一种超表面通信系统、超表面相位调整方法及调整系统与流程

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种超表面通信系统、超表面相位调整方法及调整系统。

背景技术：

现有的反射超表面通信系统，针对的是在基站和用户直射链路差，且用户可以接收到反射信号的情况下，提升用户接收信号强度，但是对于反射超表面另一侧的用户，其通信质量并不能得到提升，无法全方位同时服务各个方向上的用户通信，因此，现有的反射超表面通信系统存在小区边缘用户通信质量差，基站服务范围小的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超表面通信系统、超表面相位调整方法及调整系统，以解决现有的反射超表面通信系统小区边缘用户通信质量差，基站服务范围小的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超表面通信系统，包括：透反射超表面以及基站；

所述透反射超表面、所述基站以及用户之间具有通信链路；所述通信链路包括直接链路、反射链路以及透射链路；所述直接链路为所述基站直接传输至用户的通信链路；所述反射链路为所述透反射超表面接收到所述基站的信号后反射至所述基站同一侧的所述用户的通信链路；所述透射链路为超表面接收到所述基站的信号后透射至所述基站另一侧的所述用户的通信链路；

所述透反射超表面包括多个超表面单元，每一个所述超表面单元包括多个二极管，通过调节所述二极管的通断，以调整每个所述超表面单元的相位，使得所述用户通过所述通信链路接收到的多路信号的相位相同。

可选的，对于任一所述超表面单元，出射信号相比于入射信号的增益为：

其中，g为所述超表面单元的天线增益；k^a(m)为入射信号增益，m为超表面单元；为透射信号增益或反射信号增益，i为用户，j为虚数单位；当为透射信号增益时，gm为透射信号的出射信号相比于入射信号的增益，当为反射信号增益时，gm为反射信号的出射信号相比于入射信号的增益；δ为单元面积；ψm为所述超表面单元的相位。

可选的，当为透射信号增益时，其中，为用户i的出射信号与垂直于所述超表面单元的z轴的夹角；

当为透射信号增益时，其中，ε为透射信号与反射信号的功率比。

一种透反射超表面的相位调整方法，包括：

获取透反射超表面与基站的第一距离、所述透反射超表面与用户的第二距离、以及所述基站与所述用户的第三距离；

根据所述第一距离以及所述第二距离确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；所述第一莱斯信道包括反射链路上的莱斯信号以及透射链路上的莱斯信道；

根据所述第三距离确定直连链路上的第二莱斯信道；

根据所述第一莱斯信道以及所述第二莱斯信道确定多用户的下行传输总速率；

根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离确定所述超表面单元的相位；

基于所述多用户的下行传输总速率，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位，使得用户接收的多路信号相位相同。

可选的，所述根据所述第一距离以及所述第二距离确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道，具体包括：

根据所述第一距离以及第二距离确定传统瑞利信道；

基于所述传统瑞利信道，根据公式确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；其中，hm为第一莱斯信道；κ为由传播环境决定的常数；为传统瑞利信道。

可选的，所述根据所述第一莱斯信道以及所述第二莱斯信道确定多用户的下行传输总速率，具体包括：

利用确定多用户的下行传输总速率；其中，r多为多用户的下行传输总速率；n为总用户数；n为当前用户编号；p为基站发射信号功率；hn为用户n的各信道之和；σ²为高斯噪声功率。

可选的，所述根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离确定所述超表面单元的相位，具体包括：

根据公式确定所述超表面单元的相位；其中，ψm为所述超表面单元的相位；dbs，m为基站与超表面单元的距离；dm，mu为超表面单元与用户的距离；dbs，mu为基站到用户的距离；λ为信号波长；m为超表面单元总数，m为超表面单元的序号。

可选的，所述基于所述多用户的下行传输总速率，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位，使得用户接收的多路信号相位相同，具体包括：

基于所述多用户的下行传输总速率，判断所述超表面单元的相位是否满足最优相位条件，得到第一判断结果；所述最优相位条件为其中，为最优相位；δψ为单位相位间隔，l为所述超表面单元内的相位序号；

若所述第一判断结果表示为所述超表面单元的相位满足最优相位条件，确定所述超表面单元的相位为最优相位；

若所述第一判断结果表示为所述超表面单元的相位不满足最优相位条件，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位。

一种透反射超表面的相位调整系统，包括：

距离获取模块，用于获取透反射超表面与基站的第一距离、所述透反射超表面与用户的第二距离、以及所述基站与所述用户的第三距离；

第一莱斯信道确定模块，用于根据所述第一距离以及所述第二距离确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；所述第一莱斯信道包括反射链路上的莱斯信号以及透射链路上的莱斯信道；

第二莱斯信道确定模块，用于根据所述第三距离确定直连链路上的第二莱斯信道；

多用户的下行传输总速率确定确定模块，用于根据所述第一莱斯信道以及所述第二莱斯信道确定多用户的下行传输总速率；

超表面单元的相位确定模块，用于根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离确定所述超表面单元的相位；

最优相位确定模块，用于基于所述多用户的下行传输总速率，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位，使得用户接收的多路信号相位相同。

可选的，所述第一莱斯信道确定模块，具体包括：

传统瑞利信道确定单元，用于根据所述第一距离以及第二距离确定传统瑞利信道；

第一莱斯信道确定单元，用于基于所述传统瑞利信道，根据公式确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；其中，hm为第一莱斯信道；κ为由传播环境决定的常数；为传统瑞利信道。

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：本发明提出了一种超表面通信系统、超表面相位调整方法及调整系统，利用透反射超表面实现信号的透射和反射，可以360度同时服务各个方向的用户；此外，将透反射超表面部署在小区边缘，有效地提升小区边缘用户通信质量，拓展基站服务范围。

附图说明

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。

图1为本发明所提供的超表面通信系统结构示意图；

图2为本发明所提供的各夹角示意图；

图3为本发明所提供的通信链路信号传输图；

图4为本发明所提供的透反射超表面的相位调整方法流程图；

图5为本发明所提供的透反射超表面的相位调整系统结构图。

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。

本发明的目的是提供一种超表面通信系统、超表面相位调整方法及调整系统，能够360度同时服务各个方向的用户，提升小区边缘用户通信质量以及拓展基站服务范围。

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。

图1为本发明所提供的超表面通信系统结构示意图，如图1所示，一种超表面通信系统，包括：透反射超表面以及基站；所述透反射超表面、所述基站以及用户之间具有通信链路；所述通信链路包括直接链路、反射链路以及透射链路；所述直接链路为所述基站直接传输至用户的通信链路(与传统的蜂窝通信网络相同)；所述反射链路为所述透反射超表面接收到所述基站的信号后反射至所述基站同一侧的所述用户的通信链路；所述透射链路为超表面接收到所述基站的信号后透射至所述基站另一侧的所述用户的通信链路；所述透反射超表面包括多个超表面单元，每一个所述超表面单元包括多个二极管，通过调节所述二极管的通断，以调整每个所述超表面单元的相位，使得所述用户通过所述通信链路接收到的多路信号的相位相同；其中，反射链路与透射链路的性质由超表面决定。

在实际应用中，透反射超表面包含多个超表面单元，该超表面单元为可调相单元，每个单元可独立设计其出射信号(同时有透射信号和反射信号)与入射信号相位差；多个单元联合进行波束赋形，将接收到的来自基站的信号定向透、反射到指定位置。本发明利用相位可控的透反射超表面提高信号，能够实现下行通信增强，使得用户接收到的信号功率提升，从而提高通信传输速率。

超表面由多个超表面单元整齐排列组成，每个单元包含多个二极管。通过调节二极管的通断，可以进行相位调节。假设每个单元包含s个相位，记作lδψ，其中，每个单元会将接收到的信号按照功率比例进行透射和反射，将透射信号与反射信号功率之比记作ε；透射与反射信号将分别被发送到两侧的不同用户，从而同时增强这些用户的接收信号强度；ε对于两侧具体的信号强度产生影响(如下面的表达式所示)，其取值的不同会影响到最终相位设计的结果；受ε取之影响的优化问题的数学表达式将在步骤1中给出。对于入射、透射和反射信号，各个方向的信号增益有所不同，单元m入射信号增益记作k^a＝(m)＝|cos³θ^a(m)|，到用户i的透射与反射信号增益记作：

其中上面为反射信号增益，下面为透射信号增益。各夹角表示如图2所示，θ^a为入射信号与垂直于单元的z轴的夹角，为用户i的出射信号与垂直于所述超表面单元的z轴的夹角。

对于超表面单元m，出射信号相比于入射信号的增益可以表达为其中g为单元的天线增益，为常数，δ为单元面积，ψm为单元相位。

基于以上超表面单元的特性，可以通过联合设计多个单元的相位，使得用户接收的多路信号相位相同，从而最大化用户接收信号强度，提升网络总传输速率。

图3为本发明所提供的通信链路信号传输图，如图3所示，用户可以通过直连链路接收到基站的直连信号(可能质量较差)。另外基站的信号会被超表面单元收到，每个单元对接收到的信号进行相位调整，并将调整后的信号同时透射和反射(按一定比例，具体比例由超表面材料决定)上图中添加了比例的描述，透射信号能量与反射信号能量之比为ε，其取值由超表面材料结构等所决定，对于一个超表面而言是固定值。用户接收到来自超平面的透/反射信号(透射还是反射由位置决定)，可以对直连信号进行增强，从而提升接收信号强度；其中，mu1，mu2为用户1，用户2；h1，h2为用户1和2接收信道增益之和；z1，z2为接收符号；为第k个天线发射，经过超表面单元m，到达用户1/2的信道增益。

图4为本发明所提供的透反射超表面的相位调整方法流程图，如图4所示，一种透反射超表面的相位调整方法，包括：

步骤401：获取透反射超表面与基站的第一距离、所述透反射超表面与用户的第二距离、以及所述基站与所述用户的第三距离。

步骤402：根据所述第一距离以及所述第二距离确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；所述第一莱斯信道包括反射链路上的莱斯信号以及透射链路上的莱斯信道。

所述步骤402具体包括：根据所述第一距离以及第二距离确定传统瑞利信道；基于所述传统瑞利信道，根据公式确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；其中，hm为第一莱斯信道；κ为由传播环境决定的常数；为传统瑞利信道。

步骤403：根据所述第三距离确定直连链路上的第二莱斯信道。

步骤404：根据所述第一莱斯信道以及所述第二莱斯信道确定多用户的下行传输总速率。

所述步骤404具体包括：利用确定多用户的下行传输总速率；其中，r多为多用户的下行传输总速率；n为总用户数；n为当前用户编号；p为基站发射信号功率；hn为用户n的各信道之和；σ²为高斯噪声功率。

步骤405：根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离确定所述超表面单元的相位。

所述步骤405具体包括：根据公式确定所述超表面单元的相位；其中，ψm为所述超表面单元的相位；dbs，m为基站与超表面单元的距离；dm，mu为超表面单元与用户的距离；dbs，mu为基站到用户的距离；λ为信号波长；m为超表面单元总数，m为超表面单元的序号。

步骤406：基于所述多用户的下行传输总速率，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位，使得用户接收的多路信号相位相同。

所述步骤406具体包括：基于所述多用户的下行传输总速率，判断所述超表面单元的相位是否满足最优相位条件，得到第一判断结果；所述最优相位条件为其中，为最优相位；δψ为单位相位间隔，l为所述超表面单元内的相位序号；若所述第一判断结果表示为所述超表面单元的相位满足最优相位条件，确定所述超表面单元的相位为最优相位；若所述第一判断结果表示为所述超表面单元的相位不满足最优相位条件，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位。

基于本发明所提供的透反射超表面的相位调整方法，将其应用于实际中，具体步骤如下：

步骤1：连续状态下的超表面相位设计。

首先讨论只有一个用户的情况。在上述的相位可控的透、反射超表面通信系统中，通过超表面单元m到达一个用户的透射/反射信道可以写作如下莱斯信道表达式

其中κ是由传播环境决定的常数，表达式为，

其中λ为信号波长，g，f等为发射与接收的天线增益，exp(…)为超表面单元影响以外的传输相位，dbs，m为基站与超表面单元距离，dm，mu为超表面单元与用户距离，为传统瑞利信道。

从基站到用户的直连链路也可以写作与上式相似形式的莱斯信道，记作hd。对于一个用户，可以接受到的信号为来自各信道的信号加和。各信道加和可以表示为：

即各个超表面单元的透/反射链路信道与直接链路信道之和，因此，目标为最大化用户下行传输速率，可以写作：

其中p为基站发射信号功率，可以认为给定，σ²为高斯噪声功率。

对于单个用户，已知其位置后，当每个单元的透/反射信号的相位(即中的相位)都与直射径的相位exp(-j2πdbs，mu/λ)相同时(其中dbs，mu为基站到用户的距离)，可以得到最强信号接收功率，此时满足以下关系式：

其中，dbs，mu为基站与用户距离，dbs，m为基站到单元m的距离，dm，mu为单元m到用户的距离。

对于多用户情况，多个用户的总接收信号强度可以写成关于每个单元相位设计的凸问题，并通过凸优化处理工具求解获得。

多用户的下行传输总速率写作：

其中hⁱ为用户i的各信道之和，对应单用户中的h。上式对于每一个超表面单元的相位ψm都是一个凸函数；对于超表面上的m个单元，可以迭代依次求出每个单元的最优相位。

具体方式为：首先给单元2～m一个任意的相位值，通过matlab的凸优化工具求解出单元1的最优相位。之后给定该值和单元3～m的相位值，通过matlab的凸优化工具求解出单元2的最优相位。以此类推，直到每个单元的相位都更新一次。将每一个单元的相位都更新一次的过程称为一次迭代。算法会一直循环进行迭代，直到一次迭代对于多用户的下行传输总速率的提升小于一个给定的门限值ω。此时迭代结束，得到的各个单元的相位即为步骤1所得结果。

步骤2：离散状态下的超表面相位设计。

由于实际系统中每个单元的状态数有限，所以步骤1中所求的解不一定可以取到。在步骤1之后，记步骤1中所求得单元m的最优相位为由于该问题是凸问题，离散状态下的最优解一定为lδψ与(l+1)δψ之中一个，满足

对于整个超表面，每个单元的最优解均为二选一，最终的最优解可以通过分支定界法等经典算法高效解出。对于总共m个单元，超表面存在2^m种潜在的最优解。

首先给定任意一个相位状态，其对应的下行总速率被称作答案的“下边界”。在分支定界法中，沿着一个二叉树进行搜索。二叉树中每一个节点均包含m个单元的状态，ψm的状态共有三种：未定，确定为lδψ和确定为(l+1λδψ。二叉树的根节点上，所有单元的状态都是“未定”。根节点有两个子节点，子节点上边有一个单元会由未定变成两个确定的潜在状态，比如单元m的ψm＝lδψ和ψm＝(l+1λδψ，而其余单元仍然是“未定”状态。对于全部未定的单元，可以给出一个潜在的答案的“上边界”。当这个“上边界”小于当前的“下边界”时，说明不会在这颗子树上得到最优解，从而对其进行剪枝。当得到一个优于当前“下边界”的答案时，将其更新为新的下边界，以提高剪枝效率。当二叉树上所有节点均被访问或剪枝后，算法结束，此时的“下边界”即为步骤2所得结果。

图5为本发明所提供的透反射超表面的相位调整系统结构图，如图5所示，一种透反射超表面的相位调整系统，包括：

距离获取模块501，用于获取透反射超表面与基站的第一距离、所述透反射超表面与用户的第二距离、以及所述基站与所述用户的第三距离。

第一莱斯信道确定模块502，用于根据所述第一距离以及所述第二距离确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；所述第一莱斯信道包括反射链路上的莱斯信号以及透射链路上的莱斯信道。

所述第一莱斯信道确定模块502，具体包括：传统瑞利信道确定单元，用于根据所述第一距离以及第二距离确定传统瑞利信道；第一莱斯信道确定单元，用于基于所述传统瑞利信道，根据公式确定所述透反射超表面上任一超表面单元达到所述用户的第一莱斯信道；其中，hm为第一莱斯信道；κ为由传播环境决定的常数；为传统瑞利信道。

第二莱斯信道确定模块503，用于根据所述第三距离确定直连链路上的第二莱斯信道。

多用户的下行传输总速率确定确定模块504，用于根据所述第一莱斯信道以及所述第二莱斯信道确定多用户的下行传输总速率。

超表面单元的相位确定模块505，用于根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离确定所述超表面单元的相位。

最优相位确定模块506，用于基于所述多用户的下行传输总速率，利用分支定界法调整所述超表面单元的相位，以确定所述超表面单元的最优相位，使得用户接收的多路信号相位相同。

在实际应用中，传统研究的超表面主要为反射超表面，不具备透射功能，但可以通过部署额外的中继节点来实现拓展服务范围，提升通信质量的效果，但需要额外的能量供给。而本发明不需要增加额外的中继节点，利用透反射超表面，可以同时为超表面两侧用户提供服务，基于通信链路即可拓展服务范围，提高通信质量及效率。

同时，基于最优相位设计，使得用户总速率达到最大值。

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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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。