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。

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。

碟形天线和相控阵天线存在成本高、功率损耗大等缺点，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(Reconfigurable holographic surface，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。

图1为本发明实施例提供的基于可重构全息超表面的混合预编码方法的流程图。参见图1，本实施例提供的基于可重构全息超表面的混合预编码方法，包括：

步骤101：获取目标发送信号。

步骤102：根据数字波束成形矩阵对所述目标发送信号进行数字波束成形编码，得到数字波束编码信号。

步骤103：将所述数字波束编码信号输入可重构全息超表面天线的馈源中，所述馈源发出的携带有所述目标发送信号的参考波进入所述可重构全息超表面天线的超材料辐射单元中，所述超材料辐射单元根据全息波束成形矩阵对所述参考波进行全息波束成形编码，得到全息波束编码信号，并将所述全息波束编码信号发送至用户。

图2为本发明实施例提供的数字波束成形矩阵和所述全息波束成形矩阵确定方法的流程图。参见图2，所述数字波束成形矩阵和所述全息波束成形矩阵的确定方法为：

步骤201：构建数字预编码函数和全息波束成形函数。

其中，所述数字预编码函数，具体为：

s.t.Tr(V^HV)≤P_T

其中，V表示数字波束成形矩阵，M为全息波束成形矩阵，I为单位矩阵，σ²为用户接收端的噪声功率，为等效信道矩阵，Tr表示矩阵的迹，L表示用户总数，V^H表示V的共轭转置，表示的共轭转置，P_T表示基站的发射功率。

所述全息波束成形函数，具体为：

s.t.0≤M_m,n≤1

其中，V表示数字波束成形矩阵，M为全息波束成形矩阵，I为单位矩阵，σ²为用户接收端的噪声功率，为等效信道矩阵，M_m,n表示全息波束成形矩阵中的第m行第n列的元素，M＝{M_m,n}，Tr表示矩阵的迹，L表示用户总数，表示的共轭转置。

步骤202：以用户接收到的信号与所述目标发送信号的均方差误差最小为目标，基于全息波束成形优化算法对所述数字预编码函数和所述全息波束成形函数进行交替迭代求解，得到最终的数字波束成形矩阵和最终的全息波束成形矩阵。该步骤，具体包括：

1)在当前迭代次数下，获取上一迭代次数下的全息波束成形矩阵。

2)将所述上一迭代次数下的全息波束成形矩阵代入所述数字预编码函数并求解，得到当前迭代次数下的数字波束成形矩阵。

3)将所述当前迭代次数下的数字波束成形矩阵代入所述全息波束成形函数，并采用所述全息波束成形优化算法进行求解，得到当前迭代次数下的全息波束成形矩阵。

4)基于所述当前迭代次数下的数字波束成形矩阵和所述当前迭代次数下的全息波束成形矩阵，计算当前迭代次数下用户接收到的信号与所述目标发送信号的均方差误差。

5)判断当前迭代次数下的均方差误差是否小于设定阈值；若是，则将所述当前迭代次数下的数字波束成形矩阵确定为最终的数字波束成形矩阵，将所述当前迭代次数下的全息波束成形矩阵确定为最终的全息波束成形矩阵；若否，则进行下一次迭代。

其中，如图3所示，本实施例中的可重构全息超表面天线，包括馈源1、平行板波导2和超材料辐射单元阵列3，超材料辐射单元阵列3包括阵列排布的多个超材料辐射单元。如图4所示，超材料辐射单元包括微带线4、介质层5和金属地6，微带线4为嵌有互补电容电感谐振环的微带线。如图5所示，互补电容电感谐振环包括金属贴片7和变容二极管8。可重构全息超表面天线的原理如图6所示，其中馈源1发出电磁波，电磁波在平行板波导上以表面波a的形式进行传播，传播过程中，超材料辐射单元由变容二极管8进行控制，通过调节施加在每个超材料辐射单元上变容二极管8的电压，可实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的辐射振幅调节，因此，将超表面单元中施加于变容二极管8上的偏置电压调节为目标值，在超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。

在实际应用中，上述基于可重构全息超表面的混合预编码方法的一个具体实现过程为：

考虑一个装有L个馈源的可重构全息超表面(RHS)天线的基站(发射装置)要与L个用户进行通信，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RHS由M×N个超材料辐射单元组成，每个辐射单元的辐射幅度在[0，1]之间，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，基站与每个用户l之间的总信道矩阵用H_l表示，其维度为1×MN；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。基站对于发送给用户的信号(目标发送信号)首先根据数字波束成形矩阵进行数字波束成形编码，继而将编码后的信号(数字波束编码信号)输入RHS的馈源中，馈源发出携带有目标发送信号的参考波经过RHS的全息波束成形(即第m行第n列的超材料辐射单元根据全息波束成形矩阵中元素M_m,n对参考波能量向自用空间辐射以形成固定方向的波束)后发送给各个用户，则每个用户接收到的信号可以表示为：

其中，y_l为第l个用户接收到的信号，W_l是第l个用户固定的接收信号解调矩阵，是第l个用户固定的接收信号解调矩阵的共轭转置，V是大小为K×L的数字波束成形矩阵，V_l是第l个用户对应的V的第l列，M是由元素构成的大小为MN×K的矩阵，k_s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，z_l为信道中的高斯白噪声，同时将第l个用户的等效信道矩阵的共轭转置简写成V_l′表示V的第l′列，s_l′表示发送给用户l′的信号。

为了使得每个用户接收到的信号与基站发送信号的均方误差值最小，最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)问题可建模为：

y为所有用户接收到的信号向量，是一个L维列向量，第二项为基站发射总功率限制条件。

接下来描述数字波束成形与全息波束成形联合优化设计算法：

(1)数字预编码函数构建：

对于一个固定的全息波束成形矩阵而言，MMSE问题可以写成如下形式：

s.t.Tr(V^HV)≤P_T

其中，V表示数字波束成形矩阵，M为全息波束成形矩阵，I为单位矩阵，σ²为每个用户接收端的噪声功率，为RHS与用户之间维度为L×MN的等效信道矩阵，Tr表示矩阵的迹，L表示用户总数，P_T表示基站的发射功率；上标H表示共轭转置，例如，V^H表示V的共轭转置，表示的共轭转置；中的H表示信道矩阵。

则使得上述目标函数达到最小值的V为：

(2)全息波束成形函数构建：

对于一个固定的数字波束成形矩阵而言，MMSE问题可以写成如下形式：

s.t.0≤M_m,n≤1

由于M为实数，因此上述问题可以通过线性规划方法求解。

(3)利用计算机迭代优化数字预编码函数与数字预编码函数，得到数字波束成形矩阵和所述全息波束成形矩阵。

在(1)和(2)构建的函数的基础上，设计的MMSE混合预编码联合优化算法，以迭代的方式求解用户总数据速率最大化问题。具体而言，在保持全息波束成形矩阵{M_m,n}固定的情况下，可以通过V^*的计算公式获得数字波束成形矩阵V。然后用全息波束成形优化算法对{M_m,n}进行优化。将优化后的数字波束形成器和全息波束形成器作为初始解。在随后的每次迭代中，这两个子问题交替求解。直到两个相邻迭代之间的均方误差值的值差小于预定义的阈值，则迭代完成，获得数字波束成形矩阵V^*与全息波束成形矩阵具体过程如图7所示。

本实施例的基于可重构全息超表面的混合预编码方法，具有如下优点：

1.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不仅结构复杂且后期维修费用高昂，相比于该方式，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。

2.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。

3、采用数字波束成形矩阵和全息波束成形矩阵进行波束成形混合编码，相比单独编码的方式，提高了通信质量。

4.利用MMSE作为预编码目标可以减小系统的比特误码率，使得接收机收到的信号尽可能的接近发送端发送的数据，从而进一步提升通信质量。

本发明还提供了一种基于可重构全息超表面的混合预编码系统，图8为本发明实施例提供的基于可重构全息超表面的混合预编码系统的结构图。

参见图8，所述系统，包括：

发送信号获取模块801，用于获取目标发送信号。

数字波束编码模块802，用于根据数字波束成形矩阵对所述目标发送信号进行数字波束成形编码，得到数字波束编码信号。

全息波束编码模块803，用于将所述数字波束编码信号输入可重构全息超表面天线的馈源中，所述馈源发出的携带有所述目标发送信号的参考波进入所述可重构全息超表面天线的超材料辐射单元中，所述超材料辐射单元根据全息波束成形矩阵对所述参考波进行全息波束成形编码，得到全息波束编码信号，并将所述全息波束编码信号发送至用户。

作为一种可选的实施方式，所述系统，还包括：

矩阵确定模块804，用于确定所述数字波束成形矩阵和所述全息波束成形矩阵；所述矩阵确定模块804，具体包括：

函数构建单元，用于构建数字预编码函数和全息波束成形函数。

交替求解单元，用于以用户接收到的信号与所述目标发送信号的均方差误差最小为目标，基于全息波束成形优化算法对所述数字预编码函数和所述全息波束成形函数进行交替迭代求解，得到最终的数字波束成形矩阵和最终的全息波束成形矩阵。

作为一种可选的实施方式，所述函数构建单元中的所述数字预编码函数，具体为：

s.t.Tr(V^HV)≤P_T

其中，V表示数字波束成形矩阵，M为全息波束成形矩阵，I为单位矩阵，σ²为用户接收端的噪声功率，为等效信道矩阵，Tr表示矩阵的迹，L表示用户总数，V^H表示V的共轭转置，表示的共轭转置，P_T表示基站的发射功率。

作为一种可选的实施方式，所述函数构建单元中的所述全息波束成形函数，具体为：

s.t.0≤M_m,n≤1

其中，V表示数字波束成形矩阵，M为全息波束成形矩阵，σ²为用户接收端的噪声功率，为等效信道矩阵，M_m,n表示全息波束成形矩阵中的第m行第n列的元素，Tr表示矩阵的迹，L表示用户总数，表示的共轭转置。

作为一种可选的实施方式，所述交替求解单元，具体包括：

矩阵获取子单元，用于在当前迭代次数下，获取上一迭代次数下的全息波束成形矩阵。

第一求解子单元，用于将所述上一迭代次数下的全息波束成形矩阵代入所述数字预编码函数并求解，得到当前迭代次数下的数字波束成形矩阵。

第二求解子单元，用于将所述当前迭代次数下的数字波束成形矩阵代入所述全息波束成形函数，并采用所述全息波束成形优化算法进行求解，得到当前迭代次数下的全息波束成形矩阵。

均方差误计算子单元，用于基于所述当前迭代次数下的数字波束成形矩阵和所述当前迭代次数下的全息波束成形矩阵，计算当前迭代次数下用户接收到的信号与所述目标发送信号的均方差误差。

阈值判断子单元，用于判断当前迭代次数下的均方差误差是否小于设定阈值。

最优矩阵确定子单元，用于若当前迭代次数下的均方差误差小于设定阈值，则将所述当前迭代次数下的数字波束成形矩阵确定为最终的数字波束成形矩阵，将所述当前迭代次数下的全息波束成形矩阵确定为最终的全息波束成形矩阵；若当前迭代次数下的均方差误差不小于设定阈值，则进行下一次迭代。

本实施例提供的基于可重构全息超表面的混合预编码系统，解决了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；并且基于RHS实现了MMSE混合预编码，可以使得接收机接收的数据与发送的数据的最小均方误差达到最小，提高了通信质量。

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。

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。