CN111314893B - 反射面辅助的设备到设备通信系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种反射面辅助的设备到设备通信系统设计方法。本发明的方案是，基站接收到来自蜂窝用户的有用信号、以及来自复用相同频段的D2D发送设备的干扰信号；D2D接收设备接收到来自相应D2D发送设备的有用信号、以及来自共享相同频段的蜂窝用户的干扰信号。本发明通过启发式方法来确定D2D对与蜂窝用户的配对方案，并联合优化D2D链路和蜂窝链路的发送功率、以及反射面被动式波束赋形，在满足D2D用户及蜂窝用户通信速率要求的情况下，实现系统和速率最大化。通过仿真验证，本发明在不影响传统蜂窝系统正常通信、且不额外增加能量、频谱和成本开销的情况下，大幅提升系统和速率，具有很强的应用价值以及发展潜力。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种反射面辅助的设备到设备通信系统设计方法。
背景技术
设备到设备(Device-to-Device，D2D)通信作为一种新型通信技术，允许设备在无基站(Base Station，BS)参与情况下，利用蜂窝授权频段与其相邻设备进行通信。具体来说，设备之间直接通信而无需通过基站中转，减轻了基站负载，降低了通信开销和传输延迟。D2D设备和蜂窝用户共用频谱资源，提高了整体网络的频谱效率，使系统能够容纳更多用户。此外，D2D通信可用于形成应急通信网络，从而提高网络基础设施的鲁棒性。然而，在一个密集部署的D2D通信网络中，同一授权频带内工作的链路之间存在不可忽略的干扰，高效的干扰管理是提升网络容量的关键所在。
另一方面，智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)(后文中也简称反射面)作为一种高频谱效率、高能量效率以及成本低廉的技术，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。反射面由大量的无源低成本反射单元组成，每个反射单元可以被动地调整入射信号的幅度和相位并进行反射。因此，通过合理设计每个反射元件的反射系数(幅度和相移)，无线传播环境可被智能重构，以达到有用信号增强、干扰抑制以及安全传输等目的。
因此，引入被动式的智能反射面是解决现有D2D通信网络干扰严重、速率低等问题的富有前景的技术途径。在传统D2D通信系统中加入反射面，通过调整反射面反射单元的反射系数来控制反射电磁波信号，对无线传播环境进行智能重构，以增强有用信号强度并抑制链路间干扰，从而提高网络容量。
发明内容
本发明的主要内容是提出一种反射面辅助的D2D通信系统，以及一种D2D设备对与蜂窝用户配对、发送设备功率分配、以及反射面被动式波束赋形的联合优化设计方法。
本发明采用的技术方案为反射面辅助的D2D通信系统：组成结构如图1所示，包括N个D2D设备对、K(K≥N)个蜂窝用户、一个基站以及一个智能反射面。智能反射面包含M个无源反射单元及一个与其相连的控制器；其中，控制器可以动态调整每个反射单元的反射系数(幅度和相位偏移)，以智能地重构无线通信环境。
反射面辅助的D2D通信系统的基本工作原理是：在反射面辅助的D2D通信系统中，每个蜂窝用户(Cellular User，CU)的信道正交，一个D2D设备对至多复用一个蜂窝用户的频率资源，且一个蜂窝用户至多与一个D2D设备对共享频率资源。其中，每个反射单元调整如何反射，反射面的控制器动态地调整每个反射单元的反射系数，以改变反射信号的幅度和相位，实现有用信号增强和链路间干扰抑制；接收信号来自直接链路、以及经过反射面的反射链路。第k(k≤K)个蜂窝用户CUk向基站发送信号,表示为sk；第n(n≤N)个D2D发送设备向D2D接收设备发送信号，表示为xn。基站不仅可以收到来自蜂窝用户、以及D2D发送设备的直接链路信号，也可以收到来自反射面的反射链路信号，将两路信号叠加后将干扰信号视为噪声进行解码；同理D2D接收设备不仅可以收到来自蜂窝用户、以及D2D发送设备的直接链路信号，也可以收到来自反射面的反射链路信号。
基站接收到来自蜂窝用户的有用信号、以及来自复用相同频段的D2D发送设备的干扰信号，基站处的接收信号可表示为
其中，
为CUk的发送功率，
为TXn的发送功率，
表示CUk到BS的信道，
表示TXn到BS的信道，
表示反射面到BS的信道，
表示CUk到反射面的信道，
表示TXn到反射面的信道。
表示反射面的反射系数矩阵，αm∈[0,1]和βm∈[0,2π)分别表示第m个反射单元的幅度和相移角度。ρk,n是频率复用指示因子，当第n个D2D对复用第k个蜂窝用户的资源时，ρk,n＝1；否则，ρk,n＝0。wB表示基站处的功率为σ2的零均值加性高斯白噪声。
D2D接收设备接收到来自相应D2D发送设备的有用信号、以及来自共享相同频段的蜂窝用户的干扰信号。第n个D2D接收设备RXn处的接收信号可表示为
其中，
表示TXn到RXn的信道，
表示CUk到RXn的信道，
表示反射面到RXn的信道。wn表示RXn处的功率为σ2的零均值加性高斯白噪声。
本发明还包括反射面辅助的D2D通信系统的优化设计方法，涉及一种D2D设备对与蜂窝用户配对、发送设备功率分配、以及反射面被动式波束赋形的联合优化设计方法。具体地，为最大化系统的和速率，联合优化频率复用指示因子ρk,n、D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ。具体优化问题如下：
其中，第一个约束条件为第n个D2D设备对的最小SINR约束，第二个约束条件为第k个蜂窝用户的最小SINR约束，第三个约束条件表示一个D2D设备对至多能复用一个蜂窝用户的频率资源，第四个约束条件表示一个蜂窝用户至多能与一个D2D设备对共享频率资源，第五个约束条件为D2D设备发送功率的非负约束和峰值约束，第六个约束条件为蜂窝用户发送功率的非负约束和峰值约束，第七个约束为反射单元的幅度范围约束，第八个约束为反射单元的相移范围约束。
由于以上问题涉及求解D2D设备对与蜂窝用户配对的整数规划问题，所以该问题是一个非确定性多项式(non-deterministic polynomial,NP)难题，较难求解。本发明提出以下2步方法来实现系统的优化设计。
步骤1：采用一种启发式的D2D设备对与蜂窝用户配对方案，描述如下：对于任意D2D链路n，选择使得
取最大值的蜂窝用户k进行配对，得到频率复用指示因子ρk,n。该配对方案仅需根据蜂窝用户与基站之间信道、以及蜂窝用户与D2D接收机之间信道的强度实现配对，复杂度较低。
步骤2：完成配对后的以上问题仍是包含耦合变量和非凸约束函数的非凸优化问题。该问题可以综合利用交替优化(Alternating Optimization)技术“Stephen Boyd andLieven Vandenberghe,Convex Optimization.Cambridge Univ.Press,2004”、凸近似优化(如连续凸优化(Successive Convex Optimization))技术“A.Beck,A.Ben-Tal,andL.Tetruashvili,“Asequential parametric convex approximation method withapplications to nonconvex truss topology design problems,”J.Glob.Opt.,vol.47,no.1,pp.29–51,Jan.2010”、拉格朗日对偶变换(Lagrangian Dual Transform)方法“K.Shen and W.Yu,“Fractional programming for communication systems—Part II:Uplink scheduling via matching”.IEEE Transactions on Signal Processing,vol.66,no.10,pp.2631-2644.”、二次变换(Quadratic Transform)方法“K.Shen andW.Yu,“Fractional programming for communication systems—Part I:Power controland beamforming”.IEEE Transactions on Signal Processing,vol.66,no.10,pp.2616-2630,2018”，通过高效的迭代算法进行求解，进而得到D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ的联合优化设计方案。
本发明的有益效果是：本发明提出一种反射面辅助的D2D通信系统，以及D2D设备对与蜂窝用户配对、D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
及反射面被动式波束赋形的联合优化设计方法。基站接收到来自蜂窝用户的有用信号、以及来自复用相同频段的D2D发送设备的干扰信号；D2D接收设备接收到来自相应D2D发送设备的有用信号、以及来自共享相同频段的蜂窝用户的干扰信号。本发明通过启发式方法来确定D2D对与蜂窝用户的配对方案，并联合优化D2D链路和蜂窝链路的发送功率、以及反射面被动式波束赋形，在满足D2D用户及蜂窝用户通信速率要求的情况下，实现系统和速率最大化。通过仿真验证，本发明在不影响传统蜂窝系统正常通信、且不额外增加能量、频谱和成本开销的情况下，大幅提升系统和速率，具有很强的应用价值以及发展潜力。
附图说明
图1示出了本发明的系统组成示意图；
图2为系统和速率与发送设备最大传输功率的关系图；
图3为系统和速率与反射面的反射单元数目的关系图；
图4为反射面辅助D2D系统下，不同数目离散相位与连续相位的速率比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出一个智能反射面辅助的D2D通信系统。系统由N个单天线D2D设备对、K个蜂窝用户、一个基站以及一个智能反射面组成。智能反射面包含M个无源反射单元及一个与其相连的控制器；其中，每个反射单元调整入射信号的幅度和相位后反射，控制器可以动态调整反射单元的幅度和相位偏移，智能地重构无线通信环境，以实现有用信号增强和干扰抑制。
考虑单天线基站，假设所有设备部署单根天线，反射面的反射单元数目为M，D2D设备对数为N，蜂窝用户数为K。第n(1≤n≤N)个D2D发送设备表示为TXn，第n个D2D接收设备表示为RXn，第k(1≤k≤K)个CU表示为CUk。TXn处发送信号表示为sn,CUk处发送信号表示为xk。设第k个CU与第n个D2D设备对间的频率复用指示因子为ρk,n；其中ρn,n＝1表明第n个D2D设备对复用了第k个CU的频率资源，否则ρn,n＝0。则RXn处的信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)为
其中，
为TXn的发送功率，
表示TXn到RXn的信道，
表示CUk到RXn的信道，
表示TXn到反射面的信道，
表示CUk到反射面的信道，
表示反射面到RXn的信道，
表示反射面的反射系数矩阵，αm∈[0,1]和βm∈[0,2π)分别表示第m个反射单元的幅度和相移角度。σ2表示零均值加性高斯白噪声的功率。
基站处CUk的SINR为
其中，
为CUk的发送功率，
表示CUk到BS的信道，
表示TXn到BS的信道，
表示反射面到BS的信道，σ2表示零均值加性高斯白噪声的功率。
接下来为了最大化系统的和速率性能，建立如下优化问题，即通过联合优化频率复用指示因子ρk,n、D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ，来最大化系统的和速率。
其中，第一个约束条件为第n个D2D设备对的最小SINR约束，第二个约束条件为第k个蜂窝用户的最小SINR约束，第三个约束条件表示一个D2D设备对至多能复用一个蜂窝用户的频率资源，第四个约束条件表示一个蜂窝用户至多能与一个D2D设备对共享频率资源，第五个约束条件为D2D设备发送功率的非负约束和峰值约束，第六个约束条件为蜂窝用户发送功率的非负约束和峰值约束，第七个约束为反射单元的幅度范围约束，第八个约束为反射单元的相移范围约束。
以上问题涉及求解D2D设备对与蜂窝用户配对的整数规划问题，是一个非确定性多项式(non-deterministic polynomial,NP)难题，较难求解。本发明提出以下2步方法来实现系统的优化设计。
步骤1：采用一种启发式的D2D设备对与蜂窝用户配对方案，描述如下：对于任意D2D链路n，选择使得
取最大值的蜂窝用户k进行配对，得到频率复用指示因子ρk,n。该配对方案仅需根据蜂窝用户与基站之间信道、以及蜂窝用户与D2D接收机之间信道的强度实现配对，复杂度较低。
步骤2：完成配对后的以上问题仍是包含耦合变量和非凸约束函数的非凸优化问题。该问题可以综合利用交替优化(Alternating Optimization)技术“Stephen Boyd andLieven Vandenberghe,Convex Optimization.Cambridge Univ.Press,2004”、凸近似优化(如连续凸优化(Successive Convex Optimization))技术“A.Beck,A.Ben-Tal,andL.Tetruashvili,“A sequential parametric convex approximation method withapplications to nonconvex truss topology design problems,”J.Glob.Opt.,vol.47,no.1,pp.29–51,Jan.2010”、拉格朗日对偶变换(Lagrangian Dual Transform)方法“K.Shen and W.Yu,“Fractional programming for communication systems—Part II:Uplink scheduling via matching”.IEEE Transactions on Signal Processing,vol.66,no.10,pp.2631-2644.”、二次变换(Quadratic Transform)方法“K.Shen andW.Yu,“Fractional programming for communication systems—Part I:Power controland beamforming”.IEEE Transactions on Signal Processing,vol.66,no.10,pp.2616-2630,2018”，通过高效的迭代算法进行求解，进而得到D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ的联合优化设计方案。
为说明该系统在和速率性能上的优越性，引入另外两种系统作为对比参照。第一种为传统没有反射面的D2D通信系统，通过优化频率复用因子和发送功率来提高系统和速率性能；第二种为反射单元的幅度设为最大值(即1)的D2D通信系统，且考虑反射单元相位离散化，通过优化发送功率和反射单元的相移来提高系统和速率性能。
下面通过仿真实验来验证本发明的有益效果。仿真参数设置如下，TXs到反射面、CUs到反射面、反射面到RXs、反射面到基站的信道建模为莱斯信道，莱斯因子都为10，大尺度路径损耗分别设为10-3d-2.2、10-3d-2.2、10-3d-2.2、10-3d-2(d为收发机的距离，单位为米)。TXs到RXs、TXs到基站、CUs到RXs、CUs到基站的信道建模为瑞利信道，大尺度路径损耗分别设为10-3d-4、10-3d-3.8、10-3d-4、10-3d-3.8。考虑TXs到反射面距离dt,i服从区间为25m到30m的均匀分布，即dt,i～U(25,30)；CUs到反射面的距离dc,i满足dc,i～U(35,40)；反射面到RXs距离di,r满足di,r～U(20,25)；反射面到基站的距离di,b为40m。TXs到RXs的距离dt,r满足dt,r～U(30,40)；TXs到基站的距离dt,b满足dt,b～U(45,50)；CUs到RXs的距离dc,r满足dc,r～U(40,50)；CUs到基站的距离dc,b满足dc,b～U(35,40)。设
噪声功率σ2＝-80dBm。
图2示出了M＝100，N＝2，K＝4时，系统和速率随发送设备最大传输功率pmax的变化关系。首先，可以观察到随着pmax增大，系统和速率增加，且所提出系统的和速率远高于传统无反射面的D2D通信系统。在pmax为10dBm和20dBm时，所提出系统的和速率性能分别高于传统无反射面的D2D通信系统327.57％和35.04％。再者，与穷尽搜索所得到的最优配对方案相比，所提出的启发式配对方案性能下降不大，且复杂度低。
图3示出了pmax＝10dBm，N＝2，K＝4时，系统和速率随反射面的反射单元数目M的变化关系。首先，观察到传统没有反射面的D2D通信系统的和速率保持不变，而其他系统的和速率随M的增加而增加。这是因为采用更多的反射单元可增强反射信道强度，同时更好地实现有用信号增强和干扰抑制。其次，所提出的启发式配对方案与穷尽搜索所得的最优配对方案的和速率性能随M的增加，两者间差距减小。
此外，考虑到硬件限制，实际系统的反射面具有有限的相位分辨率，即反射面的反射系数为离散取值。设定相位的量化比特为B，则离散相位取值集合为
每个反射单元相移角度取距其精确值最近的离散相移值，幅值取最大值1。
图4示出了M＝100，N＝2，K＝4时，不同相位量化比特下系统的和速率随发送设备最大传输功率pmax的变化关系。观察可知，与连续相位相比，反射面的有限相位分辨率通常会使系统和速率性能下降。在相同pmax处，系统和速率随着离散比特B的增加而增加，这是因为B的增加使反射系数的设置更精确。特别地，2位移相器可在性能下降较小的情况下获得足够的性能增益。即使是在最粗略最低成本的1比特相位量化器的情况下，与传统的无IRS的D2D通信系统相比，所提出的反射面辅助D2D系统的和速率得到显著提升。
Claims (2)
1.反射面辅助的设备到设备通信系统优化方法，其特征在于，所述系统包括N个D2D设备对、K个蜂窝用户、一个基站以及一个智能反射面，K≥N；智能反射面包含M个无源反射单元及一个与其相连的控制器，所述控制器用于动态调整每个反射单元的反射系数，以改变反射信号的幅度和相位，实现有用信号增强和链路间干扰抑制；
在系统中，每个蜂窝用户的信道正交，一个D2D设备对至多复用一个蜂窝用户的频率资源，且一个蜂窝用户至多与一个D2D设备对共享频率资源，令第k个蜂窝用户CUk向基站BS发送的信号表示为sk，第n个D2D发送设备TXn向D2D接收设备发送的信号表示为xn，k≤K，n≤N，则基站接收到来自蜂窝用户的有用信号、来自复用相同频段的D2D发送设备的干扰信号、以及来自反射面的反射链路信号，基站处的接收信号为：
其中，
为CUk的发送功率，
为TXn的发送功率，
表示CUk到BS的信道，
表示TXn到BS的信道，
表示反射面到BS的信道，
表示CUk到反射面的信道，
表示TXn到反射面的信道，
表示反射面的反射系数矩阵，αm∈[0,1]和βm∈[0,2π)分别表示第m个反射单元的幅度和相移角度，ρk,n是频率复用指示因子，当第n个D2D对复用第k个蜂窝用户的资源时，ρk,n＝1；否则，ρk,n＝0；wB表示基站处的功率为σ2的零均值加性高斯白噪声；
D2D接收设备接收到来自相应D2D发送设备的有用信号、来自共享相同频段的蜂窝用户的干扰信号、以及来自反射面的反射链路信号，第n个D2D接收设备RXn处的接收信号为：
其中，
表示RXn到RXn的信道，
表示CUk到RXn的信道，
表示反射面到RXn的信道，wn表示RXn处的功率为σ2的零均值加性高斯白噪声；
通过将干扰信号视为噪声进行解码，获得有用信号；
D2D设备对与蜂窝用户配对、发送设备功率分配、以及反射面被动式波束赋形的联合优化方法具体为：
为最大化系统的和速率，联合优化频率复用指示因子ρk,n、D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ为目标，建立优化问题如下：
其中，第一个约束条件为第n个D2D设备对的最小SINR约束，第二个约束条件为第k个蜂窝用户的最小SINR约束，第三个约束条件表示一个D2D设备对至多能复用一个蜂窝用户的频率资源，第四个约束条件表示一个蜂窝用户至多能与一个D2D设备对共享频率资源，第五个约束条件为D2D设备发送功率的非负约束和峰值约束，第六个约束条件为蜂窝用户发送功率的非负约束和峰值约束，第七个约束为反射单元的幅度范围约束，第八个约束为反射单元的相移范围约束；通过求解优化问题，得到D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ。
2.根据权利要求1所述的反射面辅助的设备到设备通信系统优化方法，其特征在于，优化问题的求解方法为：
采用启发式的D2D设备对与蜂窝用户配对方案，具体是：对于任意D2D链路n，选择使得
取最大值的蜂窝用户k进行配对，得到频率复用指示因子ρk,n；再通过迭代算法对优化问题求解从而得到D2D发送设备的发送功率
和CU的发送功率
以及反射面的反射系数矩阵Φ。
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