CN112911669B - 一种基于智能超表面/中继的d2d通信模式切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，以D2D通信链路可达速率最大为目标，D2D用户对可在AF中继辅助D2D通信模式，DF中继辅助D2D通信模式与RIS辅助D2D通信模式之间进行动态切换，使得D2D用户对始终保持最优的通信质量，其步骤如下：1)当一对D2D用户需要通信时，系统首先获取D2D发送端与D2D接收端各自到RIS的距离以及D2D用户到中继用户的距离信息；2)根据步骤1)中的信息，系统以本发明提出的模式切换方案为准则，切换至该距离信息下的最佳通信模式，使得D2D用户间达到最大传输速率。本发明的优势在于D2D系统可根据当前通信场景的传输环境选择最优的传输模式，显著提升D2D通信系统的可达速率。

Description

一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法
技术领域
本发明涉及一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，属于领域通信技术领域。
背景技术
随着移动终端数量的爆炸式增长以及高清多媒体业务的大范围普及，传统蜂窝网络的时频资源有限、系统容量小、信号通过基站中转等特点使其无法满足大量用户以及高速数据传输的需求。Device-to-Device(D2D)技术，作为5G网络的关键技术之一，其特征在于允许距离较近的用户通过复用蜂窝用户时频资源建立直接通信链路从而提升系统容量与用户间数据传输速率。
智能超表面(RIS)为6G网络的搭建提供了新的思路。RIS由大量廉价无源的散射元件构成，该散射元件由液晶、铁电薄膜或其他软件定义的超材料构成，能够数字化操控电子波，从而以较低的功率消耗控制电磁波的传输特性，改善传输环境、提高数据速率、提高能效、扩大覆盖范围。
发明内容
本发明为解决的问题，提供了一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，D2D通信系统内包括多个D2D用户、多个蜂窝用户、一个基站BS和一个智能超表面RIS，D2D通信系统采用OFDM方案，每个子载波同时服务于1个蜂窝用户UEC、1对D2D通信用户，D2D用户能够作为中继用户UER进行信号转发，D2D用户能够选择的通信模式包括：放大转发中继AF-UER辅助D2D通信模式、译码转发中继DF-UER辅助D2D通信模式以及RIS辅助D2D通信模式。
D2D通信模式切换方法具体为：
步骤一：在当前传输时隙末，D2D用户以当前通信模式进行通信；
步骤二：D2D通信系统获得当前D2D发送端用户UEDT到RIS的距离
Figure BDA0002897192620000011
RIS到D2D接收端用户UEDR的距离
Figure BDA0002897192620000012
UEDT到UER的距离
Figure BDA0002897192620000013
以及UER到UEDR的距离
Figure BDA0002897192620000014
步骤三：基站根据步骤二获取的距离信息，确定下一传输时隙的D2D通信模式，以保证下一时隙D2D链路的可达速率达到最优；
步骤四：在下一传输时隙初，D2D用户切换至步骤三中基站确定的D2D通信模式进行通信；
步骤五：在下一传输时隙末，重复上述步骤，直至通信结束。
进一步，D2D用户以Underlay模式复用蜂窝资源。
进一步，步骤三具体为：
根据步骤二获取的距离信息，若满足fRIS,AF＞0且fRIS,DF＞0，则确定下一传输时隙的D2D通信模式为RIS辅助D2D通信模式；若满足fRIS,AF≤0且fAF,DF＞0，则确定下一传输时隙的D2D通信模式为AF-UER辅助D2D通信模式；若满足fRIS,DF≤0且fAF,DF≤0，则确定下一传输时隙的D2D通信模式为DF-UER辅助D2D通信模式；
其中：
Figure BDA0002897192620000021
Figure BDA0002897192620000022
Figure BDA0002897192620000023
其中，DT、DR、R、S、C、B分别表示UEDT、UEDR、UER、RIS、UEC、BS；Lij＝Lji＝(dij/d0)-α表示i-j链路的归一化路径损耗，d0为归一化参考距离，α为路径损耗系数，i,j＝DT,DR,R,S,C,B，AF中继协议下的放大系数
Figure BDA0002897192620000024
Figure BDA0002897192620000025
Figure BDA0002897192620000026
表示i处的发送信噪比，
Figure BDA0002897192620000027
表示l处接收到的来自UEC的干扰，l＝R,DR，
Figure BDA0002897192620000028
表示UEDR接收到的来自BS的干扰，η表示RIS的反射系数，M为RIS的反射单元数；γDF,l表示DF模式下l处的接收信干噪比。进一步，RIS上每个反射单元的反射系数相同。
进一步，UEDT至RIS上每个反射单元的距离相等，均为
Figure BDA0002897192620000031
RIS上每个反射单元至UEDR的距离相等，均为
Figure BDA0002897192620000032
有益效果
1、本发明充分分析RIS技术与AF、DF中继技术的特点，旨在不同通信环境中充分发挥各自的优势；
2、本发明的理论分析结果均以简单的闭式解形式给出，算法也因此具有较低的时间复杂度；
3、本发明提出的模式选择方案，能够保证D2D用户在三种通信模式都存在或任意两种通信模式存在的环境中选择可达速率最大的通信模式进行相互通信，大幅提升D2D用户的通信质量。
附图说明
图1是一种基于RIS/中继的D2D通信模式切换方案步骤图；
图2是一种基于RIS/中继的D2D通信模式切换方案流程图；
图3是一种基于RIS/中继的D2D通信模式切换方案仿真图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，进一步阐释本发明的理念。应理解这些实施例仅用于明本发明而不用于限制本发明的使用范围，在了解了本发明后，本领域研究人员对本发明的各种等价形式的修改需落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
本发明涉及到的D2D通信系统中包括多个D2D用户、多个蜂窝用户、1个基站和1个RIS。系统采用OFDM方案，每个子载波同时服务于1个蜂窝用户和1组D2D通信用户。系统中的D2D用户可以作为中继用户UER进行信号转发，D2D用户在该系统中可以选择的通信模式有三种，分别为：AF-UER辅助的D2D通信模式、DF-UER辅助的D2D通信模式以及RIS辅助的D2D通信模式
如图1所示，本发明的D2D通信系统模式选择方法具体步骤如下：
步骤101、D2D用户以当前传输模式进行相互通信。
步骤102、系统获得当前UEDT与UEDR分别到RIS以及UER的距离
Figure BDA0002897192620000033
Figure BDA0002897192620000034
步骤103、基站根据步骤二获取的距离信息判断是否满足切换阈值。当fRIS,AF＞0且fRIS,DF＞0时，D2D传输模式设定为RIS辅助的D2D通信模式；当fRIS,AF≤0且fAF,DF＞0时，D2D传输模式设定为AF-UER辅助的D2D通信模式；当fRIS,DF≤0且fAF,DF≤0时，D2D传输模式设定为DF-UER辅助的D2D通信模式。
其中，
Figure BDA0002897192620000041
Figure BDA0002897192620000042
Figure BDA0002897192620000043
其中a1＝(ICR+1)(GηM)2,
Figure BDA0002897192620000044
Figure BDA0002897192620000045
γDF,l(l＝R,DR)表示DF模式下节点l处的接收信干噪比；AF中继协议下的放大系数
Figure BDA0002897192620000046
表示节点l接收到的来自蜂窝用户的干扰，
Figure BDA0002897192620000047
表示用户DR接收的到来自BS的干扰,
Figure BDA0002897192620000048
表示用户i处的发送信噪比，,M为RIS的反射单元数；Lij＝Lji＝(dij/d0)-α(i,j＝DT,DR,R,S,C,B)为i-j链路的归一化路径损耗，d0为归一化参考距离，α为路径损耗系数。
本发明认为UEDT至RIS上每个反射单元的距离
Figure BDA0002897192620000049
相等，RIS上每个反射单元至UEDR的距离
Figure BDA00028971926200000410
相等，即
Figure BDA00028971926200000411
ηm∈[0,1]为RIS上第m个反射单元的反射系数，本发明假设每个反射单元的反射系数相同，即ηm＝η；θm,θm∈[0,2π)为RIS上第m个反射单元的相移，设置θm＝-(φm+ωm)，其中φm与ωm分别为UEDT-RIS与RIS-UEDR链路的信道相移，此时RIS辅助D2D通信模式下的接收信干噪比
Figure BDA0002897192620000051
可取得最大值，最大值为
Figure BDA0002897192620000052
步骤104、在下一时隙初，D2D用户切换至步骤三中基站确定的通信模式进行传输。
步骤105、在下一时隙末，系统重复上述步骤。
进一步，在D2D通信系统中，D2D用户以Underlay模式复用蜂窝资源。
进一步，通过控制RIS上反射单元的相移，使得RIS辅助的D2D通信模式下的可达速率取其最优解。
进一步，RIS上反射单元的相移控制与信道相移有关。
进一步，对于步骤四中所述，D2D用户采用上一时隙末基站选择的传输模式进行通信的同时，反馈当前时隙的距离信息，为本时隙末的模式选择提供有效信息。
进一步，具体传输时隙的时长根据通信环境动态调整。
图2为本发明一种基于中继与RIS的D2D通信系统模式选择方案一个具体实施例的流程图，具体步骤如下：
步骤201：系统获得当前D2D发送端用户与D2D接收端用户各自到RIS以及中继的距离
Figure BDA0002897192620000053
步骤202：判断所获取的距离信息
Figure BDA0002897192620000054
是否满足fRIS,AF＞0，若是，则执行步骤203；否则执行步骤204；
步骤203：判断所获取的距离信息
Figure BDA0002897192620000055
是否满足fRIS,DF＞0，若是，则执行步骤205；否则执行步骤206；
步骤204：判断所获取的距离信息
Figure BDA0002897192620000056
是否满足fAF,DF＞0，若是，则执行步骤207；否则执行步骤206；
步骤205：D2D用户在下一时隙切换至RIS辅助的D2D通信模式进行通信；
步骤206：D2D用户在下一时隙切换至DF-UER辅助D2D通信模式进行通信；
步骤207：D2D用户在下一时隙切换至AF-UER辅助D2D通信模式进行通信。
图3为本发明一种基于中继与RIS的D2D通信系统模式选择方案一个仿真图，从图中可以看出：
本发明保证D2D用户始终选择可达速率最大的通信模式进行相互通信；
本发明的仿真结果同时说明了AF-UER辅助D2D通信模式适用于D2D用户距离较近的情况，DF-UER辅助的D2D通信模式适用于D2D用户距离较远的情况，RIS辅助的D2D通信模式适用于D2D距离适中的情况；
本发明充分发挥现有三种通信模式各自的优势，从而提升D2D系统的整体性能。
应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，其特征在于，D2D通信系统内包括多个D2D用户、多个蜂窝用户、一个基站BS和一个智能超表面RIS，D2D通信系统采用OFDM方案，每个子载波同时服务于1个蜂窝用户UEC、1对D2D通信用户，D2D用户能够作为中继用户UER进行信号转发，D2D用户能够选择的通信模式包括：放大转发中继AF-UER辅助D2D通信模式、译码转发中继DF-UER辅助D2D通信模式以及RIS辅助D2D通信模式；
D2D通信模式切换方法具体为：
步骤一：在当前传输时隙末，D2D用户以当前通信模式进行通信；
步骤二：D2D通信系统获得当前D2D发送端用户UEDT到RIS的距离
Figure FDA0004129004940000011
RIS到D2D接收端用户UEDR的距离
Figure FDA0004129004940000012
UEDT到UER的距离
Figure FDA0004129004940000013
以及UER到UEDR的距离
Figure FDA0004129004940000014
步骤三：基站根据步骤二获取的距离信息，确定下一传输时隙的D2D通信模式，以保证下一时隙D2D链路的可达速率达到最优；
步骤四：在下一传输时隙初，D2D用户切换至步骤三中基站确定的D2D通信模式进行通信；
步骤五：在下一传输时隙末，重复上述步骤，直至通信结束；
所述步骤三具体为：
根据步骤二获取的距离信息，若满足fRIS,AF＞0且fRIS,DF＞0，则确定下一传输时隙的D2D通信模式为RIS辅助D2D通信模式；若满足fRIS,AF≤0且fAF,DF＞0，则确定下一传输时隙的D2D通信模式为AF-UER辅助D2D通信模式；若满足fRIS,DF≤0且fAF,DF≤0，则确定下一传输时隙的D2D通信模式为DF-UER辅助D2D通信模式；
其中：
Figure FDA0004129004940000015
Figure FDA0004129004940000016
Figure FDA0004129004940000021
其中，DT、DR、R、S、C、B分别表示UEDT、UEDR、UER、RIS、UEC、BS；Lij＝Lji＝(dij/d0)-α表示i-j链路的归一化路径损耗，d0为归一化参考距离，α为路径损耗系数，i,j＝DT,DR,R,S,C,B，AF中继协议下的放大系数
Figure FDA0004129004940000022
a1＝(ICR+1)(GηM)2,
Figure FDA0004129004940000023
Figure FDA0004129004940000024
表示i处的发送信噪比，
Figure FDA0004129004940000025
表示l处接收到的来自UEC的干扰，l＝R,DR，
Figure FDA0004129004940000026
表示UEDR接收到的来自BS的干扰，η表示RIS的反射系数，M为RIS的反射单元数；γDF,l表示DF模式下l处的接收信干噪比。
2.如权利要求1所述的一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，其特征在于，D2D用户以Underlay模式复用蜂窝资源。
3.如权利要求1所述的一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，其特征在于，RIS上每个反射单元的反射系数相同。
4.如权利要求1所述的一种基于智能超表面/中继的D2D通信模式切换方法，其特征在于，UEDT至RIS上每个反射单元的距离相等，均为
Figure FDA0004129004940000027
RIS上每个反射单元至UEDR的距离相等，均为
Figure FDA0004129004940000028
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