一种基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控方法

本发明属于无线通信，更具体地，涉及一种基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控方法。

背景技术：

1、随着移动用户对数据的需求持续增长，移动网络也经历了日新月异的突破。相对于第四代移动通信技术(4g)而言，第五代移动通信技术(5g)使用更高频段的电磁波传递信息。电磁波的频率升高后，穿透能力变弱，绕射、散射不明显。这就导致了网络覆盖困难。解决这一问题的一个思路是利用动态可调的高指向性波束来增加接收信号强度。目前，已经有一些技术可以实现电磁波的即时调控，例如对喇叭天线、阵列天线等定向辐射天线进行机械转动，或者电控扫描有源相控阵天线，即给相控阵天线各个单元连接可控有源器件，对各单元的出射相位进行控制以实现电控扫描调控电磁波。但是，前者扫描速度慢且机械需要定期维护，后者系统复杂，成本高且维护困难。

2、全息波束赋形天线阵列(英文名：holographic beamforming mimo/hbf/holographic mimo surfaces/holographic antenna system)是超材料领域与通信领域相结合的新型硬件范式，其主要组成部分是人工电磁超材料。全息波束赋形天线阵列利用其上的天线单元改变射频信号的相位和幅度，通过大量天线单元的共同作用，可以实现准确的波束指向发射，增强用户的接收信号功率，抑制用户间干扰，从而提升传输速率和频谱效率。该技术有望极大缓解后5g时代面临的无线网络成本高、能耗高等技术痛点。

3、本发明考虑的问题是在限定发射功率的情况下，最大化终端处的接收信号功率。n单元阵列的增益可以表示为：

4、

5、其中，ai(θ,φ)表示单元辐射模式，表示第i个单元的位置向量，表示指向(θ,φ)单位向量；β＝2πλ，λ为波长。表示产生波束方向的相位激励，为振幅激励。为了使接收功率最大化，问题可以表述为：

6、

7、其中，pt表示传输功率，pl表示路径损耗。

8、然而，在实际运用中，以上问题的求解面临诸多困难：

9、1、快速变化的无线信道：由于用户端的多路径和移动性，无线信道条件迅速变化，并对不同的用户遵循各种随机模式。因此，当使用一个用户作为参考源时，就不能保证一个稳定的信道条件，天线系统本身变得不可靠。

10、2、有限反馈：当测量在终端处完成时，波束质量反馈在数量和精度方面都受到有限的控制信道开销的限制，因此，进行大量的信道测量或精确的信息交换变得不可能。

11、3、高复杂度：在现有的绝大部分研究中，波束赋形算法是基于无线信道信息(channel state information,csi)实现的，其复杂度至少为o(n2)或者更高。这种方法计算复杂度高，设备和功耗成本让运营商无法承受，算法的实时性无法满足高速移动场景的应用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺点和改进需求，本发明提供了一种基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控方法，旨在降低算法的时间复杂度以及提高调控的灵活度。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控方法，所述全息波束赋形阵列为k比特调控，k≥2，所述调控方法包括：

3、s1，将所有全息波束赋形阵列中的单元分为多组；

4、s2，改变其中一组单元的相位，进行扫描并获取终端设备的反馈数据；遍历2k种相位，将所述其中一组单元的相位调整为反馈数据最大时对应的最优相位；其中，所述反馈数据为终端设备接收信号强度；

5、s3，重复s2，直至确定各组单元的最优相位；

6、s4，比较各组单元的最优相位对应的反馈数据，将其中最小的若干反馈数据所对应组的单元的相位固定；再将剩余单元重新划分为多组，其中，当前分组中每组包括的单元个数小于上一次分组；

7、s5，对当前划分的组执行s2，直至终端设备的反馈数据满足需求。

8、进一步地，所述调控方法还包括：

9、s6，对s4中首次固定相位的单元重新分组，使每组包括的单元个数较之前减少；改变其中一组单元的相位，进行扫描并获取终端设备的反馈数据；遍历2k种相位，将所述其中一组单元的相位调整为反馈数据最大时对应的最优相位。

10、进一步地，接收信号强度的指标包括cqi、snr、sinr、rsrp、rsrq、rssi。

11、进一步地，所述s1中，按照行、列、或块将所有全息波束赋形阵列中的单元均匀分为多组。

12、第二方面，本发明提供了一种基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控装置，所述全息波束赋形阵列为k比特调控，k≥2，所述调控装置包括：

13、第一划分模块，用于将所有全息波束赋形阵列中的单元分为多组；

14、最优相位确定模块，用于改变其中一组单元的相位，进行扫描并获取终端设备的反馈数据；遍历2k种相位，将所述其中一组单元的相位调整为反馈数据最大时对应的最优相位；其中，所述反馈数据为终端设备接收信号强度；

15、第一重复模块，用于重复执行所述最优相位确定模块的操作，直至确定各组单元的最优相位；

16、第二划分模块，用于比较各组单元的最优相位对应的反馈数据，将其中最小的若干反馈数据所对应组的单元的相位固定；再将剩余单元重新划分为多组，其中，当前分组中每组包括的单元个数小于上一次分组；

17、第二重复模块，用于对当前划分的组依次执行所述最优相位确定模块、第一重复模块、第二划分模块的操作，直至终端设备的反馈数据满足需求。

18、进一步地，所述调控装置还包括：

19、第三划分模块，用于对执行所述第二划分模块的操作中首次固定相位的单元重新分组，使每组包括的单元个数较之前减少；改变其中一组单元的相位，进行扫描并获取终端设备的反馈数据；遍历2k种相位，将所述其中一组单元的相位调整为反馈数据最大时对应的最优相位。

20、进一步地，接收信号强度的指标包括cqi、snr、sinr、rsrp、rsrq、rssi。

21、进一步地，所述第一划分模块，具体用于按照行、列、或块将所有全息波束赋形阵列中的单元均匀分为多组。

22、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：

23、处理器；以及

24、存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

25、其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行第一方面所述的基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控方法。

26、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如第一方面所述的基于尺度细化的全息波束赋形阵列多比特调控方法。

27、总体而言，通过本发明提出的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

28、本发明采取尺度细化的方式，对影响较小的部分粗略求解，对影响大的部分逐步精确求解，从而确定全息阵列的最优相移，进而逐步提高接收端的信号强度(接收信号强度的指标，包括cqi、snr、sinr、rsrp、rsrq、rssi)，最后根据需求来决定迭代的次数，确定全息mimo单元阵列波束赋形的最优相位分布。该方法通过阵列尺度细化逐步迭代，极大地降低了算法的时间复杂度，复杂度仅为o(n)，提高了调控的灵活度，减小了量化损失，波束赋形更精确，具有更高的控制精度。