一种基于可重构全息超表面的波束优化方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于可重构全息超表面的波束优化方法及系统 (Beam optimization method and system based on reconfigurable holographic super surface ) 是由 张雨童 邓若琪 张浩波 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于可重构全息超表面的波束优化方法及系统,该方法包括：将基站和用户的发射方向角和接收方向角划分成不同扇区；基站向用户发射信号；将用户信号接收功率最强的收发扇区对作为第一最佳收发扇区对；用户向基站发射信号；将基站信号接收功率最强的收发扇区对作为第二最佳收发扇区对；根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对,确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对；将所述下行链路的最佳收发扇区对以及所述上行链路的最佳收发扇区对划分为多个波束,确定最佳收发波束对。采用上述方法能够获得最佳波束赋形方案,从而使系统的用户总数据速率最大化。(The invention discloses a beam optimization method and a system based on a reconfigurable holographic super surface, wherein the method comprises the following steps: dividing the transmitting direction angle and the receiving direction angle of a base station and a user into different sectors; the base station transmits signals to users; taking the transceiving sector pair with the strongest user signal receiving power as a first optimal transceiving sector pair; a user transmits a signal to a base station; taking the transceiving sector pair with the strongest signal receiving power of the base station as a second optimal transceiving sector pair; determining an optimal transceiving sector pair of a downlink and an optimal transceiving sector pair of an uplink according to the first optimal transceiving sector pair and the second optimal transceiving sector pair; and dividing the optimal transceiving sector pair of the downlink and the optimal transceiving sector pair of the uplink into a plurality of beams, and determining an optimal transceiving beam pair. The method can obtain the optimal beamforming scheme, thereby maximizing the total data rate of the users of the system.)
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于可重构全息超表面的波束优化方法及系统。
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。
由于每个RHS的辐射单元都相当于一个天线单元，随着单元数目的增加，RHS和用户之间的信道矩阵的元素同样增加，使得信道估计变得尤为复杂。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，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码本的可重构全息超表面的波束训练方法。
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波束优化方法及系统，从而获得最佳波束赋形方案，使系统的用户总数据速率最大化。
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波束优化方法，包括：
将基站和用户的发射方向角和接收方向角划分成不同扇区；
基站向用户发射信号，依次遍历所有基站的发射扇区和用户的接收扇区；
将用户信号接收功率最强的收发扇区对作为第一最佳收发扇区对；
用户向基站发射信号，依次遍历所有基站的接收扇区和用户的发射扇区；
将基站信号接收功率最强的收发扇区对作为第二最佳收发扇区对；
根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对，确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对；
将所述下行链路的最佳收发扇区对以及所述上行链路的最佳收发扇区对划分为多个波束，确定最佳收发波束对。
可选地，根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对，确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对，具体包括：
基于所述第一最佳收发扇区对，将基站的接收扇区调整为第一最佳接收扇区；
所述用户向基站发射反馈信号，依次遍历所有用户的发射扇区；
基站接收到用户发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了下行链路的最佳收发扇区对；
基于所述第二最佳收发扇区对，将用户的接收扇区调整为第二最佳接收扇区；
基站向用户发射反馈信号，依次遍历所有基站的发射扇区；
用户接收到基站发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了上次行链路的最佳收发扇区对。
本发明还提供了一种基于可重构全息超表面的波束优化系统，包括：
划分模块，用于将基站和用户的发射方向角和接收方向角划分成不同扇区；
第一发射模块，用于基站向用户发射信号，依次遍历所有基站的发射扇区和用户的接收扇区；
第一最佳收发扇区对确定模块，用于将用户接收功率最强的收发扇区对作为第一最佳收发扇区对；
第二发射模块，用于用户向基站发射信号，依次遍历所有基站的接收扇区和用户的发射扇区；
第二最佳收发扇区对确定模块，用于根据基站信号接收功率最强的收发扇区对作为第二最佳收发扇区对；
链路最佳收发扇区对确定模块，用于根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对，确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对；
最佳收发波束对确定模块，用于将所述下行链路的最佳收发扇区对以及所述上行链路的最佳收发扇区对划分为多个波束，确定最佳收发波束对。
可选地，链路最佳收发扇区对确定模块，具体包括：
第一调整单元，用于基于所述第一最佳收发扇区对，将基站的接收扇区调整为第一最佳接收扇区；
第一反馈信号发射单元，用于所述用户向基站发射反馈信号，依次遍历所有用户的发射扇区；
第一反馈信号接收单元，用于基站接收用户发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了下行链路的最佳收发扇区对；
第二调整单元，用于基于所述第二最佳收发扇区对，将用户的接收扇区调整为第二最佳接收扇区；
第二反馈信号发射单元，用基站向用户发射反馈信号，依次遍历所有基站的发射扇区；
第二反馈信号接收单元，用于用户接收基站发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了上的行链路的最佳收发扇区对。
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：
本发明提供了一种基于可重构全息超表面的波束优化方法及系统，该方法包括：将基站和用户的发射方向角和接收方向角划分成不同扇区；基站向用户发射信号，依次遍历所有基站的发射扇区和用户的接收扇区；将用户信号接收功率最强的收发扇区对作为第一最佳收发扇区对；用户向基站发射信号，依次遍历所有基站的接收扇区和用户的发射扇区；将基站信号接收功率最强的收发扇区对作为第二最佳收发扇区对；根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对，确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对；将所述下行链路的最佳收发扇区对以及所述上行链路的最佳收发扇区对划分为多个波束，确定最佳收发波束对。采用上述方法能够获得最佳波束赋形方案，从而使系统的用户总数据速率最大化。
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为可重构全息超表面的结构示意图；
图2为可重构全息超表面信号传输原理图；
图3为基于可重构超表面的无线通信信道估计流程图；
图4为基于可重构全息超表面的波束优化方法的流程图。
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波束优化方法及系统，从而获得最佳波束赋形方案，使系统的用户总数据速率最大化。
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。
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，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。
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。
针对上述可重构全息超表面，无线通信信道估计方法如图3所示，在介绍该无线通信信道估计方法之前，先对信道状态信息(Channel State Information，CSI)进行简单介绍。
信道状态信息(Channel State Information，CSI)：用来估计一条通信链路特性的信息，包括RI、PTI(Precoding Type Indicator)、PMI、CQI。估计CSI的过程叫做信道估计。
其中，RI(Rank Indication)：用户建议基站在下行传输中使用的传输阶数。
PMI(Precoding Matrix Indicator)：用户建议基站在下行传输中使用的预编码矩阵。该预编码矩阵是在假设使用“上报的RI指示的传输阶数”的基础上进行选择的。
CQI(Channel Quality Indicator)：用户使用CQI来告诉基站的调度器，用户所看到的下行信道质量信息。
如图3，假设基站与用户之间的信道矩阵为H，当基站向用户发射信号s时，用户处接收到的信号为y＝Hs+n，其中n表示噪声。通过奇异值分解可以转换为y＝U∑CHTs+n。此时，无需知道信道矩阵，只需要获得码本C即可。该码本在基站和用户处均可获得，应用时根据PMI选择一个可以使信道容量最大的码字即可。在下行链路中，基站(发射端)和用户(接收端)从码本中选择不同的码字对信号进行预编码和合并，用户根据合并后的信号估计出CSI，确定当前最优的PMI，通过有限反馈链路将其反馈给发射端，从而估计出信道矩阵。
如图4所示，具体的，波束(每个码字对应一个波束)优化方法包括：
步骤101：将基站和用户的发射方向角和接收方向角划分成不同扇区。
步骤102：基站向用户发射信号，依次遍历所有基站的发射扇区和用户的接收扇区。
步骤103：将用户信号接收功率最强的收发扇区对作为第一最佳收发扇区对。
步骤104：用户向基站发射信号，依次遍历所有基站的接收扇区和用户的发射扇区。
步骤105：将基站信号接收功率最强的收发扇区对作为第二最佳收发扇区对。
步骤106：根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对，确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对。
步骤107：将所述下行链路的最佳收发扇区对以及所述上行链路的最佳收发扇区对划分为多个波束，确定最佳收发波束对。
其中，步骤106具体包括：
步骤1061：基于所述第一最佳收发扇区对，将基站的接收扇区调整为第一最佳接收扇区；
步骤1062：所述用户向基站发射反馈信号，依次遍历所有用户的发射扇区；
步骤1063：基站接收到用户发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了下行链路的最佳收发扇区对；
步骤1064：基于所述第二最佳收发扇区对，将用户的接收扇区调整为第二最佳接收扇区；
步骤1065：基站向用户发射反馈信号，依次遍历所有基站的发射扇区；
步骤1066：用户接收到基站发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了上次行链路的最佳收发扇区对。
下面以配有可重构全息超表面的基站和用户1之间的通信为例，介绍波束优化的两个阶段的流程。
第一阶段：扇区扫描
1、将基站和用户1的发射和接收方向角粗糙的划分成不同扇区；
2、基站向用户1发射信号，在此步骤中，依次遍历所有基站的发射扇区和用户1的接收扇区；
3、用户1检测不同发射-接收扇区对接收到的信号功率，将接收功率最强所对应的收发扇区对作为最佳收发扇区对；
4、用户1向基站发射信号，在此步骤中，依次遍历所有基站的接收扇区和用户1的发射扇区；
5、基站检测不同发射-接收扇区对接收到的信号功率，将接收功率最强所对应的收发扇区对作为最佳收发扇区对；
6、基站将自己的接收扇区调整为符合用户1基站上行链路上的最佳接收扇区；
7、用户1向基站发射反馈信号，即基站用户1下行链路的最佳收发扇区对，在此步骤中，依次遍历所有用户1的发射扇区；
8、基站接收到用户1发来的反馈信号，此时，基站和用户1双方都获得了基站用户1下行链路的最佳收发扇区对；
9、用户1将自己的接收扇区调整为符合基站用户1下行链路上的最佳接收扇区；
10、基站向用户1发射反馈信号，即用户1基站上行链路的最佳收发扇区对，在此步骤中，依次遍历所有基站的发射扇区；
11、用户1接收到基站发来的反馈信号，此时，基站和用户1双方都获得了用户1基站上行链路的最佳收发扇区对。
第二阶段：波束扫描
将每个扇区再次划分成更为精细的波束，采用第一阶段同样的方式，寻找基站和用户1之间的最佳收发波束对。
通过上述方法可以获得最佳波束赋形方案，从而使系统的用户总数据速率最大化。
本发明还提供了一种基于可重构全息超表面的波束优化系统，包括：
划分模块，用于将基站和用户的发射方向角和接收方向角划分成不同扇区；
第一发射模块，用于基站向用户发射信号，依次遍历所有基站的发射扇区和用户的接收扇区；
第一最佳收发扇区对确定模块，用于将用户接收功率最强的收发扇区对作为第一最佳收发扇区对；
第二发射模块，用于用户向基站发射信号，依次遍历所有基站的接收扇区和用户的发射扇区；
第二最佳收发扇区对确定模块，用于根据基站信号接收功率最强的收发扇区对作为第二最佳收发扇区对；
链路最佳收发扇区对确定模块，用于根据所述第一最佳收发扇区对和所述第二最佳收发扇区对，确定下行链路的最佳收发扇区对以及上行链路的最佳收发扇区对；
最佳收发波束对确定模块，用于将所述下行链路的最佳收发扇区对以及所述上行链路的最佳收发扇区对划分为多个波束，确定最佳收发波束对。
其中，链路最佳收发扇区对确定模块，具体包括：
第一调整单元，用于基于所述第一最佳收发扇区对，将基站的接收扇区调整为第一最佳接收扇区；
第一反馈信号发射单元，用于所述用户向基站发射反馈信号，依次遍历所有用户的发射扇区；
第一反馈信号接收单元，用于基站接收用户发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了下行链路的最佳收发扇区对；
第二调整单元，用于基于所述第二最佳收发扇区对，将用户的接收扇区调整为第二最佳接收扇区；
第二反馈信号发射单元，用基站向用户发射反馈信号，依次遍历所有基站的发射扇区；
第二反馈信号接收单元，用于用户接收基站发来的反馈信号，此时，基站和用户都获得了上的行链路的最佳收发扇区对。
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。