一种基于时分复用的智能超表面控制方法、装置及系统

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于时分复用的智能超表面控制方法、装置及系统。

背景技术：

在5g无线通信领域甚至是未来6g无线通信领域，毫米波技术都作为一项关键技术有着极其重要的作用，但是，毫米波又有着十分致命的缺陷，遇到障碍物时损耗严重，导致通信效果不理想。

为了解决这个问题，现有技术是在无线通信环境增加一种特殊制造的、低成本、可编程的智能超表面(ris/largeintelligentsurface/reconfigurableintelligentsurface/softwaredefinedsurface/metasurface/irs/intelligentreflectingsurface/reconfigurablemeta-surfaces/holographicmimo等，下文均用ris表述)来辅助通信。智能超表面的主要组成部分是可编程人工电磁表面结构，该结构是一种由大量亚波长单元按照周期或非周期性的排列组成的，具有可重配电磁特性的二维薄层；基本单元通常由金属、介质和可调器件构成，通过控制反射单元的可调部分，例如电磁波的幅度、相位，能够实现对电磁波传播方向的调控。

如图1所示，当基站(basestation)与用户设备(ue)之间有阻隔时，可以通过在合适的位置加装一块ris，利用其上的反射单元改变入射到表面的电磁波的相位或幅度，通过大量反射单元的共同作用，可以实现电磁波的定向反射，从而使得基站信号可以绕过阻挡物到达用户。

如图2所示，每个反射单元里面的符号θn(n＝1，2，…，n)表示该单元的相移，这些单元的相移可由智能超表面的控制器控制，现今智能超表面的控制方法是使用一个控制器io口控制一个反射单元，这种方法虽然简单，但是由于智能超表面往往有大量的反射单元，因此需要大量的控制器io口资源，导致硬件实现成本居高不下，进而导致智能超表面无法实现更大规模的阵列。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于时分复用的智能超表面控制方法、装置及系统，由此解决现有的智能超表面控制方法导致硬件实现成本居高不下，进而导致智能超表面无法实现更大规模的阵列的技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于时分复用的智能超表面控制方法，包括以下步骤：

s1：确定智能超表面各个反射单元的反射系数；

s2：将所述反射系数转换成相应的控制信号；

s3：通过时分复用的方式，将所述控制信号并行输出到智能超表面，以控制所述各个反射单元。

另一方面，本发明提供了一种实现上述的基于时分复用的智能超表面控制方法的控制装置，包括：

控制器，用于确定智能超表面各个反射单元的反射系数，并将所述反射系数转换成相应的控制信号；

移位寄存器，所述移位寄存器输入端与所述控制器连接，输出端与多个反射单元连接，用于将所述控制信号通过时钟信号和使能信号进行转换，并将转换后的并行信号输出到智能超表面，以控制所述多个反射单元。

进一步地，所述控制器还用于将同一个移位寄存器控制的信号编码在一串数字中进行输出；通过控制移位寄存器的时钟信号，将串行的编码信号并行输出到锁存器；待锁存器所有位的信号均就位后，使能锁存器将转换后的并行信号输出到智能超表面。

进一步地，所述装置还包括：

电平转换电路，所述电平转换电路串接在所述移位寄存器和所述智能超表面之间。

另一方面，本发明还提供了一种实现上述的基于时分复用的智能超表面控制方法的控制装置，包括：

控制器，用于确定智能超表面各个反射单元的反射系数，并将所述反射系数转换成相应的控制信号；所述控制信号为表征需要进行控制的反射单元的地址；

所述控制器还用于将所述控制信号写入地址总线中，由地址总线直接寻找所述需要进行控制的反射单元，从而将所述控制信号通过数字逻辑电路进行转换后并行输出到智能超表面，以控制所述多个反射单元。

进一步地，所述装置还包括：

译码器，所述控制器还用于将地址总线接入到所述译码器的输入端用作寻址，使能control位，将通过数字逻辑电路转换后的并行信号输出到智能超表面；control信号用于控制数字逻辑电路是否有效。

进一步地，所述译码器部分引脚空接。

进一步地，所述装置还包括：

电平转换电路，所述电平转换电路串接在所述数字逻辑电路和所述智能超表面之间。

进一步地，所述数字逻辑电路为锁存器或触发器。

另一方面，本发明还提供了一种基于时分复用的智能超表面控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述的基于时分复用的智能超表面控制方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过时分复用的方式实现了利用少数引脚控制大规模的智能超表面阵列的目的，降低了系统的总体成本，同时使得更大规模的智能超表面得以实现。

(2)本发明利用移位寄存器实现串并转换，或者利用地址总线和数据总线来访问并控制智能超表面反射单元；将控制器引脚进行时分复用，实现了利用少数控制器引脚控制大规模反射单元的目的，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率。

(3)本发明利用移位寄存器实现串并转换，或者利用地址总线和数据总线来访问并控制智能超表面反射单元，使得控制器与智能超表面之间增加了一层缓冲，有利于将控制器与智能超表面进行适当的隔离，避免出现故障后全部损坏的情况。

(4)本发明在数字逻辑电路和智能超表面之间串接电平转换电路，或在移位寄存器和智能超表面之间串接电平转换电路，都能够适应智能超表面的不同电压需求。

附图说明

图1是ris辅助的无线通信系统架构图；

图2是本发明提供的智能超表面示意图；

图3是本发明提供的一种基于时分复用的智能超表面控制方法流程图；

图4-1至图4-3是三种不同的基于地址总线的控制装置示意图；

图5是基于移位寄存器的控制装置示意图；

图6是智能超表面反射单元等效电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图3，本发明提供了一种基于时分复用的智能超表面控制方法，包括：

s1：确定智能超表面各个反射单元的反射系数；

s2：将所述反射系数转换成相应的控制信号；

s3：通过时分复用的方式，将所述控制信号并行输出到智能超表面，以控制所述各个反射单元。

需要说明的是，智能超表面各个反射单元的反射系数，就是它的相移变化，可以通过常规实验来确定，本实施例提供两种优选的方案，在保证时间复杂度低的前提下能有比较高的准确度。

方案一，具体包括：s11：为每个反射单元设置一个初始反射系数，并激活智能超表面上所有反射单元；各个反射单元被激活后可以反射射向其的电磁信号；s12：将所有反射单元进行分组，改变其中一组反射单元的反射系数，并固定其余反射单元的反射系数使智能超表面在不同反射系数的条件下进行扫描；比较终端设备反馈的信号强度，并基于最大的信号强度确定所述其中一组反射单元的最优反射系数；s13：改变下一组反射单元的反射系数，并固定其余反射单元的反射系数使智能超表面在不同反射系数的条件下进行扫描；比较终端设备反馈的信号强度，并基于最大的信号强度确定所述下一组反射单元的最优反射系数；s14：重复步骤s13，直至确定每个反射单元的反射系数。

其中，终端设备反馈的信号强度的指标，包括cqi、snr、sinr、rsrp、rsrq、rssi；终端设备在每次扫描后都进行一次反馈，由ris进行比较；或者，由ris向终端设备发送指令，指示终端设备在未来k个时序内ris会进行连续扫描，待连续扫描过后，由终端设备进行比较，确定接收信号强度最大时所对应的最优反射系数，并反馈给ris。

本发明运用分组迭代的方法，依次改变每一组反射单元的反射系数，并固定其余反射单元的反射系数，使ris在不同反射系数的条件下进行扫描；通过比较终端设备反馈的信号强度，确定每一组反射单元的最优反射系数，由此确定每个反射单元的反射系数。如此，也能在保证时间复杂度低的前提下有比较高的准确度。

方案二，具体包括：s11＇：给定智能超表面反射信号主波瓣的初始角度，在智能超表面上选择部分反射单元，并将其激活；各个反射单元被激活后可以反射射向其的电磁信号；所述角度包括俯仰角和方位角；s12＇：改变智能超表面反射信号主波瓣的角度，使智能超表面利用不同方向波束进行扫描，并接收终端设备反馈的信号强度；s13＇：将步骤s12＇中每次扫描后反馈的信号强度进行比较，确定一个接收信号强度最大的波束方向，由此确定第一角度范围；s14＇：激活更多反射单元，在所述第一角度范围内，执行步骤s12＇和s13＇，确定第二角度范围；直至所有反射单元均被激活，由此确定最优角度；s15＇：基于所述最优角度，计算各个反射单元反射系数。

其中，终端设备反馈的信号强度的指标，包括cqi、snr、sinr、rsrp、rsrq、rssi；终端设备在每次扫描后都进行一次反馈，由ris进行比较；或者，由ris向终端设备发送指令，指示终端设备在未来k个时序内ris会进行连续扫描，待连续扫描过后，由终端设备进行比较，确定一个接收信号强度最大的波束方向，并反馈给ris。

本发明运用分级扫描的方法，波束由宽到窄，首先利用宽波束覆盖范围广的特性，确定接收天线的大致范围，接着在第一阶段中被宽波束覆盖的方向利用更窄的波束进行扫描，在更小的扫描范围内，使用分辨率更高的波束，波束对准接收天线的精度也会越高；由此确定最优方位角和最优俯仰角，进而计算得到各个反射单元反射系数。如此，在保证时间复杂度低的前提下能有比较高的准确度。

参阅图4-1至4-3，在智能超表面辅助通信系统中，提供一种基于地址总线式的控制装置，利用地址总线和数据总线来访问并控制智能超表面反射单元，将控制器引脚进行时分复用，从而实现利用少数控制器引脚控制大规模反射单元的目的。

如图4-1所示，是一种通过译码器和锁存器实现的方案，将智能超表面分为若干组，每组n个反射单元，每一组均使用一个至少n位的锁存器与该组内的反射单元相连，锁存器的锁存控制信号由译码器和控制器的总控制信号经过运算得到(根据不同的锁存器和译码器类型做不同运算，例如译码器输出为独热码且锁存器的锁存使能位为高有效时做与运算)，n位的数据总线与每一个锁存器的输入直接相连，地址总线接入到译码器的输入端用作寻址。其中锁存器的le端口是锁存使能端口，当其为高时会将锁存器输入端的信号输出到锁存器输出端，为低时锁存器输出为上一次为高时的锁存输出而与当前锁存器输入无关。control信号是控制器输出用于控制是否要使锁存器有效的信号。

由控制器决策哪一组反射单元需要进行控制，生成相应的地址写入到地址总线中，将需要的数据发送到数据总线上，置control为有效便可以完成一次控制过程，最后将control置为无效等待下一次控制。上文所提的锁存器和译码器情况下control信号为高有效。此外，若锁存器的锁存使能位为低有效且译码器输出为独热码时，做与非运算，control信号为高有效；若锁存器的锁存使能位为高有效且译码器输出为独热的反码时，做或非运算，control为低有效；若锁存器的锁存使能位为低有效且译码器输出为独热的反码时，做或运算，control为低有效。

如图4-2所示，是一种取消了译码器的方案，由地址总线直接寻找智能超表面的反射单元，这时控制器无需提供地址有效信号control，当不需要寻址时直接令地址总线上的值均置为对锁存器的无效使能，当需要选择某些反射单元进行控制时，可以由地址总线提供信号并将相应的锁存器置为有效，令数据总线写入相应的数据，达到控制智能超表面的目的。

如图4-3所示，是一种令译码器部分引脚空接的方案，在不需要控制超表面反射单元时，可以通过地址总线令译码器有效位为空接引脚，此时便不会有反射单元被选中而被数据总线改变状态，因此这种方案也不需要control信号。

以上三种方案中的锁存器也可以替换为触发器等具有储存功能的数字逻辑电路，只需要将控制方案针对此种逻辑电路进行专门修改即可。

参阅图5，在智能超表面辅助通信系统中，还提供一种基于移位寄存器的控制装置，利用移位寄存器实现串并转换，从而实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的。

通过移位寄存器可以将控制信号通过唯一的输入引脚分时输入到移位寄存器中，再通过时钟信号和使能信号的配合进行并行输出，这样可以令一个控制器引脚控制多个反射单元，其他的反射单元同样可以用移位寄存器进行控制，而所有的移位寄存器的时钟信号和使能信号可以分别都使用控制器的同一个输出引脚控制。更具体地，将同一个移位寄存器控制的信号编码在一串数字中进行输出；控制移位寄存器的时钟信号，将串行的编码信号并行输出到锁存器；待锁存器所有位的信号均就位后，使能锁存器将转换后的并行信号并行输出到智能超表面。这样就实现了使用少量的控制器引脚控制大量的智能超表面反射单元的目的，大大节省了控制器的开销，降低了智能超表面系统的成本。

此外，为了适应智能超表面的不同电压需求，可能还需要在输入信号和反射单元间加入电平转换电路等结构，如图6所示。在基于地址总线的控制方案中，电平转换电路加载在锁存器和反射单元间；在基于移位寄存器的控制方案中，电平转换电路加载在移位寄存器和反射单元间，而移位寄存器本身包括锁存器，实际上也是将电平转换电路加载在移位寄存器的锁存器和反射单元间。控制信号通过电平转换电路加到输入端对反射单元进行控制，通过设置好外围的电平转换电路的参数确定不同的控制信号最终加入到反射单元上的电压值。其中反射单元中的二极管可以是变容二极管、可以是pin二极管，也可以是mems单元。

本发明还提供了一种基于时分复用的智能超表面控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述的基于时分复用的智能超表面控制方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。