CN113795004A - 用于室内5g终端的通信方法、***及其车间 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于室内5G终端的通信方法、***及其车间,通过5G微站S,将5G电磁波信号发送至可重构智能反射面RIS;再通过可重构智能反射面RIS,接收并反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,将反射处理后的5G电磁波信号发送至5G终端D。发明核心在于,打破传统建设室外宏站和室内布放室的方式,通过将5G微站S与可重构智能反射面RIS相融合,反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,形成一套新的用于增强电磁波信号和进行定向覆盖的通信方式,打破了以往无线信号传播随机性和不可控性难题,实现无线信号的增强和定向覆盖,对5G通信的普遍性推广和优越性应用有至关重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域,特别是涉及一种用于室内5G终端的无线通信技术。
背景技术
近年,5G通信逐步应用于生活、工业互联网的方方面面。但是,因其电磁波频段相对较高的特点,导致其穿透力相对较差,对于室内信号的覆盖相对较弱。更重要的是,由于电磁波无线信号传播的随机性与不可控性,导致无线通信无法实现定向覆盖。这是限制5G通信应用的一个重大技术问题。
目前,现有技术中多考虑采用建设室外宏站和室内布放室的方式,以提高其室内信号的覆盖强度和稳定性。但是,建设室外宏站需要采用大规模MIMO天线,不仅硬件复杂度高、成本高、而且能耗相当大且覆盖效果不佳,尤其是定向覆盖和补盲的效果差,无论是建造成本还是使用成本都不尽人意,也不利于节能降耗的科学发展观要求。
因此,如何优化室内设备的通信方式,增强电磁波无线通信的信号、提高电磁波无线通信的覆盖率、定向性等性能,是目前5G通信领域中亟待解决的重要技术问题,直接关系到其应用推广的普遍性和应用效果的优越性。
发明内容
为解决上述技术问题的一个或多个,本发明提供了一种用于室内5G终端的通信方法,包括:
S1:通过5G微站S,将5G电磁波信号发送至可重构智能反射面RIS;
S2:可重构智能反射面RIS,接收所述5G电磁波信号,并反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位,将反射处理后的5G电磁波信号发送至所述5G终端D。
进一步地,所述步骤S2中,反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位,包括:
S21:调节所述5G电磁波信号的幅度,达到最大幅度;
S22:调节所述5G电磁波信号的相位,定向覆盖至所述5G终端的位置。
进一步地,所述步骤S21,包括:
进一步地,所述步骤S22,包括:
S22a:感应所述5G终端D的位置;
S22b:根据所述5G终端D的位置,分析所述可重构智能反射面RIS的每个反射单元的预期通断状态,以将所述5G电磁波信号定向覆盖至所述5G终端D的位置;
S22c:根据所述预期通断状态,发出控制信号,控制所述可重构智能反射面RIS的每个反射单元的通断。
另一方面,本发明还提供一种用于室内5G终端的通信***,包括:5G微站S和可重构智能反射面RIS;
所述5G微站S,用于将5G电磁波信号发送至所述可重构智能反射面RIS;
所述可重构智能反射面RIS,用于接收所述5G电磁波信号,并反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位,将反射后的所述5G电磁波信号发送至所述室内5G终端D。
进一步地,所述通信***,还包括控制装置X;所述控制装置X,与所述可重构智能反射面RIS连接,用于控制所述可重构智能反射面RIS,反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位。
进一步地,所述控制装置X,包括:接收单元X100、传感单元X200、分析单元X300和控制单元X400;
所述接收单元X100,与所述分析单元X300连接,用于接收所述可重构智能反射面RIS的性能参数,并发送至所述分析单元X300;
所述传感单元X200,与所述分析单元X300连接,用于感应所述5G终端的位置,并发送至所述分析单元X300;
所述分析单元X300,与所述控制单元X400连接,用于根据所述性能参数,确定所述5G微站S到所述可重构智能反射面RIS的衰落信道和所述可重构智能反射面RIS到所述5G终端的衰落信道,以确定所述可重构智能反射面RIS的每个反射单元的反射系数中,满足;并根据所述5G终端D的位置,分析所述可重构智能反射面RIS的每个反射单元的预期通断状态;进而,将所述和所述预期通断状态发送至所述控制单元X400;
进一步地,所述5G微站S,包括:依次连接的射频拉远单元S100、基带处理单元S200、功分单元S300和微带天线S400。
进一步地,所述通信***,用于上述任意的的通信方法。
另一方面,本发明还提供了一种包括室内5G终端的车间,所述5G终端,应用上述任意的通信方法通信,或采用上述任意的通信***通信。
本发明提供的通信方法、***和车间,发明核心在于,打破传统建设室外宏站和室内布放室的方式,通过将5G微站S与可重构智能反射面RIS相融合,反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,形成一套新的用于增强电磁波信号和进行定向覆盖的通信方式,打破了以往无线信号传播随机性和不可控性难题,实现无线信号的增强和定向覆盖,对5G通信的普遍性推广和优越性应用有至关重要的作用。
附图说明
图1为本发明用于室内5G终端的通信方法的一个实施例的流程图;
图2为本发明5G微站的一个实施例的结构图;
图3为本发明用于室内5G终端的通信方法的步骤S2的一个实施例的流程图;
图4为本发明用于室内5G终端的通信方法的步骤S21的一个实施例的流程图;
图5为本发明用于室内5G终端的通信方法中信号传播路径图;
图6为本发明用于室内5G终端的通信方法的步骤S22的一个实施例的流程图;
图7为本发明可重构智能反射面RIS的一个实施例的结构图;
图8为本发明可重构智能反射面RIS的一个实施例的电压控制图;
图9-11为本发明可重构智能反射面的三个实施例的相位示意图;
图12为本发明用于室内5G终端的通信方法与其它方法的效果对比图;
图13为本发明用于室内5G终端的通信***的一个实施例的结构框图;
图14为本发明用于室内5G终端的通信***的控制装置的一个实施例的结构框图;
图15为本发明用于室内5G终端的通信方法或通信***的车间应用图。
具体实施方式
如图1所示,本发明提供一种用于室内5G终端的通信方法,包括:
S1:通过5G微站S,将5G电磁波信号发送至可重构智能反射面RIS;
S2:可重构智能反射面RIS,接收5G电磁波信号,并反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,将反射调节后的5G电磁波信号发送至5G终端D。
在该实施例中,尽管5G微站S和可重构智能反射面RIS都是现有技术存在的,但是二者组合以应用于室内5G终端的通信,是前所未有的。本发明打破传统建设室外宏站和室内布放室的方式,通过将5G微站S(可选但不仅限于为智慧井盖)与可重构智能反射面RIS相融合,反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,形成一套新的用于增强电磁波信号和进行定向覆盖的通信方式,打破了以往无线信号传播随机性和不可控性难题,实现无线信号的增强和定向覆盖,对5G通信的普遍性推广和优越性应用有至关重要的作用。其优点不言而喻:1、由于一方面5G微站S可便捷设置于生活常见的井盖上,另一方面可重构智能反射面RIS大小、尺寸、数量和间距等性能参数,可根据实际需求而设计,易于铺设在建筑物墙、天花板、窗户甚至服装上;所以二者均安装便捷、成本低廉;2、由于一方面可重构智能反射面RIS,是无线通信网络中的辅助设备,在现有通信***中部署可重构智能反射面时,无需做出标准化和硬件方面的改变,仅需匹配其通信协议;另一方面,不受接收机噪声影响,接收信号时不需要模数/数模转换和功率放大器等器件,减少了噪声的引入和放大,可提供全双工传输,理论上可以工作于任何频率;所以可见其应用范围广,适用性强;3、可重构智能反射面RIS是由无源元件/结构构成,每一个元件仅具有反射功能(对输入信号进行调幅,相移等功能),几乎不消耗功率,理想情况不需要任何能源,符合节能降耗要求,大大降低了使用成本。
值得注意的,此处仅给出该方法的优点示例,不以此为限。以上特点为5G微站S和可重构智能反射面RIS组合形成新通信模式的实施应用,提升了强大的竞争力,可有效助力5G技术与工业互联网的融合。
具体的,如图2所示,5G微站S,可选但不仅限于包括依次连接的射频拉远单元S100、基带处理单元S200、功分单元S300和微带天线S400。该微带天线S400,可选但不仅限于设置在日常生活中常见的井盖上“智慧井盖”,方便简捷。更为具体的,微带天线S400与前者可选但不仅限于为一对一或多对一的关系,如图2示例的可下接三个5G微带天线S400,以进一步提高设备功率、降低功耗损失。
更为具体的,可重构智能反射面RIS,可选但不仅限于采用人工电磁超材料制造,这种材料由专门设计的亚波长结构元素的周期性排列组成,具有自然界不存在的独特电磁特性,例如负折射、完全吸收和异常反射/散射。其几何形状如方形或开口环、尺寸、方向、排列等,可由本领域技术人员根据实际需求而任意设定,以相应地修改其单个单元信号的响应反射振幅和相位。
更为具体的,如图3所示,步骤S2中,反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,可选但不仅限于包括:
S21:调节5G电磁波信号的幅度,达到最大幅度;
S22:调节5G电磁波信号的相位,定向覆盖至5G终端的位置。
在该实施例中,给出了调节5G电磁波信号的幅度和相位的具体目标和要求,使其幅度达到其能达到的最大幅度,以增强其信号强度;相位达到预计要服务的5G终端的位置,以定向覆盖需要信号的设备。最终实现5G电磁波信号的传播可控性,有效助力5G技术与工业互联网的有效融合。
更为具体的,如图4所示,步骤S21,可选但不仅限于包括:
在该实施例中,给出了调节5G电磁波信号的幅度,如何达到最大幅度的一个具体实施例,详细说明了可重构智能反射面RIS如何调节幅度的具体方式。以图5为例,假设S-RIS和RIS-D之间的无线信道服从瑞利衰落,其中,,,S-RIS和RIS-D之间的衰落信道和可重构智能反射面RIS的反射单元个数i相关,和分别为信道的幅度和相位,和分别为信道的幅度和相位,和为服从瑞利分布的随机变量,其均值和方差分别为和。可重构智能反射面RIS能准确获得信道和的相位、,设其第i个可重构单元的反射系数为,从而经过RIS反射后的信号的瞬时信噪比,可选但不仅限于标记为:,为现场环境决定的平均信噪比,为此在平均信噪比一定的情况下,FPGA控制器通过控制可重构智能反射面RIS的反射面板单元使得时,可获得最大的瞬时信噪比,获得理想的最大接收信号,即最大幅度,从而实现电磁波的主动控制。
更为具体的,如图6所示,步骤S22,可选但不仅限于包括:
S22a:感应5G终端的位置;
S22b:根据5G终端的位置,分析可重构智能反射面RIS的每个反射单元的预期通断状态,以将5G电磁波信号的相位定向覆盖至5G终端的位置;
S22c:根据预期通断状态,发出控制信号,控制可重构智能反射面RIS的每个反射单元的通断。
在该实施例中,给出了调节5G电磁波信号的相位,如何定向覆盖至5G终端的位置的一个具体实施例,详细说明了可重构智能反射面RIS如何调节相位的具体方式。更为具体的,步骤S21b、c中,控制器可选但不仅限于采用FPGA、单片机等微处理器,负责可重构智能反射面RIS的定时更新,配合控制其通断的工作状态。更为具体的,以图7为例,可重构智能反射面RIS,可选但不仅限于包括三层架构:1、外层介质基板,其上印刷附着大量金属片元件,与入射信号直接相互作用,由FPGA控制每个单元上面的二极管的反偏电压如图8所示,从而实现反射面单元的通断,反射面单元不同通断的情况即可实现信号波束不同的反射状态、相位方向变化;2、中层隔离层,可选但不仅限于为铜板,避免信号能量泄露;3、内层控制层,可选但不仅限于为负责调整每个元件反射幅度和相位的控制电路板,由附在可重构智能反射面RIS上的FPGA、单片机等智能控制器触发。更为具体的,其触发状态,即可重构智能反射面RIS的每个反射单元的预期通断状态与其相位的关系,可选但不仅限于通过表1-4和图9-11作示例说明。
表1 可重构智能反射面RIS面板初始状态表(1/0状态)
当8*8的面板单元状态为全1的时候,如表2所示,5G电磁波信号传播到可重构智能反射面RIS后,经可重构智能反射面RIS反射后只有一个方向的波束信号,如图9所示。
表2 可重构智能反射面RIS面板状态1表(全1状态)
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
当8*8的面板单元状态为0、1间隔的时候,如表3所示,5G电磁波信号传播到可重构智能反射面RIS后,经可重构智能反射面RIS反射后有两个方向的波束信号,如图10所示。
表3 可重构智能反射面RIS面板状态2表(0/1间隔状态)
当8*8的面板单元状态为0、1、0、1棋盘状的时候,如表4所示,5G电磁波信号传播到可重构智能反射面RIS后,经可重构智能反射面RIS反射后有四个方向的波束信号,如图11所示。
表4 可重构智能反射面RIS面板状态3表(0/1棋盘状态)
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
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为详细说明本发明通信方法的有效性,参照图12所示,为有可重构智能反射面RIS辅助的通信***的中断概率低于没有RIS辅助的通信***,且随着发信噪比的增加,效果越明显。同时可重构智能反射面RIS反射单元个数N越大即反射面个数越多,***中断概率越小,即***整体性能越好。
另一方面,如图13-15所示,本发明还基于上述方法的任意一种或组合形式,提供一种用于室内5G终端的通信***,包括:5G微站S和可重构智能反射面RIS。其中,5G微站S,用于将5G电磁波信号发送至可重构智能反射面RIS;可重构智能反射面RIS,与5G微站和5G终端连接(有线或无线连接,信号连接),用于接收5G电磁波信号,并反射调节5G电磁波信号的幅度和相位,将反射调节后的5G电磁波信号发送至室内5G终端D。值得注意的,本发明的通信***,与上述任意的通信方法对应,其技术特征的组合和技术效果并不以示例为限,在此不再赘述。
具体的,5G微站S、可重构智能反射面RIS的具体结构、尺寸、反射单元的分布和个数、单元间距等参数可由本领域技术人员根据实际需求自定义,示例的如图2、7-8所示。
更为具体的,可重构智能反射面的反射调节过程,可由本领域技术人员根据幅度、相位的要求预先手动调节好可重构智能反射面的性能参数,然后再进行反射过程,或通过FPGA、单片机等控制器自动调节。优选的,可重构智能反射面的性能参数及反射系数、通断状态等可根据实时感应的5G终端的当前位置,以实时更新匹配。
优选的,如图13所示,该通信***,还包括:控制装置X,与可重构智能反射面RIS连接,用于控制可重构智能反射面RIS,反射调节5G电磁波信号的幅度和相位。
在该实施例中,通信***增设了控制装置X,以自动控制可重构智能反射面RIS,而无需手动调节,提高了该通信***的自动化程度,进一步提高了其精准度和适用范围。
更为优选的,如图14所示,该控制装置X,包括:接收单元X100、传感单元X200、分析单元X300和控制单元X400。其中,接收单元X100,与分析单元X300连接,用于接收可重构智能反射面RIS的性能参数,并发送至分析单元X300;传感单元X200,与分析单元X300连接,用于感应5G终端的位置,并发送至分析单元X300;分析单元X300,与控制单元X400连接,用于根据性能参数,确定5G微站S到可重构智能反射面RIS的衰落信道和可重构智能反射面RIS到5G终端的衰落信道,以确定可重构智能反射面的每个反射单元的反射系数中,满足;并根据5G终端的位置,分析可为重构智能反射面的每个反射单元的预期通断状态;进而,将和预期通断状态发送至控制单元X400;控制单元X400,与可重构智能反射面RIS连接,用于根据和预期通断状态发出控制信号,控制可重构智能反射面RIS。
在该实施例中,给出了控制装置X的一个具体实施例,能根据可重构智能反射面的性能参数和5G终端的实时位置,确定反射后的5G电磁波信号的幅度和相位,自动化程度更高,匹配性更强。
上述通信***基于上述通信方法创造,其技术特征的组合、技术作用和有益效果在此不再赘述。
另一方面,如图15所示,给出了本发明通信方法和通信***应用于车间的1个或多个5G终端的一个具体实施例,以将5G电磁波信号,增强信号的定向覆盖至车间内的5G终端设备,提高其信号强度和覆盖精准度,以进一步降低设备误差,确保其正常工作。值得注意的,该具体的车间应用,仅为本发明应用领域的一个具体实施例,并不对本发明的应用范围作任何限定,凡是应用本发明宗旨的应用,均应视为属于本发明创造。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于室内5G终端的通信方法,其特征在于,包括:
S1:通过5G微站(S),将5G电磁波信号发送至可重构智能反射面(RIS);
S2:可重构智能反射面(RIS),接收所述5G电磁波信号,并反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位,将反射处理后的5G电磁波信号发送至所述5G终端(D);
所述步骤S2中,反射调节所述5G电磁波信号的幅度,包括:
S21:调节所述5G电磁波信号的幅度,达到最大幅度;
所述步骤S21,包括:
2.根据权利要求1所述的通信方法,其特征在于,所述步骤S2中,反射调节所述5G电磁波信号的相位,包括:
S22:调节所述5G电磁波信号的相位,定向覆盖至所述5G终端的位置。
3.根据权利要求2所述的通信方法,其特征在于,所述步骤S22,包括:
S22a:感应所述5G终端(D)的位置;
S22b:根据所述5G终端(D)的位置,分析所述可重构智能反射面(RIS)的每个反射单元的预期通断状态,以将所述5G电磁波信号定向覆盖至所述5G终端(D)的位置;
S22c:根据所述预期通断状态,发出控制信号,控制所述可重构智能反射面(RIS)的每个反射单元的通断。
4.一种用于室内5G终端的通信***,其特征在于,包括:5G微站(S)和可重构智能反射面(RIS);
所述5G微站(S),用于将5G电磁波信号发送至所述可重构智能反射面(RIS);
所述可重构智能反射面(RIS),用于接收所述5G电磁波信号,并反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位,将反射后的所述5G电磁波信号发送至所述室内5G终端(D);
所述通信***,还包括控制装置(X);所述控制装置(X),与所述可重构智能反射面(RIS)连接,用于控制所述可重构智能反射面(RIS),反射调节所述5G电磁波信号的幅度和相位;
所述控制装置(X),包括:接收单元(X100)、传感单元(X200)、分析单元(X300)和控制单元(X400);
所述接收单元(X100),与所述分析单元(X300)连接,用于接收所述可重构智能反射面(RIS)的性能参数,并发送至所述分析单元(X300);
所述传感单元(X200),与所述分析单元(X300)连接,用于感应所述5G终端的位置,并发送至所述分析单元(X300);
所述分析单元(X300),与所述控制单元(X400)连接,用于根据所述性能参数,确定所述5G微站(S)到所述可重构智能反射面(RIS)的衰落信道和所述可重构智能反射面(RIS)到所述5G终端的衰落信道,以确定所述可重构智能反射面(RIS)的每个反射单元的反射系数中,满足;并根据所述5G终端(D)的位置,分析所述可重构智能反射面(RIS)的每个反射单元的预期通断状态;进而,将所述和所述预期通断状态发送至所述控制单元(X400);
5.根据权利要求4所述的通信***,其特征在于,所述5G微站(S),包括:依次连接的射频拉远单元(S100)、基带处理单元(S200)、功分单元(S300)和微带天线(S400)。
6.根据权利要求4-5任意一项所述的通信***,其特征在于,所述通信***,用于应用权利要求1-3任意一项所述的通信方法。
7.一种包括5G终端的车间,其特征在于,所述5G终端,应用权利要求1-3任意一项所述的通信方法通信,或采用权利要求4-6任意一项所述的通信***通信。
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