CN210143005U - 一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统，所述智能处理系统是一个散射和辐射相结合的系统，主要包括信息超表面、基站、馈源天线、中央智能处理器，适用于在特定区域内与基站天线和用户设备之间保持通信。所述系统通过对馈源信号进行直接编码调制，形成一个时间域、频率域、空间域多维度实时的直接表面信息处理系统；同时具有散射功能，覆盖小区建筑物外壁、室内墙体、窗户等，形成一套分布式基站，自适应地对空间电磁波进行二次调控，解决无线通信中多径衰落和路径损耗问题，改善通信质量，优化信道性能，降低硬件复杂度，实现低成本，低功耗、低辐射的智能无线通信环境。

Description

一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统

技术领域

本实用新型涉及无线通信和新型人工电磁材料，尤其是一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统。

背景技术

新型人工电磁表面，又名超表面，可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的幅度、相位、极化、波束、轨道角动量等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波等功能，可用于天线、成像等领域。信息超表面进一步使用信息论的方法在超表面单元与数字信息之间建立联系，用二进制数字0/1编码来表征超表面单元，并通过各种可调手段对电磁波各参数进行实时动态调控，用同一信息超表面实现不同的功能，如波束扫描、极化转换、幅度/相位调制等，在通信、雷达、隐身等领域具有广阔的应用前景。在第五代无线通信(5G)体系中，大规模多输入多输出(MIMO)天线与毫米波技术得到了广泛应用，对通信系统硬件架构中射频链路与天线提出了新的要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面面临新的挑战。而信息超表面因其成本低廉、易于集成、能耗低等特点，将为5G通信系统硬件设计带来新的思路。

发明内容

发明目的：本实用新型提出了一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统，即可主动辐射电磁信号又可以对空间已有电磁信号进行二次处理，目的在于用信息超表面来解决无线通信中多径衰落和路径损耗问题，改善通信质量，优化信道性能，降低硬件复杂度，实现低成本，低功耗、低辐射的智能无线通信环境。

技术方案：本实用新型所述的应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统，包括信息超表面、基站、馈源天线、中央智能处理器；各部件通过线缆方式连接，信号汇总到中央智能处理器；所述信息超表面分布吸附在墙壁上，分别工作在辐射模式和散射模式，所述辐射模式用于直接与用户通信，对馈源天线发出信号进行直接编码调制后辐射通信，所述散射模式用于对基站天线产生的电磁信号进行二次调控；所述基站用于产生空间的电磁波信号；所述馈源天线用于发射单音电磁波信号；所述中央智能处理器感知反馈信号，用于控制信息超表面、馈源喇叭和基站。

在辐射模式下信息超表面充当一个直接信息调制器，馈源发射单音电磁波信号，信息超表面的反射/透射系数的幅度频率、相位、频率、极化、波束、轨道角动量在控制电路模块的调制下，可采用包括PSK/QPSK、ASK、FSK、16QAM、OFDM、MIMO技术手段直接编码信息，形成一个时间域、频率域、空间域多维度的实时直接表面信息处理系统，省去复杂的混频、放大等射频前端模块，实现低成本、低功耗的特点。

在散射模式下信息超表面充当一个信号中继站，将基站产生的电磁信号进行二次调控，实现能量聚焦、精准定向发射、智能化波束追踪、自适应波束成形波形调控，优化信道性能、提升传输效率和通信质量，减小不同接收设备之间干扰优势。

信息超表面其构成单元包括了集成电控、光控、机械控制、光电联合控制的单元，例如二极管、变容管、各种传感器。可控单元对电磁波幅度、相位、频率等参数进行调控。

信息超表面可以吸附在小区不同位置的建筑物表面成为接收器，实时监控和选择最优传输路径，减少路径损耗；频率可选择性功能单元，利用远场直接辐射通信、跳频、时分复用技术手段实现，增加信息传输容量。

信息超表面对编码超表面进行实时切换；通过获知环境对电磁信号的响应，实时编码切换的功能，绕过障碍物(定向辐射)或者给多个移动终端输送能量(多波束产生以及聚焦)，实现电磁信号的二次调控。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：1、即可以充当天线进行主动辐射，用作一个直接信息调制器，对基带信号直接编码后进行辐射；也可以用作散射体，覆盖在建筑物的合适位置，充当空间信号中继站的角色；2、信息超表面智能处理系统进行主动辐射时，可以直接编码信息，省去传统通信链路中的混频、放大等射频前端模块，降低功耗和成本；3、信息超表面智能处理系统进行二次散射时，可以使信号定向发送到处于信号盲区的用户，采用分布式的信息超表面子基站系统，可以联合优化信道性能、提升传输速率和通信质量，减小不同接收设备之间干扰，从物理层面提高通信安全，降低发射功率，实现低辐射。

附图说明

图1在小区基站情景下信息超表面覆盖于建筑外壁用于实现智能化无线通信环境的场景示意图；

图2信息超材料数字调制与电磁波交互处理的示意图；

图3信息超表面实现直接调制的系统框图。

具体实施方式：

如图1所示，在小区基站情景下，信息超表面覆盖于建筑外壁，用于实现智能化无线通信环境的场景示意图。通过信道模型优化，信息超表面可以布置在小区建筑物的适当位置。当信息超表面工作于散射模式的时候可以充当信号中继站的作用，对基站天线发出的电磁波信号进行二次调控。在未来5G毫米波通信，信号衰减较大，绕射能力差。用户1与基站天线之间的视距路径被高楼遮挡，用户1无法直接与基站进行通信。但是得益于周边建筑上覆盖的信息超表面，首先通过信道估算出用户1的位置，然后通过智能处理系统改变超表面口径的幅相分布，采用自适应波束成形技术将基站天线辐射的电磁波信号精准的聚焦到用户1，从而在用户1和基站之间建立起通信。类似的，当用户2也处于基站信号盲区的时候，周边建筑物上的信息超表面可以将电磁波信号二次聚到到用户2上，这种情形下用户可以接受2个方向信息超表面聚焦的能量，可以获得更好的通信质量。用户在移动过程中，信息超表面也能通过智能化波束追踪技术对用户实现精准的定向发射。

此外，覆盖在高楼外壁信息超表面也可以工作于辐射模式，这就需要在信息超表面前方合适位置架设一个馈源天线，发射特定频率的单音电磁波信号照射到信息超表面上。此情形下的信息超表面充当一个直接信息调制器，信息超表面的反射/透射系数的幅度/相位，或极化、频率、波束、轨道角动量等在控制电路模块的调制下，可采用包括但不限于PSK/QPSK，ASK,FSK,16QAM,OFDM,MIMO等手段直接编码信息，形成一个时间域、频率域、空间域多维度的实时的直接表面信息处理系统，省去复杂的混频、放大等射频前端模块。例如图1所示，此时信息超表面在馈源天线的照射下，主动辐射电磁信号，智能处理系统直接输入基带信号到信息超表面上。通过调整超表面单元的幅相分布，在三维空间进行波束综合，实现多个波束指向目标方向，分别对准用户1，2，3建立通信。需要说明的是，不同建筑物上所有的信息超表面都与中央智能处理系统保持通信，信息超表面感知的信号反馈到智能处理系统中汇总，采用云端智能算法可以对数据进行快速处理，然后再发送相应的控制信号到对应的信息超表面上，实现自适应过程，从而与不同用户建立良好的交互能力。

如图2所示，本实用新型所提出的一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统，其数字与电磁波交互处理部分的工作流程由图2给出。一个完整的信息超表面，包括图2上部分的信息超表面单元，以及左边部分的FPGA控制模块。其中，信息超表面单元为可对电磁波的相位、幅度、频率等产生作用的比特单元，其可控方式包含但不限于，电控、光控、机械控制，以及光电联合控制。实际操作中，FPGA编码模块会将数字信号加载在信息超表面上，使其对环境中的电磁波产生多种作用，例如实现各种各样的通信调制(PSK、ASK等)，以及对电磁波形、能量、频率等操作；在此基础上，信息超表面可以方便的对电磁波进行二次调制以及智能处理。信息超表面可以贴附在小区建筑物外壁上，其主要由控制端的FPGA模块以及编码超表面组成。信息超表面单元包括但不限于以下几种：利用开关二极管的通断状态，或者变容二极管的调谐性，对电磁波的相位进行调控的相位比特单元；利用机械和微流形变控制，对幅度产生作用的幅度比特单元；以及集成了各种各样传感器(压力、光、速度等)，可实现极化、频率可重构，以及对环境产生自适应响应的单元。所有的这些可控方式，都可以利用FPGA来调控电压或者步进电机来灵活调控。

在具体的实施过程中，会根据不同的功能对FPGA的编码进行智能切换。当信息超表面用作小区中的散射体时，会根据具体情况来调用存储在FPGA里面的编码信息，这些信息会以二进制码“00101001...”的形式，加载在信息超表面相应的控制线上，进而动态地调控可编程超表面阵列中每个单元的状态。比如当电磁波遇到阻碍需要绕开障碍物传输时，编码超表面可以调用基于广义斯涅耳定律的波束偏折编码，使波束传输到预定的目标位置；再比如编码超表面可以调用波束聚焦功能，有效利用环境中的电磁能量，节省能源。

多个信息超表面可以用作接收端，协同工作，实时处理各种电磁响应。例如，位于不同小区墙体上的超表面，在接收到移动终端所发出的电磁波时，可根据多普勒效应，协同预测其目标位置。并且，多个接收端协同配合，可利用反射/折射原理，将载波优化的最优路径上，减少路径损耗。

当信息超表面用作通信的发射端时，可以用现有的可编程超表面在通信中的调制办法，实现多种调制，比如PSK/QPSK,ASK,FSK,16QAM,OFDM。

利用信息超表面进行直接信息调制的系统框图如图3所示，其中数据信息转化为二进制比特流“01010001...”，再根据所用调制方案，如ASK、FSK、PSK、QAM、OFDM等，将比特流映射为相应的控制信号并加载至超表面，当超表面被单音载波激励后，其透射/反射波将变为携带信息的已调制波传播出去。

Claims (6)

1.一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统，其特征在于，包括信息超表面、基站、馈源天线、中央智能处理器；各部件通过线缆方式连接，信号汇总到中央智能处理器；

所述信息超表面分布吸附在墙壁上，分别工作在辐射模式和散射模式，所述辐射模式用于直接与用户通信，对馈源天线发出信号进行直接编码调制后辐射通信，所述散射模式用于对基站天线产生的电磁信号进行二次调控；所述基站用于产生空间的电磁波信号；所述馈源天线用于发射单音电磁波信号；所述中央智能处理器感知反馈信号，用于控制信息超表面、馈源喇叭和基站。

2.根据权利要求1所述的信息超表面智能处理系统，其特征在于，所述信息超表面在辐射模式下用于直接调制信息，所述馈源天线用于发射单音电磁波信号，信息超表面调制参数包括反射/透射系数的幅度、相位、频率、极化、波束、轨道角动量；所述信息超表面用于在控制电路模块下调制参数，直接编码信息，形成一个时间域、频率域、空间域多维度的实时直接表面信息处理系统，编码方式包括PSK/QPSK、ASK、FSK、16QAM、OFDM、MIMO。

3.根据权利要求1所述的信息超表面智能处理系统，其特征在于，所述信息超表面在散射模式下用于中继信号，对基站产生的电磁信号进行二次调控，波形调控包括：能量聚焦、精准定向发射、智能化波束追踪、自适应波束成形。

4.根据权利要求2所述的信息超表面智能处理系统，其特征在于，构成信息超表面的单元，包括可控制超表面反射/透射信息的相位、幅度比特单元，以及控制可观测状态包括频率、极化、波束、轨道角动量信息的单元；可控超表面的方式包含电控、光控、机械控制、光电联合控制。

5.根据权利要求1所述的信息超表面智能处理系统，其特征在于，所述信息超表面，对其构成比特单元直接编码用于选择最优传输路径；采用远场直接辐射通信、跳频、时分复用技术。

6.根据权利要求3所述的信息超表面智能处理系统，其特征在于，信息超表面在散射模式下用于二次调控电磁信号，通过实时切换预设编码序列实现。

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