CN115242278B - 基于可重构折射超表面的无线通信方法及中继装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重构折射超表面的无线通信方法及中继装置，该方法包括：基站收集信道信息，并据此优化基站的数字波束赋型矩阵、中继的再编码矩阵、可重构折射超表面在中继的信号接收阶段以及信号发送阶段各自的透射系数；在第i个时隙，所述基站对发送给用户l的信号进行数字波束赋型，之后通过所述基站的天线发送出去；与此同时，所述中继装置设置可重构折射超表面各单元的透射系数，并接收基站发来的信号；所述中继装置对所述接收信号进行再编码和放大；在第i+1个时隙，所述中继装置重新设置所述可重构折射超表面的透射系数，并将所述放大信号发送给用户l。本发明在多用户系统中扩大了基站的覆盖范围，并实现了传输速率的最大化。

Description

基于可重构折射超表面的无线通信方法及中继装置

技术领域

本发明涉及电子学领域，具体为一种基于可重构折射超表面的无线通信方法及中继装置。

背景技术

大规模MIMO是未来无线通信的重要组成部分。现有的大规模MIMO系统中使用了传统相控阵天线，用于实现beamforming。但是传统相控阵具有功耗高、造价昂贵的缺点。为了解决这一问题，最近，人们提出了可重构反射超表面天线。然而，该天线存在如下缺点：由于馈源会对反射波产生一定的遮挡作用，所以天线辐射效率不高。为此，人们提出了可重构折射超表面天线。由于可重构折射超表面不存在馈源遮挡的问题，所以它的辐射效率比传统可重构反射超表面天线的高。然而现有关于可重构折射超表面天线的研究，基本都是在研究如何设计该天线从而优化和天线相关的指标，比如带宽、损耗等，而没有考虑基于可重构折射超表面天线的通信系统。而且现有的都是研究只包含单个馈源的可重构折射超表面天线，所以不能用于多用户系统中。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于可重构折射超表面的无线通信方法及中继装置，通过包含一个收发机和一个可重构折射超表面天线的中继装置，在多用户系统中扩大了基站的覆盖范围，实现了用户总传输速率的最大化。

为实现上述技术目标，本发明的技术方案包括：

一种基于可重构折射超表面的无线通信方法，适用于由一中继装置、一基站与L个移动用户组成的通信系统，所述中继装置由一个收发机与一个可重构折射超表面天线构成，其步骤包括：

在数据传输开始前，基站收集信道信息，并根据所述信道信息优化基站的数字波束赋型矩阵V、中继的再编码矩阵V_R、可重构折射超表面在中继的信号接收阶段的透射系数矩阵Γ_rx、以及可重构折射超表面在中继的信号发送阶段的透射系数矩阵Γ_tx；

在第i个时隙，所述基站利用所述数字波束赋型矩阵V，对发送给用户l的信号s_l进行数字波束成形，生成的信号再通过所述基站的天线发送出去；与此同时，所述中继装置利用所述透射系数矩阵Γ_rx设置所述可重构折射超表面，并利用所述可重构折射超表面天线接收基站发来的信号

所述中继装置利用所述再编码矩阵V_R，对所述接收信号进行再编码和放大，获取信号

在第i+1个时隙，所述中继装置利用所述透射系数矩阵Γ_tx设置所述可重构折射超表面，并利用所述可重构折射超表面天线将信号发送出去。信号经过信道传输后被用户l接收，用户l从接收信号中恢复出基站发送的数据。

进一步地，根据在第i个时隙的接收功率与中继装置的发送功率，计算放大的倍数。

进一步地，通过以下步骤优化数字波束赋型矩阵V、再编码的编码矩阵V_R、可重构折射超表面在中继的信号接收阶段的透射系数矩阵Γ_rx、以及可重构折射超表面在中继的信号发送阶段的透射系数矩阵Γ_tx：

1)构建一个最优化问题，其中待优化变量包括：数字波束赋型矩阵V、编码矩阵V_R、可重构折射超表面的透射系数矩阵Γ_rx与Γ_tx，待优化目标包括：最大化系统性能；

2)基于约束条件求解最优化问题，获取最优的数字波束赋型矩阵V、再编码的编码矩阵V_R、可重构折射超表面的透射系数矩阵Γ_rx与Γ_tx。

进一步地，系统性能包括：用户总传输速率。

进一步地，通过以下步骤求解最优化问题：

1)保持数字波束赋型矩阵V^t-1与编码矩阵不变，计算最优用户总传输速率并记录相应的透射系数矩阵与透射系数矩阵其中t为迭代次数；

2)保持数字波束赋型矩阵V^t-1、透射系数矩阵与透射系数矩阵不变，计算最优用户总传输速率并记录相应的编码矩阵

3)保持编码矩阵透射系数矩阵与透射系数矩阵不变，计算最优用户总传输速率并记录相应的数字波束赋型矩阵V^t；

4)当最优用户总传输速率与最优用户总传输速率的差值小于预设的阈值，将数字波束赋型矩阵V^t、编码矩阵透射系数矩阵与分别作为数字波束赋型矩阵V、再编码的编码矩阵V_R、透射系数矩阵Γ_rx与Γ_tx。

进一步地，所述约束条件包括：Tr(V^HV)＜P_T和其中Tr为迹，(·)^H表示矩阵的共轭转置。

进一步地，通过以下步骤计算用户总传输速率：

1)基于基站与可重构折射超表面各辐射单元之间的总信道矩阵H_BR、可重构折射超表面各辐射单元与可重构折射超表面各馈源之间的总信道矩阵H_RF及透射系数矩阵Γ_tx，计算第i个时隙从基站各天线到中继装置的各馈源的信道矩阵H_i；

2)基于可重构折射超表面各辐射单元与用户l之间的总信道矩阵总信道矩阵H_RF及透射系数矩阵Γ_tx，计算第i+1个时隙从中继装置的各馈源到用户l的信道矩阵

3)根据放大的倍数A_R、信道矩阵数字波束赋型矩阵V、编码矩阵V_R、信道矩阵H_i、发送给用户l的信号s_l及用户l接收到的信号中包含的高斯白噪声z_l，计算用户l接收到的信号y_l；

4)根据用户l接收到的信号y_l，计算基站给用户l发送数据的速率，并由此计算出用户总传输速率

一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行以上所述方法。

一种基于可重构折射超表面的无线通信中继装置，包括：

一收发机；

一可重构折射超表面天线，所述可重构折射超表面天线由K个馈源和一个可重构折射超表面组成；

所述重构折射超表面是由多个辐射单元组成的阵列，通过调整每一辐射单元上的二极管两端偏置电压，使得每一辐射单元的透射系数发生变化；

其中，所述无线通信中继装置通过上述任一方法应用于无线通信。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

1、本发明的可重构折射超表面天线包含多个馈源，可以用来同时给多个用户发送数据；

2、本发明的无线通信中继装置，可以用于扩大基站的覆盖范围；

3、本发明的通信方法，能够最大化基于可重构折射超表面的中继系统的传输速率。

附图说明

图1可重构折射超表面天线。

图2基于可重构折射超表面的无线通信中继。

图3本发明的方法流程图。

图4最优化问题的求解流程图。

图5本发明与现有技术的仿真数据对比图

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明特定实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

1.可重构折射超表面天线

可重构折射超表面(RRS)天线由多个馈源和一个折射式超表面组成。如图1所示，折射式超表面是由多个亚波长单元组成的阵列。每个单元上都有PIN二极管，通过调整该二极管两端的偏置电压，可以使得二极管在ON和OFF之间切换。信号入射到各个单元上之后，会发生折射。通过调整单元上二极管的状态，可以使得折射波的相位发生变化。

该可重构折射超表面天线进行beamforming的过程：馈源发射的信号入射到各个单元上后，会发生折射，在折射的过程中超表面单元会给信号施加一定的相移。通过调整二极管上的偏置电压，从而合理设置单元的折射相移，从而实现beamforming。

2.基于可重构折射超表面的通信中继：

每一个中继都由一个收发机和一个可重构折射超表面天线组成。二者之间通过馈线相连。中继循环工作，每个循环周期包含两个时隙，在第i个时隙，该中继利用可重构折射超表面接收信号，之后将接收到的信号进行数字波束赋型，之后再放大，之后在第i+1个时隙通过可重构折射超表面天线发送出去。在两个时隙中，都可以设置超表面的各个单元的相位，从而提升性能。

3.采用可重构折射超表面无线中继的通信系统中的传输方法

考虑一个装有T根天线的基站，通过装有K个馈源RRS天线的中继装置，与L个移动用户进行通信。假设RRS天线中的可重构折射超表面由M×N个单元组成，每个单元的尺寸为s_M×s_N。将第(m，n)个单元的折射振幅和相移分别记为A_m，n和则该单元的折射系数可以写成接下来介绍基站给用户发送数据的过程。假设基站向用户发送的信号为s，其中s是一个L维列向量，s_l表示发送给用户l的信号。和中继的工作过程相对应，基站发送数据的过程也是一个循环的过程，每个循环周期包含两个时隙，如图3所示，在第i个时隙，利用数字波束赋型矩阵V，基站对于发送给用户的信号首先进行数字波束成形，之后通过其配备的各天线将信号发送给中继。中继的各馈源接收到基站发来的信号后，对接收信号进行再编码和放大，编码矩阵记为V_R，放大倍数记为A_R，其中A_R由接收信号功率和中继的发射功率决定。在第i+1个时隙，中继将放大后的信号重新通过各馈源发送出去，信号经过信道传输后被各个用户接收。

基站与RRS各单元之间的总信道矩阵用H_BR表示，RRS各单元与RRS各馈源之间的总信道矩阵用H_RF表示，将第i个时隙RRS的透射系数矩阵记为Γ_rx，其尺寸为MN*MN，对角线是各个单元的透射系数则第i个时隙从基站各天线到中继的各个馈源的信道矩阵可以写成：

H_i＝H_RFΓ_rxH_BR

将RRS各单元与用户l之间的总信道矩阵用表示，将第i+1个时隙RRS的透射系数矩阵记为Γ_tx，其尺寸为MN*MN，对角线是各个单元的透射系数则第i+1个时隙从中继的各个馈源到用户l的信道矩阵可以写成

表示矩阵H_RF的转置。则用户l接收到的信号可以表示为：

其中，V_l是基站的数字波束赋型矩阵V中关于用户l的部分，z_l为用户l接收到的信号中包含的高斯白噪声。则用户总传输速率最大化问题为：

Tr(V^HV)＜P_T

其中的(.)^H表示矩阵的共轭转置。

我们采取如下的方法求解上述最优化问题，如图3所示，包括：1)保持数字波束赋型矩阵和编码矩阵不变，用数学方法优化可重构折射超表面相位；2)保持可重构折射超表面相位和数字波束赋型矩阵不变，用数学方法优化编码矩阵；3)保持编码矩阵和可重构折射超表面相位不变，用数学方法优化数字波束赋型矩阵；4)重复步骤1)，直到两次相邻的迭代的用户总传输速率的差值小于预设的阈值。

本发明与一现有技术的仿真环境如下：基站发射功率设置为43dBm，中继发射功率为20dBm，加性白高斯噪声的方差设置为-96dBm；系统的工作频率设置为26GHz；用户个数为2；基站的天线数目为4，都为全向天线，且基站采用纯数字波束赋型方案进行预编码；可重构折射超表面天线包含的馈源数目为2，馈源是一个全向天线，且和超表面阵列的间距为0.1m，可重构折射超表面包含的单元数目为400，单元透射率为1，且单元的尺寸为其中λ为系统工作频率对应的波长；每个用户都采用一个全向天线用于接收信号；两个用户的间距为20米，中继位于基站和用户的中点。作为对比，我们考虑一个未对可重构折射超表面配置进行优化的方案，即：简单将各单元的状态配置为梯度相位，相邻单元的相位差为180度。仿真结果显示：对于一个基于RRS天线的中继系统而言，采用本专利提出的通信方法，相比于不对可重构折射超表面的配置进行优化的方案而言，能够达到更高的和速率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可重构折射超表面的无线通信方法，适用于由一中继装置、一基站与L个移动用户组成的通信系统，所述中继装置由一个收发机与一个可重构折射超表面天线构成，其步骤包括：

在数据传输开始前，基站收集信道信息，并根据所述信道信息优化基站的数字波束赋型矩阵V、中继的再编码矩阵V_R、可重构折射超表面在中继的信号接收阶段的透射系数矩阵Γ_rx、以及可重构折射超表面在中继的信号发送阶段的透射系数矩阵Γ_tx；

在第i个时隙，所述基站利用所述数字波束赋型矩阵V，对发送给用户l的信号s_l进行数字波束成形，生成的信号再通过所述基站的天线发送出去；与此同时，所述中继装置利用所述透射系数矩阵Γ_rx设置所述可重构折射超表面，并利用所述可重构折射超表面天线接收基站发来的信号

所述中继装置利用所述再编码矩阵V_R，对接收信号进行再编码和放大，获取信号

在第i+1个时隙，所述中继装置利用所述透射系数矩阵Γ_tx设置所述可重构折射超表面，并利用所述可重构折射超表面天线将信号发送出去；信号经过信道传输后被用户l接收，用户l从接收信号中恢复出基站发送的数据；

通过以下步骤优化数字波束赋型矩阵V、再编码的编码矩阵V_R、可重构折射超表面在中继的信号接收阶段的透射系数矩阵Γ_rx、以及可重构折射超表面在中继的信号发送阶段的透射系数矩阵Γ_tx：

1)构建一个最优化问题，其中待优化变量包括：数字波束赋型矩阵V、编码矩阵V_R、可重构折射超表面的透射系数矩阵Γ_rx与Γ_tx，待优化目标包括：最大化系统性能；

2)基于约束条件求解最优化问题，获取最优的数字波束赋型矩阵V、再编码的编码矩阵V_R、可重构折射超表面的透射系数矩阵Γ_rx与Γ_tx；

通过以下步骤求解最优化问题：

1)保持数字波束赋型矩阵V^t-1与编码矩阵不变，计算最优用户总传输速率并记录相应的透射系数矩阵与透射系数矩阵其中t为迭代次数；

2)保持数字波束赋型矩阵V^t-1、透射系数矩阵与透射系数矩阵不变，计算最优用户总传输速率并记录相应的编码矩阵

3)保持编码矩阵透射系数矩阵与透射系数矩阵不变，计算最优用户总传输速率并记录相应的数字波束赋型矩阵V^t；

4)当最优用户总传输速率与最优用户总传输速率的差值小于预设的阈值，将数字波束赋型矩阵V^t、编码矩阵透射系数矩阵与分别作为数字波束赋型矩阵V、再编码的编码矩阵V_R、透射系数矩阵Γ_rx与Γ_tx；

通过以下步骤计算用户总传输速率:

1)基于基站与可重构折射超表面各辐射单元之间的总信道矩阵H_BR、可重构折射超表面各辐射单元与可重构折射超表面各馈源之间的总信道矩阵H_RF及透射系数矩阵Γ_rx，计算第i个时隙从基站各天线到中继装置的各馈源的信道矩阵H_i；

2)基于可重构折射超表面各辐射单元与用户l之间的总信道矩阵总信道矩阵H_RF及透射系数矩阵Γ_tx，计算第i+1个时隙从中继装置的各馈源到用户l的信道矩阵

3)根据放大的倍数A_R、信道矩阵数字波束赋型矩阵V、编码矩阵V_R、信道矩阵H_i、发送给用户l的信号s_l及用户l接收到的信号中包含的高斯白噪声z_l，计算用户l接收到的信号y_l；

4)根据用户l接收到的信号y_l，计算基站给用户l发送数据的速率，并由此计算出用户总传输速率；

系统性能包括：用户总传输速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据在第i个时隙的接收功率与中继装置的发送功率，计算放大的倍数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括：Tr(V^HV)<P_T和其中Tr为迹，(·)^H表示矩阵的共轭转置。

4.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行权利要求1-3中任一所述方法。

5.一种基于可重构折射超表面的无线通信中继装置，包括：

一收发机；

一可重构折射超表面天线，所述可重构折射超表面天线由K个馈源和一个可重构折射超表面组成；

所述重构折射超表面是由多个辐射单元组成的阵列，通过调整每一辐射单元上的二极管两端偏置电压，使得每一辐射单元的透射系数发生变化；

其中，所述无线通信中继装置通过权利要求1-3中任一方法应用于无线通信。