低功耗的智能超表面硬件结构、预编码方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种低功耗的智能超表面硬件结构、预编码方法及装置，该硬件结构包括：多个子阵列、与每个子阵列一一对应的放大电路，以及与每个RIS单元对应的相移电路；其中，每个子阵列包括多个RIS单元，每个子阵列的不同RIS单元共用一个放大电路，每个RIS单元分别使用不同相移电路。该硬件结构通过由多个RIS单元构成的子阵列共用一个放大电路，有效解决有源RIS由于引入大量有源放大电路而带来的高功耗问题，相比传统全连接结构，本发明专利技术的智能超表面硬件结构可以获得显著的能效提升。其预编码方法以最大化系统能效为目标，优化了子连接有源RIS放大控制与相移控制，能够有效节省因大量放大电路消耗的系统能量。量放大电路消耗的系统能量。量放大电路消耗的系统能量。

【技术实现步骤摘要】
低功耗的智能超表面硬件结构、预编码方法及装置


[0001]本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种低功耗的智能超表面硬件结构、预编码方法及装置。

技术介绍

[0002]智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)被认为是未来6G通信的备选关键技术之一。如图1的a部分所示，RIS是由大量可调控信号相位的无源单元组成的大规模阵列，可以对入射信号进行智能调控，使其能够以高增益反射到任意指定方向上。由于RIS的成本和功耗都很低，它在克服中断、提升容量、节省发射功率等场景中都存在应用价值。
[0003]如图2所示，RIS的引入带来了“乘性路损效应”，即发射机
‑
RIS
‑
接收机链路的路损是两段信道路损的乘积(而不是加和)，这会使得其增益远远小于直射链路增益。这一“乘性路损效应”进而使得RIS在直射链路较强的场景中难以体现出明显优势而出现了致命的问题。为了克服“乘性路损效应”，一项名为有源RIS的新技术被提出，它可以在无论直射链路强或弱的场景下都能提高容量。具体而言，如图1的b部分所示，与传统无源RIS对信号只进行相位调控不同，有源RIS还在每个单元的相移电路之外集成了一个放大电路，使得RIS可以对反射信号进行放大，进一步使得乘性路损转化为加性路损。
[0004]然而，现有的有源RIS结构是一种每个单元集成独立的相移电路和放大电路的全连接结构，这使得有源RIS的功耗会随着单元数的增加而大大提高。以每个放大电路消耗静态功率10mW为例，一个1000单元的有源RIS仅在放大电路的静态功耗就要消耗10W，这已经可以和一个典型基站的发射功率相比拟，在实际部署中是难以接受的。因此，有源RIS需要不同于全连接结构的新结构来节省功耗。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种低功耗的智能超表面硬件结构、预编码方法及装置。
[0006]本专利技术提供一种低功耗的智能超表面硬件结构，包括：多个子阵列、与每个子阵列一一对应的放大电路，以及与每个智能超表面RIS单元对应的相移电路；其中，每个子阵列包括多个RIS单元，每个子阵列的不同RIS单元共用一个放大电路，每个RIS单元分别使用不同相移电路。
[0007]本专利技术还提供一种基于上述低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，包括：基于预调节每一相移电路的相位以及每一放大电路的放大系数，以实现波束赋形的预编码；以基站和RIS的最大功率为约束条件，确定使系统能效最大化的所有相移电路的相位和放大电路的系数的调节结果，作为对应的预编码方案；其中，所述系统为用户终端、RIS和基站构成的系统。
[0008]根据本专利技术一个实施例的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，所述系统
能效根据系统频谱效率和系统总功耗的比值确定。
[0009]根据本专利技术一个实施例的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，所述确定使系统能效最大化的所有相移电路的相位和放大电路的系数的调节结果之前，还包括：根据所有用户终端处解调信号的信噪比，确定系统频谱效率。
[0010]根据本专利技术一个实施例的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，所述根据所有用户终端处解调信号的信噪比，确定系统频谱效率之前，还包括，根据下式确定每一用户终端处解调信号的信噪比：
[0011][0012]其中，K为基站服务的用户数，j、k表示相应的单个用户；表示基站到用户k的等效信道；Ψ＝diag(ΘΓa)表示有源RIS的波束赋形矩阵；表示对角相移矩阵，表示放大系数向量，N为RIS单元总数，L表示放大电路数量；表示放大电路和相移电路的连接关系；和分别表示基站和用户k、基站和有源RIS、以及有源RIS和用户k之间的信道，M为基站天线数；表示基站波束赋形向量；σ2分别为有源RIS引入的动态噪声和用户处的加性高斯白噪声的参数。
[0013]根据本专利技术一个实施例的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，所述确定使系统能效最大化的所有相移电路和放大电路的调节结果之前，还包括根据如下公式确定系统总功耗：
[0014][0015]其中，ξ和ζ表示基站和有源RIS能量转换系数的倒数，W
U
和W
BS
表示用户终端和基站的静态功耗，W
PS
和W
PA
表示相移电路和放大电路的静态功耗；K为基站服务的用户数，k表示相应的单个用户，表示基站波束赋形向量；Ψ＝diag(ΘΓa)表示有源RIS的波束赋形矩阵；表示对角相移矩阵，表示放大系数向量；表示放大电路和相移电路的连接关系；表示基站和有源RIS之间的信道；N为RIS单元总数，L表示放大电路数量；为有源RIS引入的动态噪声的参数。
[0016]根据本专利技术一个实施例的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，所述确定
使系统能效最大化的所有相移电路的相位和放大电路的系数的调节结果，作为对应的预编码方案，包括：
[0017]S1.使用分式型优化丁克尔巴赫算法将系统能效优化问题转化为有理式规划问题；
[0018]S2.使用拉格朗日对偶方法引入辅助变量，将有理式规划问题转化为凸优化问题；
[0019]S3.保持其他变量不变，按顺序依次优化辅助变量、基站波束赋形、有源RIS放大控制与相移控制变量；
[0020]S4.重复S3，直至目标函数收敛；
[0021]S5.重复S2
‑
S4，直至目标函数收敛至0，此时得到的预编码方案为最大化系统能效的有源RIS预编码方案。
[0022]本专利技术还提供一种低功耗的智能超表面硬件结构的预编码装置，包括：分配模块，用于基于预调节每一相移电路的相位以及每一放大电路的放大系数，以实现波束赋形的预编码；处理模块，用于以基站和RIS的最大功率为约束条件，确定使系统能效最大化的所有相移电路的相位和放大电路的系数的调节结果，作为对应的预编码方案；其中，所述系统为用户终端、RIS和基站构成的系统。
[0023]本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法的步骤。
[0024]本专利技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法的步骤。
[0025]本专利技术提供的低功耗的智能超表面硬件结构、预编码方法及装置，通过由多个RIS单元构成的子阵列共用一个放大电路，有效解决有源RIS由于引入大量有源放大电路而带来的高功耗问题。相比传统全连接结构，本专利技术的智能超表面硬件结构可以获得显著的能效提升，可作为有源RIS的一种高能效实现方式。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低功耗的智能超表面硬件结构，其特征在于，包括：多个子阵列、与每个子阵列一一对应的放大电路，以及与每个智能超表面RIS单元对应的相移电路；其中，每个子阵列包括多个RIS单元，每个子阵列的不同RIS单元共用一个放大电路，每个RIS单元分别使用不同相移电路。2.一种基于权利要求1所述的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，其特征在于，包括：基于预调节每一相移电路的相位以及每一放大电路的放大系数，以实现波束赋形的预编码；以基站和RIS的最大功率为约束条件，确定使系统能效最大化的所有相移电路的相位和放大电路的系数的调节结果，作为对应的预编码方案；其中，所述系统为用户终端、RIS和基站构成的系统。3.根据权利要求2所述的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，其特征在于，所述系统能效根据系统频谱效率和系统总功耗的比值确定。4.根据权利要求3所述的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，其特征在于，所述确定使系统能效最大化的所有相移电路的相位和放大电路的系数的调节结果之前，还包括：根据所有用户终端处解调信号的信噪比，确定系统频谱效率。5.根据权利要求4所述的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，其特征在于，所述根据所有用户终端处解调信号的信噪比，确定系统频谱效率之前，还包括，根据下式确定每一用户终端处解调信号的信噪比：其中，K为基站服务的用户数，j、k表示相应的单个用户；表示基站到用户k的等效信道；Ψ＝diag(ΘFa)表示有源RIS的波束赋形矩阵；表示对角相移矩阵，表示放大系数向量，N为RIS单元总数，L表示放大电路数量；表示放大电路和相移电路的连接关系；和分别表示基站和用户k、基站和有源RIS、以及有源RIS和用户k之间的信道，M为基站天线数；w
j
、表示基站波束赋形向量；σ2分别为有源RIS引入的动态噪声和用户处的加性高斯白噪声的参数。6.根据权利要求3所述的低功耗的智能超表面硬件结构的预编码方法，其特征在于，所述确定使系统能效最大化的所有相移电路和放大电路的调节结果之前，还包括根据如下公式确定系统总功耗：
其中，ξ和ζ表示基站和有源RIS能量转换系数的倒数，W

【专利技术属性】
技术研发人员：刘坤瓒，戴凌龙，张子健，许慎恒，杨帆，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：