一种基于锁存器的智能超表面及其控制方法、控制器

本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种基于锁存器的智能超表面及其控制方法、控制器。

背景技术：

智能超表面(智能反射面，ris，largeintelligentsurface，reconfigurableintelligentsurface，softwaredefinedsurface，metasurface，irs，intelligentreflectingsurface，reconfigurablemeta-surfaces，holographicmimo等，下文均用ris表述)是一种辅助通信系统，它利用其上的反射单元改变入射到表面的电磁波的相位或幅度，通过大量反射单元的共同作用，可以实现电磁波的定向反射，从而使得基站信号可以绕过阻挡物到达用户。

如图1所示，每个单元里面的符号θn(n＝1,2,…,n)表示该单元的相移，这些单元的相移可由智能超表面的控制器控制。目前现存的智能超表面控制方案基本都是每个反射单元由一个控制器引脚独立控制的形式。

这种方法虽然简单，但是由于超表面往往有大量的电磁单元，因此需要大量的控制器io口资源，导致硬件成本居高不下，且不利于在智能超表面阵列规模较大时对其进行控制，并且增加控制器会大大增加成本。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于锁存器的智能超表面及其控制方法、控制器，其目的在于将大规模智能超表面划分为小规模集合后，利用锁存器可长时间稳定地锁存信号这一特性，选通集合内的各ris单元对应的锁存器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，降低控制器成本，提高控制器的利用效率；由于锁存器面积小、速度快，且完成同一个功能所需要的门较触发器要少，使得智能超表面集成度更高，使得智能超表面体积更小、响应更快。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于锁存器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个ris单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个ris单元的反射幅度或者相移，

所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个锁存器，每个锁存器与ris单元一一对应；其中，每个锁存器的锁存引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路上，输入引脚通过信号线连接到智能超表面的控制器上，输出引脚连接ris单元；

所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据扫描信号选通锁存器；

所述锁存器，用于在被选通时，输出电平信号加载在对应的ris单元上，未被选通时，保持锁存状态。

优选地，所述控制电路板还包括：

位于所述锁存器与ris单元之间的电压转换电路，用于在锁存器输出的电平信号无法满足ris单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足ris单元正常工作所需电压信号。

有益效果：本发明提出在锁存器与ris单元之间放置电压转换电路，全面考虑了锁存器输出的电平信号(数字)可能无法满足ris单元正常工作要求的情形，使得ris单元可以工作在正常的电压范围内，实现电磁波的定向反射功能。

优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。

有益效果：以n行m列阵列式智能超表面为例，扫描线驱动电路优选为移位寄存器电路时，整个智能超表面的引脚数仅为m+1，扫描线驱动电路优选为译码逻辑电路时，整个智能超表面的引脚数仅为m+log2n，使得所需要的控制器引脚数量(原始为m+n)进一步减少，控制器的成本进一步降低。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种如第一方面所述的智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：

s1.确定智能超表面各ris单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有ris单元划分为至少一个集合；

s2.确定每个集合内的各ris单元在当前时刻所需控制电平信号；

s3.选中一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于选通选中集合内各ris单元对应的锁存器；

s4.将选中集合内各ris单元的所需控制电平信号同时加载到选通的锁存器；

s5.重复步骤s3-s4，直至各ris单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。

为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种基于锁存器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个ris单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个ris单元的反射幅度或者相移，

所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个锁存器，每个锁存器与ris单元一一对应；其中，每个锁存器的锁存引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路上，输入引脚通过信号线连接到信号线驱动电路上，输出引脚连接ris单元；

所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据扫描信号选通锁存器；

所述信号线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的控制电平信号后，将控制电平信号同时加载到所有选通锁存器；

所述锁存器，用于在被选通时，输出电平信号加载在对应的ris单元上，未被选通时，保持锁存状态。

优选地，所述控制电路板还包括：

位于所述锁存器与ris单元之间的电压转换电路，用于在锁存器输出的电平信号无法满足ris单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足ris单元正常工作所需电压信号。

优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。

为实现上述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种如第三方面所述的智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：

s1.确定智能超表面各ris单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有ris单元划分为至少一个集合；

s2.确定每个集合内的各ris单元在当前时刻所需控制电平信号；

s3.选中一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于选通选中集合内各ris单元对应的锁存器；

s4.向信号线驱动电路发送选中集合内的ris单元的所需控制电平信号；

s5.重复步骤s3-s4，直至各ris单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。

优选地，步骤s1中，将智能超表面划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块ris单元。

有益效果：将智能超表面划分为多个相同的集合，有助于提高控制的效率。

为实现上述目的，按照本发明的第五方面，提供了一种智能超表面的控制器，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述智能超表面的控制方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)考虑到现有智能超表面的控制器成本高，本发明提出一种基于锁存器的智能超表面，对控制电路板结构进行改进，改进后的控制电路板包括扫描线驱动电路和多个锁存器，扫描线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据扫描信号选通锁存器，锁存器用于在被选通时，输出电平信号加载在对应的ris单元上，未被选通时，保持锁存状态。本发明利用锁存器可长时间稳定地锁存信号这一特性，选通ris单元对应的锁存器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，由于锁存器面积小、速度快、成本低，且完成同一个功能所需要的门较触发器要少，使得智能超表面集成度更高，体积更小，响应更快。智能超表面通过扫描驱动电路有限数量的引脚与外部控制器连接，从而可选择io口少的控制器，降低了控制成本。

(2)本发明提出一种基于锁存器的智能超表面的控制方法，控制器将大规模智能超表面划分为小规模集合后，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以直接控制该集合内ris单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，依次选通并控制各个集合，从而完整地控制整个智能超表面。使用有源矩阵式的控制方式，系统复杂度低，大大降低了系统的总体成本；由于锁存器可长时间稳定地锁存信号，这种控制方法不需要定时刷新，且控制电压稳定，不会随时间波动。由于不需要定期刷新充电，这种方法的信号串扰也更小，系统的稳定性提升。

(3)考虑到现有智能超表面的控制器成本高，本发明提出一种基于锁存器的智能超表面，对控制电路板结构进行改进，改进后的控制电路板包括信号线驱动电路、扫描线驱动电路和多个锁存器，扫描线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据扫描信号选通锁存器，信号线驱动电路用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制电平信号后，将接收到的控制电平信号同时加载到选通锁存器，锁存器用于在被选通时，输出电平信号加载在对应的ris单元上，未被选通时，保持锁存状态。本发明利用锁存器可长时间稳定地锁存信号这一特性，选通ris单元对应的锁存器，从而控制智能超表面反射单元的工作状态，由于锁存器面积小、速度快、成本低，且完成同一个功能所需要的门较触发器要少，使得智能超表面集成度更高，体积更小，响应更快。智能超表面通过扫描驱动电路与信号线驱动电路有限数量的引脚与外部控制器连接，从而可选择io口少的控制器，降低了控制成本。

(4)本发明提出一种基于锁存器的智能超表面的控制方法，控制器将大规模智能超表面划分为小规模集合后，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以通过信号线驱动电路控制该集合内ris单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各个集合，就可以完整地控制整个智能超表面。使用有源矩阵式的控制方式，系统复杂度低，大大降低了系统的总体成本；由于锁存器可长时间稳定地锁存信号，这种控制方法不需要定时刷新，且控制电压稳定，不会随时间波动。由于不需要定期刷新充电，这种方法的信号串扰也更小，系统的稳定性提升。

附图说明

图1为现有技术中智能超表面示意图；

图2为本发明实施例提供的基于锁存器的智能超表面按行扫描控制方法示意图；

图3为本发明实施例提供的锁存器的基本结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于锁存器的智能超表面按列扫描控制方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一方面，本发明提供了一种基于锁存器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个ris单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个ris单元的反射幅度或者相移，所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个锁存器，每个锁存器与ris单元一一对应；其中，每个锁存器的锁存引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路上，输入引脚通过信号线连接到智能超表面的控制器上，输出引脚连接ris单元。

所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据扫描信号选通锁存器。

智能超表面可以是阵列式，也可以是圆盘形等其他类型。

优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。

所述锁存器，用于在被选通时，输出电平信号加载在对应的ris单元上，未被选通时，保持锁存状态。

优选地，所述控制电路板还包括：位于所述锁存器与ris单元之间的电压转换电路，用于在锁存器输出的电平信号无法满足ris单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足ris单元正常工作所需电压信号。

例如，锁存器输出的电平为0～15v，无法使智能超表面正常工作，使用电压转换电路，将其转换为－15v～15v的电压信号之后，再输出给ris单元。

对应地，本发明提供了一种如上述智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：

步骤s1.确定智能超表面各ris单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有ris单元划分为至少一个集合。

控制器将智能超表面分为若干集合，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以控制该集合内ris单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各个集合，就可以完整地控制整个智能超表面。集合的大小根据实际需要设定，设定时综合考虑智能超表面的规模和控制效率。

优选地，将智能超表面划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块ris单元。例如，将n×m阵列式智能超表面划分为n行，按行扫描智能超表面。每一行的ris单元连接同一扫描线，每一列的智能超表面连接同一信号线。

步骤s2.确定每个集合内的各ris单元在当前时刻所需控制电平信号。

步骤s3.选中一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于选通选中集合内各ris单元对应的锁存器。

步骤s4.将选中集合内各ris单元的所需控制电平信号同时加载到选通的锁存器。

步骤s5.重复步骤s3-s4，直至各ris单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。

另一方面，本发明提供了一种基于锁存器的智能超表面，所述智能超表面包括：位于外层的多个ris单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个ris单元的反射幅度或者相移，所述控制电路板包括：扫描线驱动电路和多个锁存器，每个锁存器与ris单元一一对应；其中，每个锁存器的锁存引脚通过扫描线连接到扫描线驱动电路上，输入引脚通过信号线连接到信号线驱动电路上，输出引脚连接ris单元。

所述扫描线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的扫描信号后，根据扫描信号选通锁存器。

优选地，所述扫描线驱动电路为移位寄存器电路或者译码逻辑电路。

所述信号线驱动电路，用于工作时与智能超表面的控制器进行连接，接收到控制器发送的控制电平信号后，将控制电平信号同时加载到所有选通锁存器。

所述锁存器，用于在被选通时，输出电平信号加载在对应的ris单元上，未被选通时，保持锁存状态。

优选地，所述控制电路板还包括：位于所述锁存器与ris单元之间的电压转换电路，用于在锁存器输出的电平信号无法满足ris单元正常工作要求时，将电平信号转化为满足ris单元正常工作所需电压信号。

对应地，本发明提供了一种如上述智能超表面的控制方法，所述控制方法包括：

步骤s1.确定智能超表面各ris单元当前时刻所需控制电平信号，将智能超表面的所有ris单元划分为至少一个集合。

控制器将智能超表面分为若干集合，智能超表面的扫描线连接到每一个集合。这样，控制器每次选择一个集合，可以控制该集合内ris单元的反射状态，未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各个集合，就可以完整地控制整个智能超表面。

优选地，将智能超表面划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块ris单元。

步骤s2.确定每个集合内的各ris单元在当前时刻所需控制电平信号。

步骤s3.选中一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于选通选中集合内各ris单元对应的锁存器。

步骤s4.向信号线驱动电路发送选中集合内的ris单元的所需控制电平信号。

步骤s5.重复步骤s3-s4，直至各ris单元当前时刻所需控制电压信号均已加载完毕。

此外，本发明还提供了一种智能超表面的控制器，包括：计算机可读存储介质和处理器；所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述智能超表面的控制方法。

所述控制器可采用fpga、单片机等微处理器。

实施例1

如图2所示，本实施例使用行扫描方式。每个ris单元中使用锁存器t1来控制ris的逻辑电平。一个ris单元及锁存器的基本结构如图3所示，其中，锁存器的电源和地引脚已经省去，in引脚接信号线sj(数字信号)，le引脚接gi(数字信号)，out引脚接ris单元(逻辑电平)。锁存启用(le)输入高，输出out遵循数据输入in。当le为低时，输出out锁定在输入端设置的逻辑电平。

对智能超表面阵列进行1bit的控制，本实施例中智能超表面一共n行m列ris单元，控制器向扫描线驱动电路发送扫描信号，由扫描线驱动电路选通某一行ris单元(图中g1，g2，g3，…，gn-1，gn)，接着，控制器向信号线驱动电路发送此行ris的控制信号，信号线驱动电路在s1，s2，s3，s4，…，sm-1，sm上加载控制电平，此时，被选中行的锁存器使能，输出信号电压，加载在ris单元上，电压变化，幅度相位都会改变。未选通的行的锁存器进入锁存状态，其输出不会随着信号线s1，s2，s3，s4，…，sm-1，sm电压的变化而变化。

整个系统工作过程如下：

(1)控制器根据智能超表面算法，确定超表面各个单元当前时刻所需要的控制电压。

(2)控制器控制扫描线驱动电路开始扫描，按一定次序选通g1，g2，g3，…，gn-1，gn，其余未选通的行保持锁存状态。

(3)在每一行的选通时间内，控制器控制信号线驱动电路，将电压信号加载在信号线s1，s2，s3，s4，…，sm-1，sm上。

实施例2

如图4所示，本实施例使用列扫描方式。此时每行连接到信号线驱动电路，每列连接到扫描线驱动电路，所示的智能超表面仍然为n行m列，且锁存器与扫描线、信号线驱动电路的连接方式不发生变化，即：扫描线仍连接锁存器的le引脚，信号线仍然连接锁存器的输入引脚。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。