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国防科大:编码超材料与来波方向估计
2021-01-28 两江科技评论

  近日,国防科技大学电子科学学院林铭团副教授等人与东南大学信息科学与工程学院万向副研究员合作,在“编码超材料信号处理技术”方面上取得了重要研究进展。他们在中科院一区TOP期刊IEEE Internet of Things Journal发表了题为“Single Sensor to Estimate DOA with Programmable Metasurface”的学术论文。该工作将编码超材料新技术应用于传统的来波方向估计,是传统阵列信号处理 “老树”在新型编码超材料应用下“开新花”的体现。林铭团副教授为论文第一编辑,查淞副教授为通讯编辑,国防科技大学为论文第一署名单位,东南大学为合作单位。

  随着5G以及6G通信技术的快速发展,未来的通信将更加智能化、高效化。这就要求收发天线能够自适应判断收发链路的朝向并完成智能对准,进而实现高效快速的通信服务。其中,空间信号来波方向角估计技术扮演着重要的作用。传统阵列信号测向技术需要多个通道支撑,每个通道包括射频前端器件、混频器件、数模\模数转换器件等。对于大规模天线阵列,其设计复杂度和成本将急剧增加,仅适合于大型基站等场合,难以广泛应用于通信终端。该研究基于编码超材料天线和压缩感知技术,提出仅利用单一天线即可实现空间信号波达角估计,设计复杂度和成本是传统阵列测向技术的1/N(N为阵列通道数目),可应用于智能天线技术。此外,相比于传统的波束扫描方式,所提方法在同等估计精度条件,采样数目降低75%。

  基于编码超材料天线的智能通信框架如图1所示,主要包括电磁感知和自适应波束对准两个阶段。在第一阶段利用编码超材料天线的随机编码波束对来波信号进行采样,通过压缩感知技术,实现对来波信号方向的估计。第二阶段利用测得的来波方向,通过编码超材料天线实现波束的自适应对准,从而建立高效的收发链路。

  图1 基于编码超材料天线的智能通信示意图

  图2(a)所示为空馈编码超材料天线模型示意图,图2(b)展示了空间来波方向在空间上的稀疏性。压缩感知常用的采样方式为随机采样。编码超材料天线通过随机相位编码调控可实现空间随机采样波束,是一种天然随机采样的物理实现方式。研究通过严谨的数学推导,确定了方法的可行性。

  图2 空馈编码超材料来波估计示意图及空间稀疏感知表示  

  图3 空馈编码超材料天线及随机波束测试结果

  图3所示为试验所用的空馈编码超材天线及一种随机波束测试结果。图4展示了来波方向估计测量的场景及估计结果。整个空间被划分为900个像素点,试验中用了100个采样波束进行采样并估计,结果有效验证了所提方法的可行性。

  

  图4 测量场景及来波方向估计结果

  该工作提出的编码超材料单天线来波方向估计技术,设计复杂度、成本以及采样率均较传统估计方式具有显著优势,可应用于未来高效物联网的智能通信场景。该工作是编码超材料和阵列信号处理的结合,对于“编码超材料信号处理技术”研究具有重要的意义。

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