基于双功能智能超表面的通信方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于双功能智能超表面的通信方法，包括：获取不同环境状态下的接收信号功率向量；基于第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型以及不同环境状态下的接收信号功率向量，通过求解第一优化问题，确定第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构；基于最佳传感器结构通过求解第二优化问题，确定最佳的多载波功率分配方式；接收来自基站的基于最佳的多载波功率分配方式确定的第三信号功率向量以及来自第一超材料传感器阵列的第四信号功率向量；第一超材料传感器阵列的传感器结构参数基于最佳传感器结构确定。基于此，实现基于双功能智能超表面的非直射径信道，在保证对不同环境的感知精度前提下能明显提高通信性能。度前提下能明显提高通信性能。度前提下能明显提高通信性能。

【技术实现步骤摘要】
基于双功能智能超表面的通信方法及系统


[0001]本专利技术涉及人工智能
，尤其涉及一种基于双功能智能超表面的通信方法及系统。

技术介绍

[0002]随着物联网技术的不断发展，传感器部署的需求越来越大，未来可能利用频响特性来感知环境条件的超材料传感器实现低成本的无源物联网传感网络。但是现有的超材料传感器仅关注传感本身，没有和无线通信网络进行充分适应，因此，如何让利用传感器表面阵列能够在感知的同时为通信用户提供性能较高的反射路径，具有很大的现实意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种基于双功能智能超表面的通信方法及系统，实现基于双功能智能超表面的非直射径信道，在保证对不同环境的感知精度前提下能明显提高通信性能。
[0004]本专利技术提供一种基于双功能智能超表面的通信方法，所述智能超表面包括第一超材料传感器阵列，第一超材料传感器阵列为亚波长尺寸的超材料单元周期性排列结构；所述方法包括：获取不同环境状态下的接收信号功率向量；基于第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型以及所述不同环境状态下的接收信号功率向量，通过求解第一优化问题，确定所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构；所述第一优化问题为在保证感知精度需求的约束下，求解使通信信道容量最大化的所述最佳传感器结构的问题；基于所述最佳传感器结构以及第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型，通过求解第二优化问题，确定最佳的多载波功率分配方式；所述第二优化问题为在保证感知精度需求的约束下，求解使通信信道容量最大化的最佳的多载波功率分配方式的问题；向基站发送所述最佳的多载波功率分配方式，并接收来自基站的第三信号功率向量以及来自第一超材料传感器阵列的第四信号功率向量；所述第三信号功率向量和所述第四信号功率向量基于所述最佳的多载波功率分配方式确定；所述第一超材料传感器阵列的传感器结构参数基于所述最佳传感器结构确定。
[0005]基于上述任一实施例，所述基于第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型以及所述不同环境状态下的接收信号功率向量，通过求解第一优化问题，确定所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构，包括：基于所述不同环境状态下的接收信号功率向量，确定不同环境状态下的环境状态信息；将所述不同环境状态下的环境状态信息代入超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型，确定超材料传感器阵列的第一反射系数向量；将所述超材料传感器阵列的第一反射系数向量，代入通信信道容量的第一表达式；并以不同环境状态下的接收信号功率向量的差别作为感知精度的第一约束条件，以传感器结构参数的取值范围作为第二约束条件，求解得到使所述第一表达式最大化的传感器结构参数；并将所述使所述通信信道容量的第一表达式最大化的传感器结构参数，确定为所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构。
[0006]基于上述任一实施例，所述第一表达式为：基于上述任一实施例，所述第一表达式为：其中，P
k
表示多个子载波均匀分配的情况下第k个子载波对应的功率；K表示子载波的总个数；d表示超材料传感器阵列中传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度；表示由基站直接到用户终端对应的直射径信道，表示为基站与超传感器阵列之间的信道，N
S
表示超材料传感器阵列的单元数，为基站与超传感器阵列之间的信道，Γ1表示超材料传感器阵列的第一反射系数向量，σ2表示加性高斯噪声的协方差；所述第一约束条件为：r(c
i
,d)表示在环境状态c
i
下接收到的信号，r(c
j
,d)表示在环境状态c
j
下接收到的信号；d表示超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度；δ为预设阈值；所述第二约束条件为：d∈D，D＝[d
lb
，d
ub
]，其中，表示所述金属分裂环谐振器的开口宽度的下界，d
ub
表示所述金属分裂环谐振器的开口宽度的上界。
[0007]基于上述任一实施例，所述基于所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构以及第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型，通过求解第二优化问题，确定最佳的多载波功率分配方式式，包括：将所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构代入所述等效电路模型，确定超材料传感器阵列的第二反射系数向量；将所述第二反射系数向量，代入通信信道容量的第二表达式；并以不同环境状态下的接收信号功率向量的差别作为感知精度的第一约束条件，以多个子载波的发射功率之和作为第三约束条件，求解使所述通信信道容量的第二表达式最大化的最佳的多载波功率分配方式。
[0008]基于上述任一实施例，所述第二表达式为：基于上述任一实施例，所述第二表达式为：其中，K表示子载波的总个数；p表示向多个子载波分配的功率；P
’
k
表示向第k个子载波分配的功率，表示由基站直接到用户终端对应的直射径信道，表示为基站与超传感器阵列之间的信道，N
S
表示超材料传感器阵列的单元数，为基站与超传感器阵列之间的信道，Γ2表示超材料传感器阵列的第二反射系数向量，σ2表示加性高斯噪声的协方差；所述第一约束条件为：r(c
i
,d)表示在环境状态c
i
下接收到的信号，r(c
j
,d)表示在环境状态c
j
下接收到的信号；d表示超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度；δ为预设阈值；所述第三约束条件为：其中，P
tot
表示总发射功率限制。
[0009]基于上述任一实施例，所述求解得到使所述第一表达式最大化的传感器结构参数，包括：基于所述第一表达式、所述第一约束条件以及所述第二约束条件，构建第一目标
函数，所述第一目标函数为其中，α为用于平衡通信和感知性能的权重系数，其中，R(d
lb
)表示在超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度为d
lb
的情况下，对应的信道容量，R(d
ub
)表示在超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度为d
ub
的情况下，对应的信道容量，t(d
lb
)表示在超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度为d
lb
的情况下，对应的分段函数t(d)的值；t(d
ub
)表示在超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度为d
ub
的情况下，对应的分段函数t(d)的值；其中，基于所述第一目标函数，确定对应的高斯径向基函数代理模型；基于所述高斯径向基函数代理模型以及最小二乘法，求解得到所述第一目标函数的最小值，并基于所述最小值确定使所述第一表达式最大化的传感器结构参数。
[0010]基于上述任一实施例，在基于第一超材料传感器阵列中各传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双功能智能超表面的通信方法，其特征在于，所述智能超表面包括第一超材料传感器阵列，第一超材料传感器阵列为亚波长尺寸的超材料单元周期性排列结构；所述方法包括：获取不同环境状态下的接收信号功率向量；基于第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型以及所述不同环境状态下的接收信号功率向量，通过求解第一优化问题，确定所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构；所述第一优化问题为在保证感知精度需求的约束下，求解使通信信道容量最大化的所述最佳传感器结构的问题；基于所述最佳传感器结构以及第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型，通过求解第二优化问题，确定最佳的多载波功率分配方式；所述第二优化问题为在保证感知精度需求的约束下，求解使通信信道容量最大化的最佳的多载波功率分配方式的问题；向基站发送所述最佳的多载波功率分配方式，并接收来自基站的第三信号功率向量以及来自第一超材料传感器阵列的第四信号功率向量；所述第三信号功率向量和所述第四信号功率向量基于所述最佳的多载波功率分配方式确定；所述第一超材料传感器阵列的传感器结构参数基于所述最佳传感器结构确定。2.如权利要求1所述的基于双功能智能超表面的通信方法，其特征在于，所述基于第一超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型以及所述不同环境状态下的接收信号功率向量，通过求解第一优化问题，确定所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构，包括：基于所述不同环境状态下的接收信号功率向量，确定不同环境状态下的环境状态信息；将所述不同环境状态下的环境状态信息代入超材料传感器阵列中各传感器单元的等效电路模型，确定超材料传感器阵列的第一反射系数向量；将所述超材料传感器阵列的第一反射系数向量，代入通信信道容量的第一表达式；并以不同环境状态下的接收信号功率向量的差别作为感知精度的第一约束条件，以传感器结构参数的取值范围作为第二约束条件，求解得到使所述第一表达式最大化的传感器结构参数；并将所述使所述通信信道容量的第一表达式最大化的传感器结构参数，确定为所述第一超材料传感器阵列中各传感器单元的最佳传感器结构。3.如权利要求2所述的基于双功能智能超表面的通信方法，其特征在于，所述第一表达式为：其中，P
k
表示多个子载波均匀分配的情况下第k个子载波对应的功率；K表示子载波的总个数；d表示超材料传感器阵列中传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度；表示由基站直接到用户终端对应的直射径信道，表示为基站与超传感器阵列之间的信道，N
S
表示超材料传感器阵列的单元数，为基站与超传感器阵列之间的信道，Γ1表示超材料传感器阵列的第一反射系数向量，σ2表示加性高斯噪声的协方差；
所述第一约束条件为：r(c
i
,d)表示在环境状态c
i
下接收到的信号，r(c
j
,d)表示在环境状态c
j
下接收到的信号；d表示超材料传感器阵列中传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度；δ为预设阈值；所述第二约束条件为：d∈D，D＝[d
lb
，d
ub
]，其中，d
lb
表示所述金属分裂环谐振器的开口宽度的下界，d
ub
表示所述金属分裂环谐振器的开口宽度的上界。4.如权利要求3所述的基于双功能智能超表面的通信方法，其特征在于，所述求解得到使所述第一表达式最大化的传感器结构参数，包括：基于所述第一表达式、所述第一约束条件以及所述第二约束条件，构建第一目标函数，所述第一目标函数为所述第一目标函数为其中，α为用于平衡通信和感知性能的权重系数，其中，R(d
lb
)表示在超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度为d
lb
的情况下，对应的信道容量；R(d
ub
)表示在超材料传感器阵列中每个传感器单元的金属分裂环谐振器的开口宽度为d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋令阳，张泓亮，徐治荃，刘旭，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：