一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法

本发明涉及无线通信，主要涉及一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，该方法可以平衡智能超表面功耗和接收端信号功率。

背景技术：

1、第五代移动通信技术已经在全球范围内进行大规模商用，第五代移动通信技术相比于第四代移动通信技术各项指标都有了较大的提升，例如峰值速率的大幅提高、延迟的大幅降低以及频谱效率的提高等。但第五代移动通信的几个关键技术如大规模mimo和毫米波通信等技术也带来了硬件成本高昂和功耗剧增的挑战。基于上述背景，智能超表面作为一种新兴的电磁波控制技术，近年来在无线通信、雷达系统、信息安全崭露头角。智能超表面可以调整导通单元的相位和振幅，实现了对电磁波的实时调控，从而使通信系统具有高度灵活性和可编程性。然而，在现有智能超表面辅助通信系统中，为了实现复杂的波束成形，通常需要大量的导通单元，这些单元在导通时也会消耗能量。随着智能超表面规模的增大和功能需求的提高，其功耗问题进一步凸显，因此本发明将聚焦于研究降低智能超表面的功耗，提高能量效率。

2、到目前为止，并没有提出合适的智能超表面编码方法，使得智能超表面在提高波束增益和控制功耗方面达到平衡，但实际上如果智能超表面未来大规模布置应用，智能超表面能量效率也将成为重要的问题。

3、目前，针对智能超表面辅助通信系统编码设计还处于探索的阶段。已有的编码算法：1)算法复杂度太高；2)并未关注离散相位；3)并未对智能超表面的能量效率过多关注。因而，针对智能超表面通信系统，如何以低计算复杂度及低功耗提高接收信号功率的离散编码设计方法值得深入探究。

技术实现思路

1、技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法,旨在以较低的复杂度使得智能超表面在保证接收信号功率的同时有效降低其功耗,改善现有编码设计中存在的复杂度高以及功耗较高的问题。

2、技术方案：为实现上述目标，本发明提出一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，基于智能超表面辅助通信系统，所述智能超表面辅助通信系统包括智能超表面、接收端和发射端，其中发射端和接收端在非视距链路场景，且在发射端和接收端之间部署智能超表面形成虚拟视距路径辅助通信；步骤为：获取智能超表面、接收端和发射端的坐标，根据三者的几何关系，计算电磁波由发射端经智能超表面反射至接收端的传播波程；根据所得的电磁波波程，计算各电磁单元应补偿的理想连续相位；设计量化翻转角度并据此计算离散门限值，根据该门限值将理想相移转换到智能超表面可加载的编码。

3、其中，采用的智能超表面是一个m行、n列的超表面，共计m×n个电磁单元组成，每个单元可独立配置偏移相移值；每个单元的相移分辨率为q比特，也就是智能超表面一共可以提供2q个附加相移。其中用ρp表示第p个离散的相移值，p＝1,2,…,2q，其中第p个离散相移值可由下式计算得到

4、

5、其中ρ1取值在智能超表面被制造时就已经确定，是硬件固有属性。该方法包括以下步骤：

6、步骤1、分别利用下式计算发射端与接收端到智能超表面上第m行第n列电磁单元的距离与

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8、

9、其中，m＝1,…,m，n＝1,…,n，d1和d2分别代表发射端和接收端到智能超表面中心的距离，θt和分别为发射端相对智能超表面中心的俯仰角和方位角，θr和分别为接收端相对智能超表面中心的俯仰角和方位角，dx和dy分别代表智能超表面各个电磁单元的横向尺寸和纵向尺寸；

10、步骤2、智能超表面理想相移矩阵的第m行第n列元素φm,n应采用如下方法进行计算：

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12、其中λ为载波波长。

13、步骤3、预设翻转角度τ并计算离散门限值γ；

14、步骤4、基于步骤3预设的翻转角度与计算所得离散门限值，将步骤2得到的智能超表面理想相移矩阵φ量化为智能超表面可配置的离散相移矩阵其m行第n列元素δm,n为第m行第n列电磁单元的离散相移，计算方法为：

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16、其中，

17、作为本发明所述的一种基于智能超表面通信系统的高能量效率编码设计方法，步骤3中所述的翻转角度τ以及γ的确定，包括如下步骤：

18、步骤s1、设定翻转角度τ，其值可以自由设定,用于平衡智能超表面功耗和接收端功率。当翻转角度τ减小时接收端信号功率下降但智能超表面能量效率提升，当翻转角度τ增加时接收端信号功率提升但智能超表面能量效率下降，τ的取值范围为[0,2π]，建议取值为根据步骤2中计算得到的理想相移矩阵φ按下式计算离散门限值矩阵中第m行第n列元素的值：

19、

20、步骤s2、令x＝1；ξ＝0；γ＝0；

21、步骤s3、令y＝1；

22、步骤s4、以γx,y为本次离散门限值，对步骤2中计算得到的理想相移矩阵φ利用步骤4所述的方法转换为离散相移矩阵

23、步骤s5、利用下式计算翻转角度为τ且离散门限值为γx,y时的接收端信号场强ξx,y：

24、

25、步骤s6、若ξx,y>ξ，则令ξ＝ξx,y，γ＝γx,y，并进入步骤s7；否则直接进入步骤s7；

26、步骤s7、若y<n，则令y＝y+1并进入步骤s4；否则进入步骤s8；

27、步骤s8、若x<m，则令x＝x+1并进入步骤s3；否则结束算法，输出翻转角度τ和离散门限值γ。

28、有益效果：本发明提供的算法具备以下优点。

29、(1)本发明可适应多种实际环境；

30、(2)本发明中的智能超表面编码计算方法：在理想情况下，对于智能超表面通信系统可以自由调节接收信号功率和功耗之间的关系，可以通过提高τ来提高接收端信号功率，也可以通过降低τ使得智能超表面功耗降低,从而提高能量效率；

31、(3)本发明设计的高能量效率编码方法计算复杂度低，为线性复杂度，确保了算法的可应用性。

技术特征：

1.一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，其特征在于：基于智能超表面辅助通信系统，所述智能超表面辅助通信系统包括智能超表面、接收端和发射端，其中发射端和接收端在非视距链路场景，且在发射端和接收端之间部署智能超表面形成虚拟视距路径辅助通信；步骤为：获取智能超表面、接收端和发射端的坐标，根据三者的几何关系，计算电磁波由发射端经智能超表面反射至接收端的传播波程；根据所得的电磁波波程，计算各电磁单元应补偿的理想连续相位；设计量化翻转角度并据此计算离散门限值，根据该门限值将理想相移转换到智能超表面可加载的编码。

2.根据权利要求1所述的一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，其特征在于：所采用的智能超表面由m行、n列电磁单元组成，每个电磁单元由pin二极管构成并可独立配置相移，其相移分辨率为q比特，离散相移集合为其中ρp表示第p个离散相移值，p＝1,2,…,2q，ρp可由下式计算

3.根据权利要求2所述的一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种功耗与波束增益折中的智能超表面编码方法，该方法适用于由PIN二极管构成的智能超表面辅助通信系统；智能超表面上各电磁单元相移为离散相移，相移分辨率为q比特，各电磁单元均可独立调控，该方法分为以下步骤：获取智能超表面、接收端和发射端的坐标，根据三者的几何关系，计算电磁波由发射端经智能超表面反射至接收端的传播波程；根据所得的电磁波波程，计算各电磁单元应补偿的理想连续相位；设计量化翻转角度并据此计算离散门限值，根据该门限值将理想相移转换到智能超表面可加载的编码。该方法能够平衡接收信号功率和智能超表面功耗，同时编码方法复杂度较低，具有高有效性和强实用性。技术研发人员：李潇,蓝冀峰,桑健,唐万恺,金石受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18