一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统及方法与流程

1.本发明涉及无线通讯技术领域，特别是涉及一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统及方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.且目前还没有工作研究rhs辅助下的双连接技术，从而是的现有的用户吞吐量不足，多用户无线通信系统的用户总数据速率无法达到最大化。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统及方法，实现了在rhs辅助下将用户数据流通过多个基站传送给用户，通过对rhs的优化，从而提高了单用户的吞吐量，使多用户无线通信系统的用户总数据速率最大化。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统，包括：第一基站、第二基站、可重构全息超表面、控制模块和多个边缘设备；
8.所述第一基站和所述第二基站上均装配有所述可重构全息超表面，所述第一基站和所述第二基站通过所述可重构全息超表面与各所述边缘设备连接；所述可重构全息超表面用于产生发射信号；所述控制模块与所述可重构全息超表面连接，所述控制模块用于以所述发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化；
9.所述第一基站和所述第二基站用于控制各自优化后的所述可重构全息超表面向各个所述边缘设备发送信号。
10.优选地，所述第一基站为微基站，所述微基站的功率为2w。
11.优选地，所述第二基站为小型基站。
12.优选地，所述控制模块包括：
13.获取模块，用于获取所述发射信号；
14.最优模型确定模块，用于以所述发射信号的传输速率最大为目标，基于系统总用户速率最大化算法对所述发射信号进行优化，得到最优波束成型模型；
15.速率确定模块，用于根据所述最优波束成型模型控制所述可重构全息超表面的传输速率。
16.优选地，所述最优模型确定模块包括：
17.初始化单元，用于对所述可重构全息超表面中的每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到第一全息波束成形模型；
18.第一优化单元，用于基于数字波束成形优化算法对所述第一全息波束成形模型进行优化，得到第一数字波束成形模型；
19.第二优化单元，用于基于全息波束成形优化算法对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二全息波束成型模型；
20.第三优化单元，用于根据所述第二全息波束成型模型对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二数字波束成形模型；
21.第四优化单元，用于以相邻迭代过程中的用户接收数据的总数据速率的差小于预设阈值为目标，对所述第二数字波束成形模型和所述第二全息波束成型模型进行交替迭代求解，得到所述最优波束成型模型。
22.一种可重构全息超表面辅助的双连接组网方法，包括：
23.控制第一基站的可重构全息超表面和第二基站的可重构全息超表面产生发射信号；
24.以所述发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化；
25.控制各自优化后的所述可重构全息超表面向各个边缘设备发送信号。
26.优选地，所述第一基站为微基站，所述微基站的功率为2w，所述微基站的覆盖范围为100m至1km。
27.优选地，所述第二基站为小型基站；
28.所述小型基站的覆盖范围为10m到200m。
29.优选地，所述以所述发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化，包括：
30.获取所述发射信号；
31.以所述发射信号的传输速率最大为目标，基于系统总用户速率最大化算法对所述发射信号进行优化，得到最优波束成型模型；
32.根据所述最优波束成型模型控制所述可重构全息超表面的传输速率。
33.优选地，所述以所述发射信号的传输速率最大为目标，基于系统总用户速率最大化算法对所述发射信号进行优化，得到最优波束成型模型，包括：
34.对所述可重构全息超表面中的每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到第一全息波束成形模型；
35.基于数字波束成形优化算法对所述第一全息波束成形模型进行优化，得到第一数字波束成形模型；
36.基于全息波束成形优化算法对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二全息波束成型模型；
37.根据所述第二全息波束成型模型对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二数字波束成形模型；
38.以相邻迭代过程中的用户接收数据的总数据速率的差小于预设阈值为目标，对所述第二数字波束成形模型和所述第二全息波束成型模型进行交替迭代求解，得到所述最优波束成型模型。
39.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：
40.本发明提供一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统及方法，第一基站和第二基站上均装配有可重构全息超表面，第一基站和第二基站通过可重构全息超表面与边缘设备连接；控制模块根据可重构全息超表面产生的发射信号，以发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化，并以优化后的超表面向边缘设备传输数据，从而实现了在rhs辅助下将用户数据流通过多个基站传送给用户，提高了单用户的吞吐量，使多用户无线通信系统的用户总数据速率最大化。
附图说明
41.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。
42.图1为本发明提供的实施例中的可重构全息超表面示意图；
43.图2为本发明提供的实施例中的表面波传播示意图；
44.图3为本发明提供的实施例中的双连接组网方法的示意图；
45.图4为本发明提供的实施例中的迭代式算法示意图。
46.符号说明：
[0047]1‑
馈源，2
‑
平面波导，3
‑
超材料辐射单元，4
‑
pin二极管，5
‑
表面波。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
本发明的目的是提供一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统及方法，实现了在rhs辅助下将用户数据流通过多个基站传送给用户，通过对rhs的优化，从而提高了单用户的吞吐量，使多用户无线通信系统的用户总数据速率最大化。
[0050]
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。
[0051]
本发明的发明原理是基于超材料的可控性，使得新兴的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。
[0052]
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(printed circuit board，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。
[0053]
同时，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。
[0054]
图1为本发明提供的实施例中的可重构全息超表面示意图，如图1所示，本实施例中的可重构全息超表面包括馈源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。
[0055]
图2为本发明提供的实施例中的表面波传播示意图，如图2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5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4进行控制，通过调节超材料辐射单元3对应的pin二极管4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4控制一个超材料辐射单元3，则该单元具有2
i
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4的状态调节为目标开关值，在所述超材料辐射单元3上辐射出的电磁波幅度值为目标离散化幅度值。
[0056]
本实施例中公开了一种可重构全息超表面辅助的双连接组网系统，包括：第一基站、第二基站、可重构全息超表面、控制模块和多个边缘设备。
[0057]
所述第一基站和所述第二基站上均装配有所述可重构全息超表面，所述第一基站和所述第二基站通过所述可重构全息超表面与各所述边缘设备连接；所述可重构全息超表面用于产生发射信号；所述控制模块与所述可重构全息超表面连接，所述控制模块用于以所述发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化。
[0058]
所述第一基站和所述第二基站用于控制各自优化后的所述可重构全息超表面向各个所述边缘设备发送信号。
[0059]
优选地，所述第一基站为微基站，所述微基站的功率为2w，所述微基站的覆盖范围为100m至1km。
[0060]
具体的，微基站(micro cell)的功率一般在2w左右；覆盖半径大约为100m～1km；基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面5m～10m，无线波束折射、反射、散射于建筑物间或建筑物内，限制在街道内部。最初被用来加大无线覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。得益于低发射功率的的优点，micro cell允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，因此业务密度得到了巨大的增长，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。
[0061]
优选地，所述第二基站为小型基站，所述小型基站的覆盖范围为10m到200m。
[0062]
具体的，所述小型基站(small cell)为低功率的无线接入节点，是一种全新的网络架构体系，工作在授权的、非授权的频谱，可以覆盖10米到200米的范围。
[0063]
本实施例中考虑两个基站，分属于mirco cell和small cell，每个基站上装有k个馈源的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface,rhs)，与l个用户进行
通信。
[0064]
在本实施例具体应用过程中，考虑两个基站，分属于mirco cell和small cell，每个基站上装有k个馈源的可重构全息超表面(reconfigurable holographic surface,rhs)，与l个用户进行通信。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m
m，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。假设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，基站与用户l之间的信道矩阵用表示，其中c＝1表示微基站，c＝0表示小型基站；假设基站向边缘设备发送的信号为s，s
l
表示发送给用户l的信号。每个基站对于发送给用户的信号首先进行数字波束成形，然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m
m，nc
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，则每个用户通过第c个基站接收到的信号可以表示为：
[0065][0066]
其中，v是数字波束成形矩阵，分别是矩阵h，v中关于第c个基站到用户l的部分，m是由元素构成的矩阵，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。则总传输速率最大化问题为：
[0067][0068]
s.t.
[0069][0070]
优选地，所述控制模块包括：
[0071]
获取模块，用于获取所述发射信号；
[0072]
最优模型确定模块，用于以所述发射信号的传输速率最大为目标，基于系统总用户速率最大化算法对所述发射信号进行优化，得到最优波束成型模型；
[0073]
速率确定模块，用于根据所述最优波束成型模型控制所述可重构全息超表面的传输速率。
[0074]
优选地，所述最优模型确定模块包括：
[0075]
初始化单元，用于对所述可重构全息超表面中的每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到第一全息波束成形模型；
[0076]
第一优化单元，用于基于数字波束成形优化算法对所述第一全息波束成形模型进行优化，得到第一数字波束成形模型；
[0077]
第二优化单元，用于基于全息波束成形优化算法对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二全息波束成型模型；
[0078]
第三优化单元，用于根据所述第二全息波束成型模型对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二数字波束成形模型；
[0079]
第四优化单元，用于以相邻迭代过程中的用户接收数据的总数据速率的差小于预设阈值为目标，对所述第二数字波束成形模型和所述第二全息波束成型模型进行交替迭代求解，得到所述最优波束成型模型。
[0080]
图3为本发明提供的实施例中的双连接组网方法的示意图，如图3所示，本实施例中还提供了一种可重构全息超表面辅助的双连接组网方法，包括：
[0081]
步骤100：控制第一基站的可重构全息超表面和第二基站的可重构全息超表面产生发射信号。
[0082]
步骤200：以所述发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化。
[0083]
步骤300：控制各自优化后的所述可重构全息超表面向各个边缘设备发送信号。
[0084]
优选地，所述以所述发射信号的传输速率最大为目标对所述可重构全息超表面进行优化，包括：
[0085]
获取所述发射信号；
[0086]
以所述发射信号的传输速率最大为目标，基于系统总用户速率最大化算法对所述发射信号进行优化，得到最优波束成型模型；
[0087]
根据所述最优波束成型模型控制所述可重构全息超表面的传输速率。
[0088]
优选地，所述以所述发射信号的传输速率最大为目标，基于系统总用户速率最大化算法对所述发射信号进行优化，得到最优波束成型模型，包括：
[0089]
对所述可重构全息超表面中的每个超材料辐射单元的辐射振幅进行初始化，得到第一全息波束成形模型；
[0090]
基于数字波束成形优化算法对所述第一全息波束成形模型进行优化，得到第一数字波束成形模型；
[0091]
基于全息波束成形优化算法对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二全息波束成型模型；
[0092]
根据所述第二全息波束成型模型对所述第一数字波束成形模型进行优化，得到第二数字波束成形模型；
[0093]
以相邻迭代过程中的用户接收数据的总数据速率的差小于预设阈值为目标，对所述第二数字波束成形模型和所述第二全息波束成型模型进行交替迭代求解，得到所述最优波束成型模型。
[0094]
图4为本发明提供的实施例中的迭代式算法示意图，如图4所示，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。
[0095]
下面分别介绍步骤1和步骤2的求解方法：
[0096]
步骤1：数字波束成形模块设计
[0097]
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m
m，n
信道矩阵h
l
，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：
[0098][0099]
其中，p
c
＝diag{p
c，1
，p
c，2
，
…
，p
c，l
}是一个对角矩阵，最优的μ
c，l
为的第l个对角元素，ν
c
为满足等式为满足等式
[0100]
步骤2：基于rhs的全息波束成形方案设计
[0101]
根据步骤2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,令则通过优化整数s
m，nc
的值即可确定最优的全息波束成形方案，具体包括：
[0102]
(1)首先求得无整数约束约束下的最优s
m，nc
值和总数据速率和上限
[0103]
根据分式规划改写用户速率最大化问题，并利用matlab中的二次规划算法即可求解出最优的s
m，nc
值和相应的最大总数据速率和记为rmax，检验最优s
m，nc
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。
[0104]
(2)分支定界法优化s
m，n
[0105]
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f
m，nc
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s
m，nc
值和相应的最大总数据速率和；
[0106]
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。
[0107]
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s
m，nc
即为所求。通过s
m，nc
可以获得m
m，nc
的值。
[0108]
本发明的有益效果如下：
[0109]
(1)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。
[0110]
(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。
[0111]
(3)本发明解决现有尚无研究rhs辅助下的双连接技术。应用本发明的系统及方法，应用本发明，可以大大增加增加单用户的吞吐量、使多用户无线通信系统的用户总数据速率最大化。
[0112]
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。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
[0113]
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。