可重构折射超表面的尺寸和能效联合优化方法及装置与流程

1.本发明涉及电子学领域，具体为一种可重构折射超表面的尺寸和能效联合优化方法及装置。


背景技术：

2.大规模mimo是未来无线通信的重要组成部分。现有的大规模mimo系统中使用了传统相控阵天线，用于实现beamforming。但是传统相控阵具有功耗高、造价昂贵的缺点。为了解决这一问题，最近，人们提出了可重构反射超表面天线。然而，该天线存在如下缺点：由于馈源会对反射波产生一定的遮挡作用，所以天线辐射效率不高。为此，人们提出了可重构折射超表面天线。由于可重构折射超表面不存在馈源遮挡的问题，所以它的辐射效率比传统可重构反射超表面天线的高。然而现有关于可重构折射超表面天线的研究，基本都是在研究如何设计该天线从而优化和天线相关的指标，比如带宽、损耗等，而没有工作考虑将可重构折射超表面应用于通信系统之中。


技术实现要素：

3.为克服上述问题，本发明提出了一种联合优化可重构折射超表面的尺寸和能效的方法及装置，通过构建超表面尺寸与系统能耗之间的最优化问题，得到最优的超表面尺寸。
4.本发明的技术内容包括：
5.一种可重构折射超表面的尺寸和能效联合优化方法，适用于一个配置可重构折射超表面天线的基站与单个用户组成的通信系统，所述可重构折射超表面天线由馈源与一可重构折射超表面组成，其步骤包括：
6.获取通信系统参数，所述通信系统参数包括：馈源发射功率、馈源与蜂窝用户之间的信道参数、以及可重构折射超表面上的动态元件及其控制电路的能耗；
7.根据所述通信系统参数，设计可重构折射超表面的尺寸，以最大化系统能效；
8.基于可重构折射超表面的尺寸，对可重构折射超表面天线进行部署。
9.进一步地，所述信道参数包括：馈源与用户之间的信道h和信道噪声方差。
10.进一步地，通过以下步骤得到所述信道h：
11.1)根据用户坐标、馈源坐标与可重构折射超表面中各单元的坐标，分别计算用户与馈源到可重构折射超表面中各单元的距离d
m，n
与距离d
m，n
；
12.2)基于载波频率波长、发射天线与接收天线在单元(m，n)方向上的天线增益乘积、单元(m，n)的尺寸、所述距离d
m，n
与所述距离d
m，n
，得到第(m，n)个基于可重构折射超表面的信道的信道增益h
m，n
；
13.3)根据各信道增益h
m，n
与单元(m，n)的折射系数γ
m，n
，计算信道h。
14.进一步地，通过构建笛卡尔坐标系，定义用户坐标、馈源坐标与可重构折射超表面中各单元的坐标，其中所述笛卡尔坐标系是以可重构折射超表面中心为原点，可重构折射超表面的两条边方向分别为x和y轴，垂直可重构折射超表面的方向为z轴。
15.进一步地，计算系统能效的方法包括：基于系统能耗与基站给用户发送数据的速率。
16.进一步地，所述系统能耗包括：基站辐射能耗和可重构折射超表面能耗。
17.进一步地，通过以下步骤计算基站给用户发送数据的速率：
18.1)根据馈源发射功率与所述信道参数，计算用户接收信噪比；
19.2)基于所述用户接收信噪比，得到基站给用户发送数据的速率。
20.进一步地，通过以下步骤得到最大化系统能效的相应所述尺寸：
21.1)构建一最优化问题，其中待优化变量包括：所述尺寸，待优化目标包括：最大化系统能效；
22.2)基于约束条件求解最优化问题，得到最大化系统能效的相应所述尺寸。
23.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行以上所述方法。
24.一种电子装置，包括存储器和处理器，其中存储器存储执行以上所述方法的程序。
25.与现有技术相比，本发明首次对可重构折射超表面的尺寸和能效进行联合优化，并通过优化可重构折射超表面的尺寸来提升能量效率等通信性能。
附图说明
26.图1可重构折射超表面天线。
27.图2本发明的方法流程图。
28.图3基于可重构折射超表面天线的通信系统。
29.图4用于描述馈源位置的笛卡尔坐标系。
30.图5本发明与现有技术的实验结果对比图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明特定实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
32.可重构折射超表面天线由馈源和折射式超表面组成。如图1所示，折射式超表面是由多个亚波长单元组成的阵列。每个单元上都有pin二极管，通过调整该二极管两端的偏置电压，可以使得二极管在on和off之间切换。信号入射到各个单元上之后，会发生折射。通过调整单元上二极管的状态，可以使得折射波的相位发生变化。该可重构折射超表面天线进行beamforming的过程：馈源发射的信号入射到各个单元上后，会发生折射，在折射的过程中超表面单元会给信号施加一定的相移。通过调整二极管上的偏置电压，从而合理设置单元的折射相移，从而实现beamforming。
33.图2与图3分为本发明的方法流程图、本发明一实施例的基于可重构折射超表面天线的通信系统。以一个窄带下行网络为例，该网络包含了一个用户和一个基站。其中的基站和我们提出的信号发射装置的架构相同。假设折射式超表面中包含m*n个单元，每个单元的尺寸为sm×
sn。将第(m，n)个单元的折射振幅和相移分别记为a
m，n
和则该单元的折射系
数可以写成其中折射振幅a
m，n
可以建模为可以建模为代表的是从馈源到单元(m，n)的入射角。同时，我们假设单元(m，n)的折射相位共有p种取值，分别记为为了描述的方便，我们以超表面的中心为原点，并以超表面的两条边的方向分别为x和y轴，并以垂直超表面的方向为z轴，构建笛卡尔坐标系，如图4所示。将馈源中心的坐标记为(xf，yf，zf)。
34.假设从基站馈源到用户的信道由m
×
n个基于超表面的信道组成，其中第(m，n)个信道代表从馈源经由第(m，n)个超表面单元，再到用户的信道。第(m，n)个基于超表面的信道的信道增益可以表示为：
[0035][0036]
其中，λ代表对应于载波频率的波长，g
m，n
代表的是发射天线和接收天线在单元(m，n)方向上的天线增益的乘积，其受到馈源的俯仰角、方位角、旋转角的影响，α代表的是路损因子，d
m，n
和d
m，n
分别代表馈源到单元(m，n)的间距以及用户到单元(m，n)的间距。由于我们的目标是推导得到扇区内的覆盖，我们关注如何找到覆盖的边缘，所以我们假设用户在超表面的远场。所以，我们有d
m，n
＝d，其中d代表的是从用户到超表面中心的距离。而从基站到单元的间距可以进一步写为
[0037][0038]
综上，从馈源到用户的信道就可以写成
[0039][0040]
而用户的接收信噪比就可以表示成
[0041][0042]
其中p和σ2分别代表的是馈源的发射功率和用户接收到的加性白高斯噪声的方差。所以基站给用户发送数据的速率就可以写为：
[0043]
r＝log2(1+γ)
[0044]
接下来分析系统的能耗。系统的能耗主要包括两部分，一部分是rrs上的动态元件以及控制电路会消耗电能，还有一部分是辐射的功率。假设每个单元独立控制，那么第一部分的功率就可以写成：
[0045]
pr＝mnp0[0046]
其中p0代表的是一个单元上的动态元件的功耗和相应的控制单元的功耗之和。第二部分的功率可以用常数p
t
表示，它的取值和阵列包含单元的数目无关。由此，系统的总功耗就可以写成
[0047]
p
all
＝pr+p
t
[0048]
而系统的能效就可以表示成：
[0049]
e＝r/p
all
[0050]
注意到，当超表面的尺寸增大时(即单元数目增加)，那么速率会相应地增加，而功
耗也会相应地增加，所以找到能够最大化能效的超表面尺寸并不是显而易见的。为了求得最大化能效的超表面尺寸，我们将该问题建模为如下最优化问题
[0051]
max
{m，n}e[0052]
s.t.m＞0，n＞0.
[0053]
可以通过数学方法求解该问题。
[0054]
在一实施例中，仿真环境如下：基站发射功率设置为43dbm，加性白高斯噪声的方差设置为-96dbm，系统的工作频率设置为26ghz。对于可重构折射超表面天线而言，将馈源的方向图记为g(θ，φ)，其取值为：当时，g(θ，φ)＝6cos2θ；否则，g(θ，φ)＝0。馈源和超表面间距为0.15m，单元透射率为0.8，且单元的尺寸为其中λ为系统工作频率对应的波长，一个rrs单元上的动态元件的功耗和相应的控制单元的功耗之和设置为6.5*10-5
瓦。对于相控阵天线而言，阵子之间的间距设置为半波长，且假设阵子为全向天线。仿真结果如图5所示，可重构折射超表面天线的能量效率优于传统相控阵。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可重构折射超表面的尺寸和能效联合优化方法，适用于一个配置可重构折射超表面天线的基站与单个用户组成的通信系统，所述可重构折射超表面天线由馈源与一可重构折射超表面组成，其步骤包括：获取通信系统参数，所述通信系统参数包括：馈源发射功率、馈源与蜂窝用户之间的信道参数、以及可重构折射超表面上的动态元件及其控制电路的能耗；根据所述通信系统参数，设计可重构折射超表面的尺寸，以最大化系统能效；基于可重构折射超表面的尺寸，对可重构折射超表面天线进行部署。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道参数包括：馈源与用户之间的信道h和信道噪声方差。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下步骤得到所述信道h：1)根据用户坐标、馈源坐标与可重构折射超表面中各单元的坐标，分别计算用户与馈源到可重构折射超表面中各单元的距离d
m,n
与距离d
m,n
；2)基于载波频率波长、发射天线与接收天线在单元(m,n)方向上的天线增益乘积、单元(m,n)的尺寸、所述距离d
m,n
与所述距离d
m,n
，得到第(m,n)个基于可重构折射超表面的信道的信道增益h
m,n
；3)根据各信道增益h
m,n
与单元(m,n)的折射系数γ
m,n
，计算信道h。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过构建笛卡尔坐标系，定义用户坐标、馈源坐标与可重构折射超表面中各单元的坐标，其中所述笛卡尔坐标系是以可重构折射超表面中心为原点，可重构折射超表面的两条边方向分别为x和y轴，垂直可重构折射超表面的方向为z轴。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算系统能效的方法包括：基于系统能耗与基站给用户发送数据的速率。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述系统能耗包括：基站辐射能耗和可重构折射超表面能耗。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下步骤计算基站给用户发送数据的速率：1)根据馈源发射功率与所述信道参数，计算用户接收信噪比；2)基于所述用户接收信噪比，得到基站给用户发送数据的速率。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下步骤得到最大化系统能效的相应所述尺寸：1)构建一最优化问题，其中待优化变量包括：所述尺寸，待优化目标包括：最大化系统能效；2)基于约束条件求解最优化问题，得到最大化系统能效的相应所述尺寸。9.一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行权利要求1-8中任一所述方法。10.一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行如权利要求1-8中任一所述方法。

技术总结
本发明公开了一种可重构折射超表面的尺寸和能效联合优化方法，适用于一个配置可重构折射超表面天线的基站与单个用户组成的通信系统，所述可重构折射超表面天线由馈源与一可重构折射超表面组成，所述方法包括：获取通信系统参数，所述通信系统参数包括：馈源发射功率、馈源与蜂窝用户之间的信道参数、以及可重构折射超表面上的动态元件及其控制电路的能耗；根据所述通信系统参数，设计可重构折射超表面的尺寸，以最大化系统能效；基于可重构折射超表面的尺寸，对可重构折射超表面天线进行部署。本发明首次对可重构折射超表面的尺寸和能效进行联合优化，并通过优化可重构折射超表面的尺寸来提升能量效率等通信性能。面的尺寸来提升能量效率等通信性能。面的尺寸来提升能量效率等通信性能。


技术研发人员：曾书豪 张泓亮
受保护的技术使用者：杭州腓腓科技有限公司
技术研发日：2022.01.10
技术公布日：2023/7/21