基于可重构全息超表面的无线通信中继装置、方法及系统
阅读说明：本技术 基于可重构全息超表面的无线通信中继装置、方法及系统 (Wireless communication relay device, method and system based on reconfigurable holographic super surface ) 是由 张雨童 邓若琪 张浩波 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于可重构全息超表面的无线通信中继装置、方法及系统,所述方法包括：获取基站与中继装置之间的信道矩阵；获取中继装置与用户之间的信道矩阵；确定各用户接收到的信号；基于所述基站与中继装置之间的信道矩阵、所述中继装置与用户之间的信道矩阵以及用户接收到的信号构建目标函数；采用迭代式算法优化所述目标函数,得到最优解。本发明中的上述方法可使得用户通信系统的数据速率最大化。(The invention relates to a wireless communication relay device, a method and a system based on a reconfigurable holographic super surface, wherein the method comprises the following steps: acquiring a channel matrix between a base station and a relay device; acquiring a channel matrix between a relay device and a user; determining signals received by each user; constructing an objective function based on a channel matrix between the base station and the relay device, a channel matrix between the relay device and a user and a signal received by the user; and optimizing the objective function by adopting an iterative algorithm to obtain an optimal solution. The method of the present invention can maximize the data rate of the user communication system.)
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及基于可重构全息超表面的无线通信中继装置、方法及系统。
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。
现有于RHS的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基于可重构全息超表面的无线通信中继装置，应用此装置，可以扩大基站的覆盖范围，使多用户无线通信系统的用户总数据速率最大化。
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线通信中继装置、方法及系统，使得多用户通信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线通信中继装置，所述装置包括：
基站、中继装置以及用户；
所述基站装有T根天线；
所述中继装置装有包含K个馈源的可重构全息超表面。
本发明还提供一种基于可重构全息超表面的无线通信中继方法，所述方法应用于上述的装置，其特征在于，所述方法包括：
获取基站与中继装置之间的信道矩阵；
获取中继装置与用户之间的信道矩阵；
确定各用户接收到的信号；
基于所述基站与中继装置之间的信道矩阵、所述中继装置与用户之间的信道矩阵以及用户接收到的信号构建目标函数；
采用迭代式算法优化所述目标函数，得到最优解。
可选的，所述用户接收到的信号为：
其中，l表示用户，l′表示除用户l以外的其他用户，V表示数字波束成形矩阵，HBR表示基站与中继装置之间的信道矩阵，HRU表示中继装置与用户之间的信道矩阵，M表示由元素构成的矩阵，ks表示参考波在可重构全息超表面传播的传播矢量，为第k个馈源到第(m,n)个辐射单元的距离矢量，zl为信道中的高斯白噪声。
可选的，所述目标函数为：
Tr(VHV)＜PT
其中，l表示用户，l′表示除用户l以外的其他用户，V表示数字波束成形矩阵，HBR表示基站与中继装置之间的信道矩阵，HRU表示中继装置与用户之间的信道矩阵，M表示由元素构成的矩阵，ks表示参考波在可重构全息超表面传播的传播矢量，为第k个馈源到第(m,n)个辐射单元的距离矢量，σ表示噪声，VH表示矩阵V的共轭转置，PT表示基站的总发射功率，Tr表示矩阵的迹运算。
可选的，所述采用迭代式算法优化所述目标函数，得到最优解具体包括：
保持全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题，得到数字波束成形矩阵；
基于所述数字波束成形矩阵优化全息波束成形矩阵；
重复上述步骤直到两次相邻的迭代数据速率的差值小于预设阈值。
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，得到数字波束成形矩阵具体采用如下公式：
其中，P＝diag{p1,p2,…,pL}是一个对角矩阵，最优的μl为QH(QQH)-1的第l个对角元素，ν为满足等式
可选的，基于所述数字波束成形矩阵优化全息波束成形矩阵具体包括：
基于所述数字波束成形矩阵，采用分支定界法确定每个辐射单元最优的离散幅度值，令Sm,n∈{0,1,2,…,2I-2,2I-1}，通过优化整数Sm,n确定全息波束成形矩阵。
本发明还提供一种基于可重构全息超表面的无线通信中继系统，所述系统包括：
基站与中继装置之间的信道矩阵获取模块，用于获取基站与中继装置之间的信道矩阵；
中继装置与用户之间的信道矩阵获取模块，用于获取中继装置与用户之间的信道矩阵；
用户接收信号确定模块，用于确定各用户接收到的信号；
目标函数构建模块，用于基于所述基站与中继装置之间的信道矩阵、所述中继装置与用户之间的信道矩阵以及用户接收到的信号构建目标函数；
最优解求取模块，用于采用迭代式算法优化所述目标函数，得到最优解。
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：
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。
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为本发明实施例基于可重构全息超表面的无线通信中继装置示意图；
图2为本发明实施例可重构全息超表面及可调幅的超材料辐射单元示意图；
图3为本发明实施例可重构全息超表面的无线通信中继方法流程图；
图4为本发明实施例可重构全息超表面的无线通信中继系统结构示意图。
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。
本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的无线通信中继装置、方法及系统，使得多用户通信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。
本发明针对现有具有波束成形能力的无线通信天线(例如相控阵天线)体积大，功耗高，硬件成本高的问题，设计了一款可重构全息超表面RHS。
本发明基于可重构全息超表面RHS，设计了一款轻量级、低能耗、低成本的无线通信中级装置，包括基于RHS的中继无线通信系统中全息波束成形设计方法，此方法可以使得多用户通信系统的数据速率最大化。具体方案如下：
图1为本发明实施例基于可重构全息超表面的无线通信中继装置示意图，如图1所示，所述装置包括：
基站、中继装置以及用户；
所述基站装有T根天线；
所述中继装置装有包含K个馈源的可重构全息超表面。
如图1所示，考虑一个装有T根天线的基站，通过装有K个馈源的可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface,RHS)的中继装置，与L个移动用户进行通信。假设RHS由M×N个超材料辐射单元祖成，每个辐射单元的辐射幅度可取值为对每个超材料辐射单元的辐射振幅Mm,n(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。基站到RHS的每个辐射单元之间的信道、RHS每个辐射单元与每个用户之间的传输信道均可根据实际情况利用计算机进行模拟。基站与中继之间的总信道矩阵用HBR表示，中继与用户之间的总信道矩阵用HRU表示；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，sl表示发送给用户l的信号。基站对于发送给用户的信号首先进行数字波束成形，中继接收到基站发来的信号后，将编码后的信号输入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(即每个辐射单元根据Mm,n对参考波能量向自用空间辐射以形成固定方向的波束)发送给各个用户。
下面对可重构全息超表面以及可重构全息超表面及可调幅的超材料辐射单元进行解释：
其中，可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface,RHS)由馈源，平行板波导，超材料辐射单元阵列构成，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，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。
可重构全息超表面及可调幅的超材料辐射单元：
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，如图2所示，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，传播过程中，超材料辐射单元由多个PIN二极管进行控制，通过调节超材料辐射单元对应的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有限离散辐射振幅调节，若有I个PIN二极管控制一个超材料辐射单元，则该单元具有2I个离散幅度可调节值，因此，将超表面单元中的PIN二极管开关状态调节为目标开关值，在所述超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标离散化幅度值。
图3为本发明实施例可重构全息超表面的无线通信中继方法流程图，如图3所示，所述方法包括：
步骤101：获取基站与中继装置之间的信道矩阵。
步骤102：获取中继装置与用户之间的信道矩阵。
步骤103：确定各用户接收到的信号。
步骤104：基于所述基站与中继装置之间的信道矩阵、所述中继装置与用户之间的信道矩阵以及用户接收到的信号构建目标函数。
每个用户接收到的信号可以表示为：
其中，V是数字波束成形矩阵Vl分别是矩阵HRU，HBR，V中关于用户l的部分，M是由元素构成的矩阵，ks为参考波在RHS表面传播的传播矢量，为第k个馈源到第(m,n)个辐射单元的距离矢量，zl为信道中的高斯白噪声。则用户总传输速率最大化问题为：
Tr(VHV)＜PT
步骤105：采用迭代式算法优化所述目标函数，得到最优解。
本发明采用迭代式算法，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：数字波束成形模块设计
根据步骤1中仿真所得的初始的超材料辐射单元的辐射振幅Mm,n信道矩阵Hl，为了使所有用户总数据速率达到最大值，数字波束成形方案可以表示为：
其中，P＝diag{p1,p2,…,pL}是一个对角矩阵，最优的μl为QH(QQH)-1的第l个对角元素，ν为满足等式
步骤2：基于RHS的全息波束成形方案设计
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sm,n∈{0,1,2,…,2I-2,2I-1},则通过优化整数sm,n的值即可确定最优的全息波束成形方案，具体包括：
(1)首先求得无整数约束约束下的最优sm,n值和总数据速率和上限通过引入辅助变量γl,δl可以将用户速率最大化问题改写成：
其中，
定义为关于下标m,n下标做向量化得到的MN维列向量，则的线性近似可以表示成这里ηl为矩阵Re(bl)[Re(bl)]T+Im(bl)[Im(bl)]T的最大特征值，为对应于ηl的特征向量的第(m-1)N+n个分量。
通过可以得到最优的γl,δl，具体表达如下：
根据求得的利用MATLAB中的二次规划算法即可求解出最优的sm,n值和相应的最大总数据速率和记为Rmax，检验最优sm,n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sm,n
分支：任意选择一个非整数进行分支，记其值为构造两个约束条件：和其中代表不超过fm,n的最大整数将这两个约束条件分别加入问题(*),利用MATLAB中的二次规划算法继续求解两个后继优化问题(*1)和(*2)相应最优的sm,n值和相应的最大总数据速率和；
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sm,n可以获得Mm,n的值。
图4为本发明实施例可重构全息超表面的无线通信中继系统结构示意图，如图4所示，所述系统包括：
基站与中继装置之间的信道矩阵获取模块，用于获取基站与中继装置之间的信道矩阵；
中继装置与用户之间的信道矩阵获取模块，用于获取中继装置与用户之间的信道矩阵；
用户接收信号确定模块，用于确定各用户接收到的信号；
目标函数构建模块，用于基于所述基站与中继装置之间的信道矩阵、所述中继装置与用户之间的信道矩阵以及用户接收到的信号构建目标函数；
最优解求取模块，用于采用迭代式算法优化所述目标函数，得到最优解。
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。