一种基于可重构超表面的物联网通信与感知方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，该方法包括以下步骤：步骤一，设计可重构超表面的单元结构；步骤二，优化可重构超表面的单元传输损耗；步骤三，实现可重构超表面的编码控制；步骤四，调整相位编码模式，实现单波束；步骤五，利用优化算法实现细粒度、低旁瓣的多波束；步骤六,通过超表面相位配置和主辐射区域之间的确定性映射检测目标的相对方向；步骤七,根据目标的相对方向,选择对应的相位编码实现波束对齐,进行通信和感知。本发明专利技术公开的方法可以实现使廉价的物联网设备也具备波束成形的能力，且具有较高的面积效率。积效率。积效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可重构超表面的物联网通信与感知方法


[0001]本专利技术涉及物联网通信和感知领域，特别涉及一种基于可重构超表面的物联网通信与感知方法。
技术背景
[0002]波束成形可以广泛提高物联网应用的通信和感知能力。发射器可以通过波束成形将信号功率集中到目标接收器，有效提高链路容量，还可以通过多波束来实现许多新应用，例如用于教育和游戏的多用户无线虚拟现实，保证高带宽数据流向每个用户。定向波束还可以降低窃听风险，从而提高保密能力。在无源传感应用中，定向波束可以使无线电聚焦在期望目标上，从而减少静态多径干扰和动态干扰，并提高传感可靠性。
[0003]现有的波束成形方法主要分为以下2类：
[0004]第一类：基于天线阵列的波束成形方法。许多研究致力于在射频终端使用天线阵列来提高通信质量，如，BigStation，SWAN。其他研究人员利用多天线构建大规模多输入多输出(MIMO)系统或可重构相控阵来提高链路信噪比或实现空间复用。这些系统通常体积庞大，成本高昂，需要紧密集成天线、射频前端和基带硬件。因此，受外形尺寸、功耗和成本的限制，这类方法不适用于大多数现有物联网设备。
[0005]第二类：基于智能表面的波束成形方法。目前有许多研究试图通过在环境中部署一个智能表面，将波束成形能力带给低配置的物联网设备，提高通信链路质量，如MoVR，LAIA，和RFocus等。虽然这些系统可以实现波束成形，但它们受面积的限制十分大。例如，RFocus使用3200个天线元件，共6平方米的面积为无线链路实现了9dB的中值增益。但每次只有一部分单元被利用，只重定向了一小部分信号能量。也就是说，这类智能表面的面积利用效率有较高的提升空间。
[0006]综上所述，现有的波束成形技术在普适性和效率等方面存在不足。因此需要拥有更高可行性的波束成形技术。

技术实现思路

[0007]为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，该方法可以使廉价的物联网设备也具备波束成形的能力，既能增加无线信号的强度，又能大大提高感知的精度。
[0008]为了实现上述任务，本专利技术采取如下的技术解决方案：
[0009]一种基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，该方法包括以下步骤：
[0010]步骤一，设计可重构超表面的单元结构；
[0011]步骤二，优化可重构超表面的单元传输损耗；
[0012]步骤三，实现可重构超表面的编码控制；
[0013]步骤四,调整相位编码模式,实现单波束；
[0014]步骤五，利用优化算法实现细粒度、低旁瓣的多波束；
[0015]步骤六,通过超表面相位配置和主辐射区域(即波束方向图的主瓣)之间的确定性映射检测目标的相对方向；
[0016]步骤七,根据目标的相对方向,选择对应的相位编码实现波束对齐,进行通信和感知。
[0017]可选的，设计可重构超表面的单元结构，其中可重构超表面的单元结构，当射频信号辐射至单元表面时,通过调节偏置电压来控制PIN二极管的状态,进而实现辐射信号的相位产生变化；通过对每个可重构超表面的单元结构进行相位补偿，生成单波束方向图。
[0018]可重构超表面的单元结构包括两个尺寸相同的电介质基板，在电介质基板上表面设置有C型槽的矩形无源贴片，在电介质基板下表面设置有O型槽的矩形有源贴片，C型槽的矩形无源贴片与O型槽的矩形有源贴片同心设置，C型槽的矩形无源贴片与地面相连，O型槽的矩形有源贴片连接则与馈电层的单元偏置线相连。
[0019]优选的，步骤二，通过调整谐振频率和调整单元的结构参数和电介质基板的材料实现对可重构超表面的单元传输损耗的优化。
[0020]优选的，所述的步骤三，通过两个控制器和32个移位寄存器组成控制电路，使得C型槽的矩形无源贴片与O型槽的矩形有源贴片之间产生180度的相位偏差，从而实现可重构超表面的编码控制。
[0021]进一步地，所述的步骤四，调整相位编码模式，实现单波束，即通过对可重构超表面的单元结构任意一个单元相位分布及相位补偿计算，得到目标单波束方向图。
[0022]进一步地，所述的步骤五，利用优化算法实现细粒度、低旁瓣的多波束，即通过迭代调整可重构超表面的单元的相位配置合成所需的多波束方向图。
[0023]进一步地，所述的步骤六，通过超表面相位配置和主辐射区域之间的确定性映射检测目标的相对方向，即通过最大接收信号功率获取主辐射方向图，并得出可重构超表面的单元的相位配置，最后通过盲波束形成算法确定检测目标的相对方向。
[0024]本专利技术的基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，与现有技术相比，具有以下有益技术效果：
[0025]我们设计的可重构超表面可以有效地波束聚焦,重新引导通过它的射频信号,实现对电磁波的操控，从而使廉价的物联网设备也可以具有波束形成的能力。大量的实验证明，即使是相对较小的16*16的超表面单元阵列,也可以实现4.6dB平均值的信号强度提高。此外，可重构超表面系统可以有效地提高物联网链路的保密能力，实现非视距无线传感的应用。
附图说明
[0026]图1是本专利技术的基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法的流程图。
[0027]图2是本专利技术的基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法的部署图。
[0028]图3是可重构超编面单元结构的3D拆解图。其中图3(a)为可重构超表面单元的3D结构图,从下而上为有源贴片层,馈电层,GND层和无源贴片层。图3(b)为无源贴片层的俯视图。图3(c)为单元馈电层的俯视图。图3(d)为有源贴片层的俯视图。
[0029]图4为偏置电路示意图。
[0030]图5是可重构超编面单元优化后的S21参数图。
[0031]图6是用HFSS模拟得到的不同扫描角度下的辐射方向图。
[0032]图7是不同扫描角度的双波束方向图。
[0033]图8是在三种环境,不同距离下使用该方法,接收信号的强度增益。
[0034]图9是不同距离下通信的吞吐提升。
[0035]图10a图10b是在存在窃听者的情况下,物联网设备保密性的能力。
[0036]图11a图11b是环境中有干扰时对目标活动的感知精度。
[0037]图12a图12b是非视距场景下对目标呼吸的感知精度。
[0038]下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步地详细描述。
具体实施方式
[0039]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]本实施例给出一种基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，包括：
[0041]步骤一，设计可重构超表面的单元结构；
[0042]步骤二，优化可重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，设计可重构超表面的单元结构；步骤二，优化可重构超表面的单元传输损耗；步骤三，实现可重构超表面的编码控制；步骤四，调整相位编码模式，实现单波束；步骤五，利用优化算法实现细粒度、低旁瓣的多波束；步骤六,通过超表面相位配置和主辐射区域之间的确定性映射检测目标的相对方向；步骤七,根据目标的相对方向,选择对应的相位编码实现波束对齐,进行通信和感知。2.如权利要求1所述的基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，其特征在于，所述的步骤一，设计可重构超表面的单元结构，其中可重构超表面的单元结构，当射频信号辐射至单元表面时,通过调节偏置电压来控制PIN二极管的状态,进而实现辐射信号的相位产生变化；通过对每个可重构超表面的单元结构进行相位补偿，生成单波束方向图。3.如权利要求1或2所述的基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，其特征在于，所述的可重构超表面的单元结构包括至少两个的电介质基板，在电介质基板上表面设置有C型槽的矩形无源贴片，在电介质基板下表面设置有O型槽的矩形有源贴片，C型槽的矩形无源贴片与O型槽的矩形有源贴片同心设置。4.如权利要求3所述的基于可重构超表面的物联网通信与感知的方法，其特征在于，所述的电介质基板之间还设置有GND层和馈电层，C型槽的矩形无源贴片与地面相连，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓江，张扬帆，王晓静，李欣怡，冯超，房鼎益，王夫蔚，李珂，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：