一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法技术

本发明专利技术提供了一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法。该方法包括利用MR部署在高速列车的车顶外部，车内与车外经过两跳来传输数据，在列车的中间部署IRS来辅助通信，两个列车的MR之间直接进行数据流传输，或者两个列车的MR之间通过IRS的反射进行信号传输，通过改变IRS的反射单元的幅度和相位，来改变数据流的传输方向。根据信道模型和干扰模型建立传输流数最大化问题的目标函数；将所述目标函数分解为优化IRS相位矩阵、链路选择和时隙调度3个子问题进行求解，得到最大化的数据流传输方案。本发明专利技术优化了直射链路和反射链路间的链路选择问题，并设计了时隙分配算法使系统调度的流数最大化。统调度的流数最大化。统调度的流数最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法


[0001]本专利技术涉及车车通信
，尤其涉及一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法。

技术介绍

[0002]高速铁路未来的发展需求将是高数据量、低成本和智能化。为了减轻车地通信的运营成本以及系统负荷，高铁通信的实时监控等许多应用需要高速率传输，当前的高铁系统是难以实现的。
[0003]该车车通信系统共有两种传输链路可供选择，一种是两列车的MR(MobileRelay，移动中继)之间直接进行通信，即MR
‑
MR直射链路；当MR
‑
MR直射链路被遮挡、信道质量较差或者通信距离超出可达范围而无法成功通信时，借助MR
‑
IRS(IntelligentReflectingSurface，智能反射表面)
‑
MR反射链路建立另外的传输链路进行通信，在不同信道条件下，不同传输链路的选择会影响最终的系统性能。
[0004]考虑到高铁运行轨道的规律性，系统可以实现多帧调度，不同的时隙调度方案会大大影响系统性能，同时隙内传输的流相互之间产生干扰，从而影响信干噪比，降低传输速率，因此有必要对同时传输的流进行分配。基于此，本专利技术优化了时隙的分配方案，使系统性能得到提升。
[0005]高铁毫米波通信引起了学术界的广泛关注，有方案提出了非均匀波束成形的机制，通过对不同波束对应覆盖区域的划分，来使波束之间的性能差异尽可能小。还有方案提出了自适应非均匀混合波束成形算法来最小化由位置导致的速率差异。
[0006]虽然高铁通信具有很多特点会导致性能波动大，但是其移动轨迹具有可预测性，可以利用这一特点来提升通信质量。利用列车轨迹的规律性，提出了一种快速波束对准的机制来实现快速的波束切换。
[0007]IRS技术作为一种有发展前景的新技术，在B5G及6G无线通信系统中可以实现可重新配置的智能无线信道和无线电传播环境。从实际部署的角度来看，IRS也具有明显优势。IRS体积小、重量轻，可以很容易地部署在墙壁、天花板、建筑物立面等上；其成本低廉，可以进行大规模部署。因此，IRS可以通过制造来安装在任意形状的表面上以满足不同的通信场景。其次，将IRS应用在现有系统中，不需要更改系统硬件设备的操作标准，仅对通信协议进行修改即可。
[0008]对于IRS辅助的毫米波高铁通信系统，有方案推导了IRS辅助下行高铁通信链路的中断概率表达式，验证了IRS的有效性。根据SNR的分布，推到了中断概率的表达式并以最小化中断概率为目标提出了功率优化问题。还研究了IRS部署位置对性能的影响。在双IRS辅助的VI2场景中，针对Nakagami衰落环境，推导了中断概率，频谱效率的闭式表达。在车通信场景中，针对多个IRS部署策略下提出一种IRS选择机制，在其中选择SNR最高的IRS，相比于传中中继方案，IRS可以提供更高的遍历容量，能量效率以及更低的错误概率，并推导了其闭式表达。
[0009]上述现有技术中的关于IRS辅助高铁通信系统调度优化方法的缺点包括：这些方案研究的是关于车地通信的，即列车和基站间的数据传输。然而，在高铁网络智能化的愿景中，车车通信是必不可少的一部分，列车之间不依靠基站而以设备
‑
设备(D2D)的方式直接发送信息，从而减轻车地链路之间交互的数据量，以减少系统负荷。高铁通信中基于车车通信的研究仍然较少。为了减少电磁波穿透车身时的损耗，高铁通信通常用部署在车顶的MR来实现。因此异轨车车之间的MR
‑
MR通信仍然需要进一步研究。
[0010]这些方案针对高铁通信系统的调度问题集中在单帧，每一帧在调度前都需要进行信令传输。在此场景中的单帧调度问题没有利用高铁轨迹的规律性，浪费了传输资源就，降低了系统吞吐量。在高铁场景中，列车的位置、速度是可以预测的，利用这个信息，进行多帧调度，从而减小信令开销。因此高铁系统中的多帧调度仍需进一步研究。
[0011]由于D2D的通信距离较短，考虑到列车的高速移动性，链路很有可能陷入通信范围之外导致通信中断，为了解决此问题，IRS通常部署在收发端之间，从而增加通信覆盖范围。但是针对IRS辅助的异轨车车通信系统的研究仍然较少。

技术实现思路

[0012]本专利技术的实施例提供了一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法，以实现有效地在高速列车毫米波车车通信中传输数据流。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0014]一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法，包括：
[0015]将移动中继MR部署在高速列车的车顶外部，采用车内与车外两跳的通信来传输数据，在列车的中间部署智能反射表面IRS来辅助通信，两个列车的MR之间直接进行数据流传输，或者两个列车的MR之间通过IRS的反射进行信号传输，通过改变IRS的反射单元的幅度和相位，来改变数据流的传输方向。
[0016]优选地，构建两个列车之间的MR
‑
IRS
‑
MR链路和MR
‑
MR链路的信道模型，以及多个数据流之间的干扰模型，根据所述信道模型和干扰模型建立传输流数最大化问题的目标函数；
[0017]将所述目标函数分解为优化IRS相位矩阵、链路选择算法和调度算法3个子问题进行求解，得到最大化的数据流传输方案。
[0018]优选地，所述的构建两个列车之间的MR
‑
IRS
‑
MR链路和MR
‑
MR链路的信道模型，以及多个数据流之间的干扰模型，包括：
[0019]设MR之间以半双工的模式工作，有相同节点的两条流无法同时传输，称为两条流相邻，Z
ij
＝1表示流i的收发节点和流j的收发节点中有相同的节点；
[0020]构建MR
‑
IRS
‑
MR链路的信道模型为
[0021]对于第i条流，t
i
为发送端，r
i
为接收端，为收发端和IRS第y行z列反射单元间的信道系数，r
i
的接收信号为：
[0022]其中表示IRS第y行z列反射单元的相位，p
i
表示第i条流的发送端t
i
的发送功率，表示归一化发送符号，σ2＝N0W为噪声功率N0为单边功率谱密度，W为系统带宽；
[0023]使用莱斯信道模型：
[0024][0025]其中，β为MR
‑
IRS
‑
MR链路的莱斯因子，表示MR
‑
IRS
‑
MR中继链路的LoS信道分量，在相干时间内恒定；表示MR
‑
IRS
‑
MR中继链路的NLoS信道分量。和分别使用下述模型：
[0026][0027]其中，β0＝
‑
61.3849dB表示参考距离为1米时的信道增益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射表面辅助的高速列车毫米波车车通信方法，其特征在于，包括：将移动中继MR部署在高速列车的车顶外部，采用车内与车外两跳的通信来传输数据，在列车的中间部署智能反射表面IRS来辅助通信，两个列车的MR之间直接进行数据流传输，或者两个列车的MR之间通过IRS的反射进行信号传输，通过改变IRS的反射单元的幅度和相位，来改变数据流的传输方向。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：构建两个列车之间的MR
‑
IRS
‑
MR链路和MR
‑
MR链路的信道模型，以及多个数据流之间的干扰模型，根据所述信道模型和干扰模型建立传输流数最大化问题的目标函数；将所述目标函数分解为优化IRS相位矩阵、链路选择算法和调度算法3个子问题进行求解，得到最大化的数据流传输方案。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的构建两个列车之间的MR
‑
IRS
‑
MR链路和MR
‑
MR链路的信道模型，以及多个数据流之间的干扰模型，包括：设MR之间以半双工的模式工作，有相同节点的两条流无法同时传输，称为两条流相邻，Z
ij
＝1表示流i的收发节点和流j的收发节点中有相同的节点；构建MR
‑
IRS
‑
MR链路的信道模型为对于第i条流，t
i
为发送端，r
i
为接收端，为收发端和IRS第y行z列反射单元间的信道系数，r
i
的接收信号为：其中表示IRS第y行z列反射单元的相位，p
i
表示第i条流的发送端t
i
的发送功率，表示归一化发送符号，σ2＝N0W为噪声功率N0为单边功率谱密度，W为系统带宽；使用莱斯信道模型：其中，β为MR
‑
IRS
‑
MR链路的莱斯因子，表示MR
‑
IRS
‑
MR中继链路的LoS信道分量，在相干时间内恒定；表示MR
‑
IRS
‑
MR中继链路的NLoS信道分量，和分别使用下述模型：其中，β0＝
‑
61.3849dB表示参考距离为1米时的信道增益，表示t
i
和IRS第y行z列反射单元之间的距离，表示r
i
和IRS第y行z列反射单元之间的距离，λ是LoS场景的路径衰落指数，θ'表示服从在[0,2π]间均匀分布的随机变量，λ'是NLoS场景的路径衰落指数，
表示服从均值为0，方差为1的循环对称复高斯分布的随机变量；IRS面板第y行z列的反射单元的相幅调节表示为j表示虚数单位，表示IRS的相移系数，表示IRS的幅度反射系数，表示IRS的幅度反射系数，分别对应反射单元的相移和幅度，所有IRS的反射单元的幅度保持不变，即用b个比特将区间[0,2π)均匀划分，构建MR
‑
MR链路的信道模型为：其中，h0为服从参数为Nakagami分布的随机变量，为发送节点t
i
到r
i
的距离，λ是LoS场景的路径衰落指数，p
i
为发送功率，表示归一化发送符号；假设MR
‑
IRS
‑
MR信道以及MR
‑
MR信道在每帧内保持不变，在不同帧之间变化，每帧分为控制阶段以及传输阶段，一共有K帧，每帧包括T个传输时隙；构建干扰模型的信道模型为：假设任一数据流只能选择直接链路或者反射链路之一，定义了两个二元变量α
o,d,t
和α
d,t,k
来表示使用哪个链路进行通信，当多个流在同一时隙内传输的时候，在第k帧第t时隙，r
i
的接收信干噪比为：的接收信干噪比为：表示第i条流的发送功率，表示第i条流在第k帧第t时隙是否采用MR
‑
MR直射链路传输数据，表示采用，表示不采用，表示第i条流在第k帧第t时隙是否采用MR
‑
IRS
‑
MR反射链路传输数据，表示采用，表示不采用，用，表示在第k帧第t时隙的信道系数的平方，表示第j条流的发送功率，表示第j条流在第k帧第t时隙是否采用MR
‑
MR直射链路传输数据，表示采用，表示不采用，表示第j条流在第k帧第t时隙是否采用MR
‑
IRS
‑
MR反射链路传输数据，表示采用，表示不采用，C
k,t
表示在第k帧第t时隙传输数据的数据流的集合，σ2表示噪声功率。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据所述信道模型和干扰模型建立传输流数最大化问题的目标函数，包括：
根据香农公式，第i条流在第k帧第t时隙的传输速率为：第i条流在K帧的总吞吐量为总传输数据量和总传输时间的比值q
i
为：其中K表示此系统一共包含K帧，T表示每帧一共有T个时隙，ΔT是时隙长度，T
s
是每帧内的调度时长；每一条流在生成时都伴有服务...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛勇，李文清，艾渤，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：