CN112637899A - 对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法及系统,包括：构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数；所述源车辆终端实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。本发明有效改善了无线通信网络中传输性能。

Description

对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是指一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法及系统。
背景技术
5G(Fifth Generation)无线网络因具备更强的通信能力而在未来十年将得到广泛部署。然而，其中依然存在很多技术问题没有得到解决。下一代6G(Sixth Generation)通信网络将面对这些挑战从而提供有效地解决方案，尤其对于物理层传输技术。物理层技术将成为6G通信网络框架中的重点研究方向。高频谱利用率、高能量效率和灵活的网络结构将成为能够满足移动用户未来需求和挑战的重要方面，这对于智能交通系统(IntelligentTraffic System,ITS)至关重要。从5G到6G发展过程中，无线通信传输环境问题一直制约着无线通信系统的发展，如衰落现象、信号衰减、符合间干扰、Doppler频移等等。无线传输信道的随机性、时变性和不可控性是影响无线通信系统性能提升的主要原因。
现有已提出很多关于无线信道传输物理层技术解决方案来克服上述问题，如增强的编码和调制技术、MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术、协作通信技术、非正交多址访问技术、波束赋形技术、多阵列天线技术等等。然而这些技术并没有从根本上改变无线通信传输环境，无法进一步提升无线通信系统传输效率和服务质量(Quality ofService,简称QoS)。因此，现有信号无线传输过程中存在由于多径传输和Doppler效应引起的性能衰减问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中信号无线传输过程中存在由于多径传输和Doppler效应引起的性能衰减问题，从而提供一种缓解信号无线传输过程中存在由于多径传输和Doppler效应引起的性能衰减的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，包括：构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息；所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。
在本发明的一个实施例中，所述源车辆终端与RISs装置之间以及所述目的车辆终端与RISs装置之间均可通信。
在本发明的一个实施例中，所述相关参数信息包括：源车辆终端和目的车辆终端的位置坐标、移动速度以及方向角度。
在本发明的一个实施例中，所述源车辆终端和目的车辆终端的位置坐标通过GPS获得，移动速度通过相应速度传感器获得，方向角度通过相应角度传感器或位置坐标几何计算获得。
在本发明的一个实施例中，所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离的方法为：所述源车辆终端根据相关参数运用自身处理能力实时计算自身与目的通信端之间的通信距离。
在本发明的一个实施例中，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数的方法为：所述RISs装置与控制器连接，所述控制器利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数并控制相应反射波束。
在本发明的一个实施例中，所述目的车辆终端接收合并信号包括源车辆终端至目的车辆终端信号和所述RISs装置中转源车辆终端发送信号并反射至目的车辆终端信号。
在本发明的一个实施例中，控制RISs装置按照自身反射系数调控时，使目的车辆终端接收信号强度依据应用场景始终最大或最小。
在本发明的一个实施例中，所述源车辆终端直接发送信号是直射径发送信号或可视径发送信号。
本发明还提供了一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的系统，包括：构建模块，用于构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；初始化模块，用于初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息；求解模块，用于所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；调控模块，用于将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；合并模块，用于所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置，有利于部署RISs辅助发送端车辆传输信息；初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息，有利于实时计算源车辆终端与目的通信端之间的通信距离；所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端，从而可实时调控RISs反射系数相位与传输信号相位的关系，有效地增强接收端车辆接收信号强度；所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号，不但缓解信号无线传输过程中由于多径传输和Doppler效应引起的性能衰减，有效改善了无线通信网络中传输性能，而且整个过程规范，易于实现。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法流程图；
图2是本发明ITS十字路口处的RISs辅助无线传输系统模型示意图；
图3是本发明RISs辅助通信下ITS系统几何示意。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，包括如下步骤：步骤S1：构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；步骤S2：初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息；步骤S3：所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；步骤S4：将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；步骤S5：所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。
本实施例所述对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，所述步骤S1中，构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置，有利于部署RISs辅助发送端车辆传输信息；所述步骤S2中，初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息，有利于实时计算源车辆终端与目的通信端之间的通信距离；所述步骤S3中，所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；所述步骤S4中，将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端，从而可实时调控RISs反射系数相位与传输信号相位的关系，有效地增强接收端车辆接收信号强度；所述步骤S5中，所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号，不但缓解了信号无线传输过程中由于多径传输和Doppler效应引起的性能衰减，有效改善了无线通信网络中传输性能，而且整个过程规范，易于实现。
所述步骤S1中，所述源车辆终端与RISs装置之间以及所述目的车辆终端与RISs装置之间均可通信，从而有利于传输信息。
所述步骤S2中，所述相关参数信息包括：源车辆终端和目的车辆终端的位置坐标、移动速度以及方向角度。
其中，所述源车辆终端S、RISs(部署于R处)和目的车辆终端D的初始位置参数分别为(xt,yt)、(xo,yo)和(xr,yr)，源车辆终端S移动速度为v，源车辆终端S与目的车辆终端D之间夹角为θ，源车辆终端S与RIS之间夹角为
Figure BDA0002844920640000051
所述源车辆终端和目的车辆终端的位置坐标通过GPS获得，移动速度通过相应速度传感器获得，方向角度通过相应角度传感器或位置坐标几何计算获得。
所述步骤S3中，所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间通信距离的方法为：所述源车辆终端根据相关参数运用自身处理能力实时计算自身与目的通信端之间的通信距离。
其中，源车辆终端S、RISs和目的车辆终端D三者两两之间的初始距离，即源车辆终端S与目的车辆终端D之间的距离为d0、源车辆终端S与R之间的距离为d1，R与目的车辆终端D之间的距离为d2。
利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数的方法为：所述RISs装置与控制器连接，所述控制器利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数并控制相应反射波束。
所述控制器可以为FPGA装置；所述目的车辆终端接收合并信号包括源车辆终端至目的车辆终端信号和所述RISs装置中转源车辆终端发送信号并反射至目的车辆终端信号。
具体地，所述目的车辆终端接收合并信号包括源车辆终端至目的车辆终端(S→D)信号和所述RISs装置中转源车辆终端发送信号并反射至目的车辆终端(S→R→D)信号，即：
rc(t)＝r{S→D}(t)+σ·r{S→R→D}(t)
其中，σ为R处RISs装置的反射系数，其实时形式表示为：
σ(t)＝βejΘ(t)，β∈[0,1]
其中，β为RISs单元幅度，Θ(t)为RISs单元调控相位。
源车辆终端S发送未调制载波射频信号u(t)为：
u(t)＝a(t)cos(2πfct-kcz+φ0)
其中，a(t)为u(t)包络，fc为传输信号载频，z为电磁波传输方向距离，kc为传输系数kc＝2π/λc，φ0为传输信号初始相位。
未调制信号u(t)经过等价低通滤波器传输之后，丢弃初始相位φ0，选择复包络信号表示传输信号信息为：
r(t)＝a(t)exp(-jkcd(t))
其中，d(t)为发送端和接收端在时间t时之间的距离。
所述步骤S4中，将所述自身反射系数发送至所述RISs装置时，是通过所述控制器将所述自身反射系数发送至所述RISs装置。
控制RISs装置按照自身反射系数调控时，使目的车辆终端接收信号强度依据应用场景始终最大或最小。
由于所述调控由RISs反射系数σ确定，即实时调控Θ(t)，保证目的车辆终端D接收信号强度rc(t)依据应用场景始终最大或最小，即
Figure BDA0002844920640000071
Figure BDA0002844920640000072
其中，fc为传输信号载频，fd和fr为不同传输路径时载波频率。
所述步骤S5中，所述源车辆终端直接发送信号是直射径发送信号或可视径发送信号。
将两路信号进行合并时：将目的车辆终端D接收直传路径(S→D)和中继路径(S→R→D)两路信号接收合并信号为
Figure BDA0002844920640000073
下面结合实施例对本发明作更详细的说明：
如图2所示，为位于ITS十字路口处的RISs辅助无线通信模型，车辆D位于由北向南的街道中心线上，与位于其垂直方向街道路口中心线处等待的车辆S通信，RISs部署于街道十字路口街角建筑物表面，则车辆S、车辆D和RISs的位置坐标分别为(xt,yt)、(xr,yr)和(xo,yo)，则车辆S、车辆D和RISs装置彼此之间的距离分别为d0、d1和d2，即：
Figure BDA0002844920640000081
本发明以位于与车辆S同方向街道十字路口街角建筑物表面R处为例说明，且坐标原点定义在十字路口几何中心处，如图3所示，当街道宽度为L时，车辆S、车辆D和RISs装置的位置坐标分别为(xt,0)、(0,L/2)和(-L/2,-L/2)，其彼此之间的距离为：
Figure BDA0002844920640000082
为方便分析，假设车辆S传输未调制射频(Radio Frequency,RF)载波信号u(t)，即：
u(t)＝a(t)cos(2πfct-kcz+φ0)
其中，a(t)为u(t)信号包络，fc为载波信号频率，z为沿着电磁波传输方向距离，φ0为传输信号u(t)的初始相位，kc为电磁波传输环境中传输系数，定义为：
Figure BDA0002844920640000083
其中，λc为波长。
由通信理论可知，所有传输信号所携带信息可以由包络和相位信息所涵盖。因此，采用复包络形式代替原信号幅度和相位，当发送端与接收端之间距离在时间t时表示为d(t)时，其低通等价信号表示为：
r(t)＝a(t)exp(-jkcd(t))
本发明假设通信系统中所有天线为具有单位增益采用线性单元的全向天线，依据电磁波自由空间传输损耗，包络值a(t)可表示为：
Figure BDA0002844920640000091
由图3可知，车辆S可以通过可视路径(Light of Sight,LoS)与车辆D采用直接通信方式(S→D)通信，同时车辆S通过以辅助反射方式(S→R→D)传输信息至车辆D。车辆S以速度v行驶在街道上，则传输信号在S→D和S→R→D方向的传输速度可以表示为：
Figure BDA0002844920640000092
相应的，可以获得车辆行驶过程中距离d(t)的实时变化。由于车辆移动引起传输信号Doppler频移，在S→D和S→R→D方向上表现为：
Figure BDA0002844920640000093
其中，c为光的传播速度。
当墙角位置R处部署RISs装置时，其时变增益反射系数表示为：
σ(t)＝βejΘ(t),β∈[0,1]，Θ(t)∈[0,2π)
通过调控RISs装置表面β和Θ(t)调控无线传输环境，结合前面通信过程描述，车辆D从两个传输路径接收到行驶车辆S所发送信号的合并信号表示为：
Figure BDA0002844920640000094
由上式可知，接收信号rc(t)波形幅度最大或最小时，调控RISs装置反射系数相位Θ(t)应分别满足以下准则：
Figure BDA0002844920640000095
Figure BDA0002844920640000096
事实上，保持两路信号相位始终对齐对于ITS中移动环境来说是困难的工作，由于RISs硬件设计及现有技术的限制，很难保证达到实现RISs相位实时调控的速率。通常情况下，RISs反射系数相位取得离散时间的常数值。
一方面，按照Θ(t)调控准则，消除多径传输和Doppler效应引起的衰落后，车辆D接收合并信号包络为：
Figure BDA0002844920640000101
在一定时间，所接收合并信号包络的最大幅值为：
Figure BDA0002844920640000102
另一方面，当ITS中存在非法监听用户试图接收传输信号时，可有效利用RISs的调控功能消弱所接收的合并信号，防止监听者接收合法信息，从而提高系统安全性。此时，车辆D接收合并信号包络为：
Figure BDA0002844920640000103
类似地，所接收合并信号包络的最小幅值为：
Figure BDA0002844920640000104
实施例二
基于同一发明构思，本实施例提供了一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的系统，其解决问题的原理与所述对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法类似，重复之处不再赘述。
本实施例提供一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的系统，包括：
构建模块，用于构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；
初始化模块，用于初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息；
求解模块，用于所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；
调控模块，用于将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；
合并模块，用于所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；
步骤S2：初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息；
步骤S3：所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；
步骤S4：将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；
步骤S5：所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。
2.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：所述源车辆终端与RISs装置之间以及所述目的车辆终端与RISs装置之间均可通信。
3.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：所述相关参数信息包括：源车辆终端和目的车辆终端的位置坐标、移动速度以及方向角度。
4.根据权利要求3所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：所述源车辆终端和目的车辆终端的位置坐标通过GPS获得，移动速度通过相应速度传感器获得，方向角度通过相应角度传感器或位置坐标几何计算获得。
5.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离的方法为：所述源车辆终端根据相关参数运用自身处理能力实时计算自身与目的通信端之间的通信距离。
6.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数的方法为：所述RISs装置与控制器连接，所述控制器利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数并控制相应反射波束。
7.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：所述目的车辆终端接收合并信号包括源车辆终端至目的车辆终端信号和所述RISs装置中转源车辆终端发送信号并反射至目的车辆终端信号。
8.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：控制RISs装置按照自身反射系数调控时，使目的车辆终端接收信号强度依据应用场景始终最大或最小。
9.根据权利要求1所述的对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的方法，其特征在于：所述源车辆终端直接发送信号是直射径发送信号或可视径发送信号。
10.一种对抗无线通信多径衰落与多普勒效应的系统，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建智能交通系统ITS网络，所述ITS网络包括彼此可通信的源车辆终端与目的车辆终端以及RISs装置；
初始化模块，用于初始化源车辆终端和目的车辆终端所需物理参数，获得源车辆终端和目的车辆终端的相关参数信息；
求解模块，用于所述源车辆终端根据相关参数实时计算自身与目的通信端之间的通信距离，并发送通信请求至所述目的车辆终端和RISs装置，利用满足目的车辆终端接收合并信号最强的条件求解自身反射系数；
调控模块，用于将所述自身反射系数发送至所述RISs装置，并控制RISs装置按照自身反射系数调控以接收入射波信号并反射发送至所述目的车辆终端；
合并模块，用于所述目的车辆终端接收所述源车辆终端直接发送信号和RISs装置所反射的信号，并合并两路信号。
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