【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信及人工电磁新材料，特别是一种信息超构材料的任意波束合成方法及装置。
技术介绍
1、信息超构材料指一类通过精心设计的人工电磁材料，可以实现自然界中罕见的独特电磁特性，建立信息空间和电磁空间之间的连接。作为信息超构材料的二维形式，智能超表面因其低成本、低功耗、有利于共形设计等特性，在无线通信领域受到了广泛的关注和研究。通过调控电磁单元的反射信号相位，智能超表面能够主动调控无线信道的多种特性，实现通信系统的覆盖增强和性能倍增，是下一代移动通信系统的潜在使能技术。
2、波束合成技术是智能超表面辅助无线通信领域的关键技术之一。通过调控各个组成单元的反射相位编码，智能超表面能够将反射波束智能聚焦至某一个或多个方位，达到波束合成的效果。传统的基于智能超表面的波束合成技术通常采用相位补偿或全息的方法实现多个电磁单元反射的信号在接收端的相位对齐。具体来说，在远场区域，可采用具有均匀相位梯度分布的相位编码配置智能超表面以实现接收端的信号相位对齐；在近场区域，可通过测算电磁单元与收发端距离得到补偿光程差所需的相位编码配置。然而当前实现智能超表面波束合成的瓶颈之一在于，无法对反射波束实现波束指向、波束个数、波束宽度和波束增益的灵活调控，通常局限于在有限个方向或位点的信号增强或抑制。同时，仅反射相位可调的智能超表面特性也成为该问题难度增加的关键。因此，如何实现智能超表面反射波束的灵活调控是智能超表面辅助无线通信领域的关键问题之一。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术
2、本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
3、根据本专利技术提出的一种信息超构材料的任意波束合成方法，包括：
4、建立信息超构材料的波束合成模型；
5、根据波束合成模型，通过相位补偿方法生成任意指向的单波束；
6、基于分割原理调控单波束的波束宽度，再基于叠加原理实现同时反射多个可调宽度的波束；
7、设计信息超构材料的任意波束合成损失函数，迭代优化多个可调宽度的波束的方向图，使任意波束合成损失函数收敛到最小值，从而得到任意波束合成相位编码；
8、将任意波束合成相位编码加载至信息超构材料的相位编码配置装置，实现信息超构材料的任意波束合成。
9、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，建立信息超构材料的波束合成模型，包括：
10、以信息超构材料为原点建立三维直角坐标系，固定发射天线的位置坐标，并确定待合成波束所属的位置区域，在所确定的位置区域内均匀采样得到描述接收天线潜在位置的接收天线网格点；分析发射天线发射的无线电波经过信息超构材料反射后在接收天线网格点的功率分布情况，建立信息超构材料的波束合成模型。
11、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，根据波束合成模型，通过相位补偿方法生成任意指向的单波束；包括：
12、基于建立的信息超构材料的波束合成模型，测算信息超构材料中每个电磁单元与发射天线的距离、信息超构材料中每个电磁单元与接收天线的距离；将这二个距离求和，并根据工作频段及无线电波波长，得出每个电磁单元应补偿的相位；通过配置信息超构材料中每个电磁单元的反射相位补偿该相位，从而生成任意指向的单波束。
13、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，基于分割原理调控单波束的波束宽度，包括：
14、基于分割原理，根据预设的单波束的宽度在接收天线网格点中确定待覆盖区域，将待覆盖区域和信息超构材料同时分为多个子块，使信息超构材料的各个子块与待覆盖区域的各个子块一一对应；根据波束合成模型、通过相位补偿方法生成任意指向的单波束的方法，使信息超构材料的每个子块生成指向对应的待覆盖区域子块的波束，从而，整块信息超构材料的反射波束覆盖整块待覆盖区域。
15、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，基于叠加原理实现同时反射多个可调宽度的波束；包括：
16、基于叠加原理，给定多组已根据分割原理调整好波束宽度的波束相位配置，将给定的多组波束相位配置转化为对应的反射系数，将这些反射系数直接叠加并执行归一化操作，实现同时反射多个可调宽度的波束。
17、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，
18、设计信息超构材料的任意波束合成损失函数，迭代优化多个可调宽度的波束的方向图，使任意波束合成损失函数收敛到最小值，从而得到任意波束合成相位编码；具体如下：
19、根据预设的信息超构材料反射波束的波束指向、波束个数、波束宽度和波束增益参数，结合建立的信息超构材料的波束合成模型，定义信息超构材料的任意波束合成损失函数；
20、以基于分割原理和叠加原理调控后实现的、同时反射的多个可调宽度的波束作为优化变量初值，根据任意波束合成损失函数，用迭代搜索的优化算法，使任意波束合成损失函数收敛到最小值，得到任意波束合成相位编码。
21、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，将任意波束合成相位编码加载至信息超构材料的相位编码配置装置，实现信息超构材料的任意波束合成；具体如下：
22、将任意波束合成相位编码加载至信息超构材料的相位编码配置装置，该相位编码配置装置包括信息超构材料、与信息超构材料匹配的控制电路模块、信号传输线缆和上位机，上位机通过控制电路模块将任意波束合成相位编码传输至信息超构材料，以配置信息超构材料各个电磁单元反射相移，实现信息超构材料的任意波束合成。
23、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，依据叠加原理，对多个波束的反射系数进行叠加来合成所需的波束模式，波束模式的相位设计为：
24、
25、其中，表示信息超构材料中用于生成第s个波束的第i个电磁单元的相位，as表示第s个波束的权重，s为波束个数，为虚数单位，为经过叠加后信息超构材料中第i个智能超表面电磁单元的相位，e为自然底数。
26、作为本专利技术所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法进一步优化方案，任意波束合成损失函数jtotal(θ)为：
27、jtotal(θ)＝λ1j1(θ)+λ2j2(θ)
28、其中，j1(θ)用于衡量生成波束与理想波束之间的差异，j2(θ)为附加约束，λ1、λ2分别为j1(θ)、j2(θ)的对应权重系数；
29、
30、其中，w为权重矢量，上标t表示转置，arx为接收机位置决定的阵列响应矩阵，θ为信息超构材料反射系数矩阵，atx为发射机位置决定的阵列响应矢量，上标本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，建立信息超构材料的波束合成模型，包括：
3.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，根据波束合成模型，通过相位补偿方法生成任意指向的单波束；包括：
4.根据权利要求2所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，基于分割原理调控单波束的波束宽度，包括：
5.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，基于叠加原理实现同时反射多个可调宽度的波束；包括：
6.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，
7.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，将任意波束合成相位编码加载至信息超构材料的相位编码配置装置，实现信息超构材料的任意波束合成；具体如下：
8.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，依据叠加原理，对多个波束的反射系数进行叠加
9.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，任意波束合成损失函数Jtotal(Θ)为：
10.一种信息超构材料的任意波束合成装置，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，建立信息超构材料的波束合成模型，包括：
3.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，根据波束合成模型，通过相位补偿方法生成任意指向的单波束；包括：
4.根据权利要求2所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，基于分割原理调控单波束的波束宽度，包括：
5.根据权利要求1所述的一种信息超构材料的任意波束合成方法，其特征在于，基于叠加原理实现同时反射多个可调宽度的波束；包括：
6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐万恺，滕晓坤，陈宇轩，任晏清，陈伟聪，金石，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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