，所述CPU控制端用于控制多个装有RHS的基站与多个用户进行通信。为使上述装置能够实现无小区组网，本发明还提出了一种基于可重构全息超表面的无小区组网方法，并公开了具体实现步骤，利用本发明能够消除系统中的小区间干扰，使得该系统的数据速率最大化。

Description

基于可重构全息超表面的无小区组网装置、方法及设备
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面的无小区组网装置、方法及设备。
背景技术
传统蜂窝网络受小区间干扰影响严重，为此，无小区组网方案打破了小区间的边界，采用多个基站共同服务多个用户的模式，消除了小区间干扰。但这种组网方案需要部署多个基站，同时，即将到来的第六代(6G)无线通信对天线技术提出了严格的要求，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，但它们都存在着自身固有的缺陷，严重阻碍了它们的未来发展。具体而言，碟形天线需要沉重而昂贵的波束转向机械，而相控阵高度依赖功率放大器，耗电功率大，移相电路复杂，移相器众多，尤其是在高频波段。因此，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，需要更经济高效的天线技术。在现有的天线技术中，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，新兴的可重构全息超表面(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是一种超轻薄的平面天线，天线表面嵌有许多超材料辐射单元。具体而言，由天线馈源产生的参考波以表面波的形式激励RHS，使得基于印刷电路板(PCB)技术制造的拥有紧凑结构的RHS成为可能。根据全息图案，每个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。
现有的基于RHS的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辅助下的无小区组网方案及设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的无小区组网装置、方法及设备，能够消除系统中的小区间干扰，使得该系统的数据速率最大化。
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的无小区组网装置，包括CPU控制端、装有RHS的基站和用户；
所述装有RHS的基站和用户均为多个；
所述装有RHS的基站用于给各个用户发送波束成形后的信号，所述CPU控制端用于控制多个装有RHS的基站与多个用户进行通信。
可选的，所述波束成形为数字波束成形和全息波束成形相结合的混合波束成形，具体通过如下方式实现：
基站对于发送给多个用户的信号首先进行数字波束成形，继而将数字波束成形后的信号输入RHS的馈源中，馈源将信号馈入各个超表面单元，经由全息波束成形后，得到数字波束成形和全息波束成形相结合的混合波束成形后的信号。
一种基于可重构全息超表面的无小区组网方法，所述方法应用于上述提供的基于可重构全息超表面的无小区组网装置，所述基于可重构全息超表面的无小区组网方法包括：
基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的全息波束成形矩阵进行优化，得到优化结果；所述混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的全息波束成形方案整合得到；
采用所述优化结果对基于可重构全息超表面的无小区组网装置中信号的发射和接收进行控制。
可选的，所述基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的全息波束成形矩阵进行优化，得到优化结果，具体包括：
初始化全息波束成形矩阵，记为第一全息波束成形矩阵；
根据所述第一全息波束成形矩阵得到第一数字波束成形矩阵；
对所述第一全息波束成形矩阵进行优化，得到第二全息波束成形矩阵；
根据所述第二全息波束成形矩阵得到第二数字波束成形矩阵；
判断所述第二全息波束成形矩阵是否在可选范围内；
若是，则根据所述第一全息波束成形矩阵和第一数字波束成形矩阵计算第一迭代速率，根据所述第二全息波束成形矩阵和第二数字波束成形矩阵计算第二迭代速率；
判断所述第一迭代速率和第二迭代速率的差值是否小于阈值；
若是，则输出所述第二全息波束成形矩阵和第二数字波束成形矩阵。
可选的，还包括：
若所述第二全息波束成形矩阵不在可选范围内，则继续对所述第二全息波束成形矩阵进行优化。
可选的，还包括：
若所述第一迭代速率和第二迭代速率的差值不小于阈值，则重新初始化所述第一全息波束成形矩阵。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现上述提供的基于可重构全息超表面的无小区组网方法。
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)，设计了一种无小区组网装置、方法及设备，该方法部分主要是基于可重构全息超表面(RHS)的全息波束成形设计方法，可以消除系统中的小区间干扰，使得该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为本发明可重构全息超表面结构示意图；
图2为本发明表面波传播示意图；
图3为本发明基于可重构全息超表面的无小区组网装置示意图；
图4为本发明基于可重构全息超表面的无小区组网方法的流程图；
图5为本发明混合波束成形方法流程图。
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。
本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的无小区组网装置、方法及设备，能够消除系统中的小区间干扰，使得该系统的数据速率最大化。
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。
图1为本发明可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface，RHS)结构示意图。如图1所示，可重构全息超表面由馈源，平行板波导，超材料辐射单元阵列构成，其中馈源发出电磁波，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。传播过程中，通过调节控制每个超材料辐射单元的多个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调节，其中超材料辐射单元具有有限个离散幅度可调节值，而二极管开关状态与在超材料辐射单元上辐射出的电磁波的幅度值具有一一对应关系，因此，将超表面单元中的电源的偏置电压调节为目标偏置电压，在所述超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。
“无小区(Cell-free)组网方案”是指：传统的蜂窝网络中，把信号覆盖区域分为一个个的小区，每个小区中均有一个基站，负责与该区域内的用户进行通信。但这种组网方案存在明显弊端：用户受到小区间干扰的影响严重。因此，本发明提出了无小区组网方案，即打破小区的边界，在一片区域内分布式部署多个基站，同时为该区域内的用户提供服务，该方案的结构设置如图3所示。
为了使上述基于可重构全息超表面的无小区组网装置系统的数据速率最大化，本发明还对应提供了一种实施方法，如图4所示，基于可重构全息超表面的无小区组网方法包括：
步骤400：基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的全息波束成形矩阵进行优化，得到优化结果。混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的全息波束成形方案整合得到。
步骤401采用优化结果对基于可重构全息超表面的无小区组网装置中信号的发射和接收进行控制。
为方便叙述，下面对无线通信场景以及发射装置中的变量进行字母表述与假设。如图3所示，在一个下行的多用户无线通信系统中，在CPU的控制调度下，共C个装有RHS的基站，要与该小区中的L个移动用户进行通信，则L个移动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每个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进行模拟，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。为使得多小区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，继而将数字波束成形输入RHS的馈源中，馈源发出携带有发送信号的参考波经过RHS的全息波束成形后，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)，其中：
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上包含K个馈源和M×N个超材料辐射单元，每个辐射单元的辐射幅度可取值为
Figure BDA0003250596750000061
对每个超材料辐射单元的辐射振幅
Figure BDA0003250596750000062
(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。每个辐射单元根据
Figure BDA0003250596750000063
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的全息波束成形矩阵记作M，它是一个是由元素
Figure BDA0003250596750000064
构成的大小为MN×CK的矩阵。其中，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，
Figure BDA0003250596750000065
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 BDA0003250596750000066
Figure BDA0003250596750000067
Figure BDA0003250596750000068
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。
为了实现上述方案，本发明提出了混合波束成形方法，其具体流程如图4所示，本发明采用迭代式算法，1)保持全息波束成形矩阵不变，也就是初始化一个全息波束成形矩阵，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，并确保该矩阵在可选范围(即离散数字的集合)之内；3)重复步骤1)，直到两次相邻的迭代的数据速率，也就是公式
Figure BDA0003250596750000069
两次相邻的迭代结果的差值小于预设的阈值。
下面详细介绍上述方法的的求解方法：
步骤1)：推导数字波束成形矩阵
根据仿真所得的初始的超材料辐射单元的辐射振幅
Figure BDA0003250596750000071
信道矩阵Hl，为了使所有用户总数据速率达到最大值，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 BDA0003250596750000072
其中，
Figure BDA0003250596750000073
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 BDA0003250596750000074
Figure BDA0003250596750000075
μc,l为
Figure BDA0003250596750000076
的第l个对角元素，νc为满足等式
Figure BDA0003250596750000077
步骤2)：优化全息波束成形矩阵
根据步骤1)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 BDA0003250596750000078
则通过优化整数
Figure BDA0003250596750000079
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 BDA00032505967500000710
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 BDA00032505967500000711
值和相应的最大总数据速率和记为Rmax，检验最优
Figure BDA00032505967500000712
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 BDA00032505967500000713
分支：任意选择一个非整数
Figure BDA00032505967500000714
进行分支，记其值为
Figure BDA00032505967500000715
构造两个约束条件：
Figure BDA00032505967500000716
和
Figure BDA00032505967500000717
其中
Figure BDA00032505967500000718
代表不超过
Figure BDA00032505967500000719
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 BDA00032505967500000720
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 BDA00032505967500000721
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 BDA0003250596750000081
可以获得
Figure BDA0003250596750000082
的值。
本发明还公开了如下技术效果：
本发明解决现有具有波束成形能力的天线(例如相控阵天线)体积大，功耗高，硬件成本高的问题，设计了一款轻量级、低功耗、低成本的可重构全息超表面。
本发明基于可重构全息超表面RHS，设计了一种无小区组网方案，包括基于可重构全息超表面RHS的全息波束成形设计方法，可以消除系统中的小区间干扰，使得该系统的数据速率最大化。
相比于传统的碟形天线通过笨重的机械装置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，RHS尺寸小，制造使用PCB技术使其结构紧凑而轻薄，制造成本大大降低，易于直接安装在发射装置上，采用电控制的方式可以达到很好的动态多波束控制效果，因此RHS非常适用于多用户移动通信。
RHS功耗低，硬件成本低：相控阵天线虽然也利用电控制波束方向，但是相控阵依赖于大量的移相器控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量功率放大器，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。相比之下，RHS则不需要移相器以及复杂的移相电路，利用二极管开关状态即可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控制，因此用RHS辅助多用户通信功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。
此外，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述提供的基于可重构全息超表面的无小区组网方法。
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 (7)

1.一种基于可重构全息超表面的无小区组网装置，其特征在于，包括CPU控制端、装有RHS的基站和用户；
所述装有RHS的基站和用户均为多个；
所述装有RHS的基站用于给各个用户发送波束成形后的信号，所述CPU控制端用于控制多个装有RHS的基站与多个用户进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于可重构全息超表面的无小区组网装置，其特征在于，所述波束成形为数字波束成形和全息波束成形相结合的混合波束成形，具体通过如下方式实现：
基站对于发送给多个用户的信号首先进行数字波束成形，继而将数字波束成形后的信号输入RHS的馈源中，馈源将信号馈入各个超表面单元，经由全息波束成形后，得到数字波束成形和全息波束成形相结合的混合波束成形后的信号。
3.一种基于可重构全息超表面的无小区组网方法，其特征在于，应用于权利要求1-2任一项所述的基于可重构全息超表面的无小区组网装置，所述基于可重构全息超表面的无小区组网方法包括：
基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的全息波束成形矩阵进行优化，得到优化结果；所述混合波束成形方案由基站生成的数字波束成形方案和可重构反射超表面生成的全息波束成形方案整合得到；
采用所述优化结果对基于可重构全息超表面的无小区组网装置中信号的发射和接收进行控制。
4.根据权利要求3所述的基于可重构全息超表面的无小区组网方法，其特征在于，所述基于混合波束成形方案对基站中形成的数字波束成形矩阵和可重构反射超表面中形成的全息波束成形矩阵进行优化，得到优化结果，具体包括：
初始化全息波束成形矩阵，记为第一全息波束成形矩阵；
根据所述第一全息波束成形矩阵得到第一数字波束成形矩阵；
对所述第一全息波束成形矩阵进行优化，得到第二全息波束成形矩阵；
根据所述第二全息波束成形矩阵得到第二数字波束成形矩阵；
判断所述第二全息波束成形矩阵是否在可选范围内；
若是，则根据所述第一全息波束成形矩阵和第一数字波束成形矩阵计算第一迭代速率，根据所述第二全息波束成形矩阵和第二数字波束成形矩阵计算第二迭代速率；
判断所述第一迭代速率和第二迭代速率的差值是否小于阈值；
若是，则输出所述第二全息波束成形矩阵和第二数字波束成形矩阵。
5.根据权利要求3所述的基于可重构全息超表面的无小区组网方法，其特征在于，还包括：
若所述第二全息波束成形矩阵不在可选范围内，则继续对所述第二全息波束成形矩阵进行优化。
6.根据权利要求3所述的基于可重构全息超表面的无小区组网方法，其特征在于，还包括：
若所述第一迭代速率和第二迭代速率的差值不小于阈值，则重新初始化所述第一全息波束成形矩阵。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求3-6任一项所述的基于可重构全息超表面的无小区组网方法。
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