CN114584587B - 一种新型ris与中继结合的协同车联网部署方案 - Google Patents

一种新型ris与中继结合的协同车联网部署方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方案，该方法基于该系统模型运行的，所述系统模型为混合RIS和中继辅助通信系统，它由源(S)、中继(R)、具有N个元素的RIS(I)和移动用户(D)组成；结果表明，在发送功率和反射单元数目有限的实际场景中，利用RIS可以显著提高支持简单译码转发(DF)中继系统的性能。具体地说，当移动用户在所提出的系统中处于不同位置时，推导出了移动用户遍历容量的上界。此外，在应急通信场景中，考虑了中继和RIS的部署距离与平衡位置的关系。同时，得到了平衡位置存在时RIS的元件个数应满足的条件。

Description

一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方案
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方案。
技术背景
随着5G和B5G的不断发展，对数据流量的需求越来越大。可重构智能表面(RIS)技术被认为是一种低成本的解决方案，通过智能地重构无线信道的传播环境来提高无线通信系统的性能和容量。RIS是由大量反射元件组成的超薄平面结构。每个无源反射元件可以独立地管理入射信号的幅度和相位变化。通过在无线网络中部署RIS并巧妙地协调它们的反射，发射器和接收器之间的无线通道可以灵活地重新配置，以实现所需的发送和接收。因此，RIS辅助系统能够提供经济、可靠和节能的通信。
与传统中继相比，RIS技术具有显著的优势，近年来在这一领域发表了大量的研究成果。例如，文献“Performance analysis of reconfigurable intelligent surface-Assisted wireless systems and comparison with relaying”中的作者为RIS辅助中继系统和放大转发(AF)中继系统的性能比较提供了一个理论框架；文献“Reconfigurableintelligent surfaces vs.relaying:Differences,similarities,and performancecomparison”中的作者将RIS作为异常反射器，详细阐述了中继和RIS之间的关键区别和相似之处。此外，在文献“Spatially-distributed RISs vs relay-assisted Systems:Afair comparison”中，作者针对选择中继还是RIS以最大化信噪比(SNR)的场景，对解码转发(DF)中继和RIS进行了比较。为了提高通信系统的性能，作者在“A hybrid relay andintelligent reflecting surface network and its ergodic performance analysis”中提出了一种新的适用于未来无线网络的混合中继和RIS辅助系统。在文献“Beyondintelligent reflecting surfaces:Reflective-transmissive metasurface aidedcommunications for full-dimensional coverage extension”中，作者对RIS的传输进行了研究，这是近年来的一个研究热点。
发明内容
发明目的：上述文献研究的是RIS在特定环境中的应用，且大多数研究都是基于用户位置固定的场景；考虑到在初始应用中RIS需要辅助现有中继的实际情况，本文提出了一种RIS和中继并行部署的通信系统来辅助移动用户；此外，RIS的工作模式主要包括反射和透射，但透射存在可能导致能量泄漏和干扰；因此，为了使可达速率最大化，本文只考虑反射。
在本文中，只考虑RIS的反射，而不考虑RIS的透射；基于这一假设，提出了一种RIS和中继的混合系统，其中RIS和DF中继以并联的方式辅助从源到目的地的通信。
技术方案：一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方案，该方法基于该系统模型运行的，所述系统模型为混合RIS和中继辅助通信系统，它由源(S)、中继(R)、具有N个元素的RIS(I)和移动用户(D)组成；中继采用半双工中继协议，所提出的系统中，由于S的覆盖范围有限，D不能直接接收到来自S的信号，所以利用中继和RIS来扩大S的覆盖范围，S到R和I的距离相等，定义信道S→R，S→D，I→D和R→D分别表示为和/>并且假设它们都服从独立的瑞利分布；I的部署垂直于D的移动方向，且忽略其透射；换言之，D在I的盲区内移动时将不会收到来自I的信号；并联网络方法根据D的时变位置分成不同的阶段；首先，D从I的盲区一侧进入R的覆盖范围，D只能接收到R转发的信号；然后，当D移动进入I的视野后，D将同时接收到来自I和R的信号；最后，D逐渐远离R的覆盖范围。
进一步的，采用中继辅助传输：
S向R和I发送信号；由于I的盲区，D只能从R接收信号；具体地，根据DF协议，S从到D的传输涉及两个时隙；在第一个时隙中，R处的接收信号可以表示为
其中P是发射功率，s是单位功率信息信号，是R处的接收噪声；
在第二个时隙，R中继发送D处的接收信号可以表示为
其中是D的接收噪声；通过等式(1)和(2)进行最大比合并(MRC)，并令/>D处的可达速率可如下所示[10]：
进一步的，中继和RIS混合辅助传输：
D进入I的反射方向，在该方向上它可以接收由I反射并由R转发的信号；值得注意的是，I由N个元素构成，并且每个元素的大小远小于波长；因此，它以近似恒定的增益反射输入信号；I反射的信号可以表示为
其中nI表示均值为零方差为σ2的加性高斯白噪声(AWGN)，是控制RIS元件的反射系数和相移的矩阵，其中ηi∈[0,1]和θi∈[0,2π]分别是第i个反射元件的振幅和相移；因此，I处的最大接收信噪比(SNR)可以由下式给出
基于香农定理，RIS辅助链路的容量可以表示为
结合公式(3)和(6)，D处的和速率可以表示为
进一步的，对混合方案的性能分析包括：拟定系统的最大可达速率、中继与RIS的平衡位置。
进一步的，所述拟定系统的最大可达速率：不失一般性地，在I处假设具有理想信道状态信息的理想被动波束形成(IPB)[11]，并且所有RIS单元的反射幅度都等于1；因此，从公式(5)中可以得到最优相移θi＝arg(hSR)-arg([hSI]i[hIR]i)，且所有ηi＝η；相应地，公式(5)可以被简化为
所提出方案的遍历容量可以通过分析信道状态信息的统计值得到，可以通过下述Jensen不等式计算出上界
信道可以表示为j∈{SR,RD}以及/>k∈{SI,ID}，其中/>和/>是具有零均值和单位方差的复高斯小尺度衰落信道，d表示两个节点之间的距离，α是路径损耗指数；
定义βj呈/>的指数分布；此外，对于反射元件N数量很大时，βSID遵循/>的非中心卡方分布[12]；因此，γRIS期望的上界可以表示为
因此，在瑞利衰落信道下，所提出的方案的遍历容量的上界可以给出如下所示
RIS的投影与D运动路线的交点用O表示，RIS与O点的距离用d表示，D相对于O点的距离设为L，I与R的距离设为Lm；所以D与R和I的距离可分别表示为和因此，/>可以被表示为L的函数
为了讨论的性质，考虑/>关于L的一阶导数。由于数学运算的复杂性，在两种情况下对原函数进行了分析；当dRD≥dSR时，/>一阶导数如下所示；
当dRD≤dSR时，由于中继转发信号的速率不受L的影响，的一阶导可以表示为
由公式(13)和(14)可以看出，当L＝0时的一阶导数恒大于0，而在另一种情况时/>的一阶导数恒小于0；此外，/>为关于L单调减函数，/>为关于L的单调增函数，且为连续函数；因此，根据零点存在定理，找到使遍历容量达到最大的L。
进一步的，所述中继与RIS的平衡位置：考虑到在紧急通信场景中，由于环境资源有限，RIS和中继不允许同时为用户服务；讨论了RIS和中继链路效果相同时的平衡位置，以平衡其在紧急情况下的使用；
根据公式(10)可以明显看出是关于N的递增函数，如果存在平衡点，则反射元件N在系统中应满足下列约束条件
由于是关于L的递减函数；因此，根据公式(6)，当L＝0时，当L＝Lm时，/>综上所述，为了保证平衡点的存在，N应该满足如下条件：
为了得出平衡点的位置，将关于L的问题表述为
进一步的，根据信息论的相关知识，中继转发的可达速率受限于两段中信道增益的较小值；由于D的位置是变化的，因此分两种情况讨论平衡点的位置：
讨论1：如果dSR≥dRD，公式(17)可以表述为
经过计算，得出了公式(18)的两种解；去掉其中的负值，得到
可以看出，平衡点的位置主要与N值有关，N值越大，平衡点离I越远；
讨论2：如果dSR≤dRD，公式(18)可以表示为
进一步的，等式(20)的计算过于复杂，通过蒙特卡罗方法对公式(20)进行了仿真。
与现有技术相比，该专利采用了上述技术方案并提出了一种新型中继节点与可重构智能表面混合型车联网通信方案；结合所提三种场景，分析在用户移动过程必然存在的唯一“平衡节点”，移动用户位于该节点时接收到的中继信号速率与来自RIS反射信号速率相等。用户位于“平衡节点”左端时接收到来自RIS反射信号速率会更优异(更靠近RIS，路径衰落更小)，反之接收到来自中继节点的信号速率更佳；由于基站与中继节点位置固定(已完成部署)，RIS的具体位置部署围绕“平衡节点”准则结合用户服务质量(QoS)进行量化，以最优化RIS使用效率，为RIS未来的实际部署需求提供了有益的见解。
附图说明
图1为系统模型用户位于RIS盲区图和视野图；
图2为用户位置与系统遍历容量上限关系图；
图3为可达速率与用户位置的关系图；
图4为可达速率与SNR的关系图；
图5为平衡位置与中继和RIS部署距离的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一、系统模型
在这一部分中，考虑混合RIS和中继辅助通信系统，它由源(S)、中继(R)、具有N个元素的RIS(I)和移动用户(D)组成，如图1所示，(a)为用户位于RIS盲区图，(b)为用户位于RIS视野图；此外，中继采用半双工中继协议。在所提出的系统中，由于S的覆盖范围有限，D不能直接接收到来自S的信号，所以利用中继和RIS来扩大S的覆盖范围[9]。特别地，S到R和I的距离相等，D和I之间的不存在直接通信。在不失一般性的前提下，假定D沿直线朝一个方向移动。
定义信道S→R，S→D，I→D和R→D分别表示为 和并且假设它们都服从独立的瑞利分布。值得注意的是，I的部署垂直于D的移动方向，且忽略其透射。换言之，D在I的盲区内移动时将不会收到来自I的信号。所考虑的系统可以根据D的时变位置分成不同的阶段。首先，D从I的盲区一侧进入R的覆盖范围，D只能接收到R转发的信号。然后，当D移动进入I的视野后，D将同时接收到来自I和R的信号。最后，D逐渐远离R的覆盖范围。本文主要集中在前两种情况下进行性能比较。
A.中继辅助传输
在这种情况下，S向R和I发送信号。由于I的盲区，D只能从R接收信号，如图1(a)所示。具体地，根据DF协议，S从到D的传输涉及两个时隙。在第一个时隙中，R处的接收信号可以表示为
其中P是发射功率，s是单位功率信息信号，是R处的接收噪声。
在第二个时隙，R中继发送D处的接收信号可以表示为
其中是D的接收噪声。通过等式(1)和(2)进行最大比合并(MRC)，并令/>D处的可达速率可如下所示[10]：
B.中继和RIS辅助传输
在这种情况下，D进入I的反射方向，在该方向上它可以接收由I反射并由R转发的信号。值得注意的是，I由N个元素构成，并且每个元素的大小远小于波长。因此，它以近似恒定的增益反射输入信号。I反射的信号可以表示为
其中nI表示均值为零方差为σ2的加性高斯白噪声(AWGN)，是控制RIS元件的反射系数和相移的矩阵，其中ηi∈[0,1]和θi∈[0,2π]分别是第i个反射元件的振幅和相移。因此，I处的最大接收信噪比(SNR)可以由下式给出
基于香农定理，RIS辅助链路的容量可以表示为
结合公式(3)和(6)，D处的和速率可以表示为
二、提出的混合方案的性能分析
在这一部分中，讨论了D的移动性对系统可达速率的影响。考虑到RIS元素的数量以及D到I和R的距离，我们研究了系统的最大可达速率。然后，找到RIS辅助链路和中继辅助链路可达速率相等的位置。
A.拟定系统的最大可达速率
不失一般性地，在I处假设具有理想信道状态信息的理想被动波束形成(IPB)[11]，并且所有RIS单元的反射幅度都等于1。因此，从公式(5)中可以得到最优相移θi＝arg(hSR)-arg([hSI]i[hIR]i)，且所有ηi＝η。相应地，公式(5)可以被简化为
所提出方案的遍历容量可以通过分析信道状态信息的统计值得到，可以通过下述Jensen不等式计算出上界
信道可以表示为j∈{SR,RD}以及/>k∈{SI,ID}，其中/>和/>是具有零均值和单位方差的复高斯小尺度衰落信道，d表示两个节点之间的距离，α是路径损耗指数。
定义βj呈/>的指数分布。此外，对于反射元件N数量很大时，βSID遵循/>的非中心卡方分布[12]。因此，γRIS期望的上界可以表示为
因此，在瑞利衰落信道下，所提出的方案的遍历容量的上界可以给出如下所示
RIS的投影与D运动路线的交点用O表示，RIS与O点的距离用d表示，D相对于O点的距离设为L，I与R的距离设为Lm。所以D与R和I的距离可分别表示为和因此，/>可以被表示为L的函数
为了讨论的性质，考虑/>关于L的一阶导数。由于数学运算的复杂性，在两种情况下对原函数进行了分析。当dRD≥dSR时，/>一阶导数如下所示。
当dRD≤dSR时，由于中继转发信号的速率不受L的影响，的一阶导可以表示为
由公式(13)和(14)可以看出，当L＝0时的一阶导数恒大于0，而在另一种情况时/>的一阶导数恒小于0。此外，/>为关于L单调减函数，/>为关于L的单调增函数，且/>为连续函数。因此，根据零点存在定理，可以找到使遍历容量达到最大的L。由于运算过于复杂，很难得到最优值的闭式解。在本文的仿真部分，给出了特定条件下最优值的数值解。
B.中继与RIS的平衡位置
考虑到在紧急通信场景中，由于环境资源有限，RIS和中继不允许同时为用户服务。讨论了RIS和中继链路效果相同时的平衡位置，以平衡其在紧急情况下的使用。
根据公式(10)可以明显看出是关于N的递增函数，如果存在平衡点，则反射元件N在系统中应满足下列约束条件
由于是关于L的递减函数。因此，根据公式(6)，当L＝0时，当L＝Lm时，/>综上所述，为了保证平衡点的存在，N应该满足如下条件：
为了得出平衡点的位置，将关于L的问题表述为
根据信息论的相关知识，中继转发的可达速率受限于两段中信道增益的较小值。由于D的位置是变化的，因此分两种情况讨论平衡点的位置。
讨论1：如果dSR≥dRD，公式(17)可以表述为
经过计算，得出了公式(18)的两种解。去掉其中的负值，得到
可以看出，平衡点的位置主要与N值有关，N值越大，平衡点离I越远。
讨论2：如果dSR≤dRD，公式(18)可以表示为
等式(20)的计算过于复杂，将在今后工作中详细讨论。在后续的仿真中，通过蒙特卡罗方法对公式进行了仿真。
三.数值结果与分析
本节分析了用户在系统中移动时的可达速率，以及元件数量对系统性能的影响。然后，通过仿真结果，分析了RIS和中继部署距离对平衡位置的影响。
信道增益使用[13，Table B.1.2.1-1]中的3GPP Urban Micro(UMI)建模，载波频率为3GHz。仿真使用的是UMI的视距(LOS)版本。Gt和Gr分别表示发射机和接收机的天线增益(以dBi为单位)。为了得到确定性的模型，忽略了阴影衰减：
β(L)[dB]＝Gt+Gr-37.5-22log10(L/1m) (21)
考虑图1中的模拟设置，其中源、RIS和中继部署在固定位置。为简单起见，每个节点位置如下所示：(xS,yS)＝(250,833)，(xI,yI)＝(0,400)，(xR,yR)＝(500,400)。同时，用户在x轴上沿着x轴向右移动，因此用户的位置坐标表示为(xU,0)。
使用公式(21)基于距离计算信道增益，假设在信源和RIS/中继处有相等大小的5dBi天线，而用户是具有0dBi全向天线的移动设备。除非另有说明，否则假定P＝500W，带宽为B＝10MHz，相应的噪声功率为-94dBm。此外，所有考虑的信道都是LOS信道。
图2描述了当用户进入系统后，当N＝1000时，RIS和中继各自链路的可达速率的变化，以及系统的可达速率的变化。如图2所示，随着用户在系统中的不断移动，由RIS提供的传输速率单调降低，由中继提供的传输速率单调增加，而仅存在一个最优位置。这为今后RIS和中继的混合部署提供了参考。
图3和图4分别描述了当时N∈{250,500,750,1000}，当用户从(-100,0)进入系统后，处于不同位置下的遍历容量上界的变化，以及当xU＝5时，不同信噪比下系统可达速率的变化。正如之前的分析，可达速率在进入RIS的视野之前会逐渐增加。一旦进入RIS覆盖范围，由于接收到来自RIS的反射信号，可达到的速率在临界点突然增大，然后随着用户的移动在继续增大，然后逐渐减小。同时，最大速率出现的位置也受N值的影响。由此可见，在实际技术条件允许的前提下，N值越大，系统总体性能越好。
图5主要研究RIS与中继之间的部署距离对平衡位置的影响。通过固定源点与RIS和继电器之间的垂直距离，不断调整RIS与继电器DIR之间的距离dIR，得到了dIR与平衡位置的关系如图5所示。RIS与中继之间的距离由0m扩大到500m，而源至RIS和中继水平线的距离设置为100m。平衡点与RIS和中继之间距离的关系如图5所示，说明平衡位置受RIS和继电器距离的影响。落在x轴上的点表示在此距离下系统没有平衡点。RIS与中继之间的距离增加或N值降低，平衡位置将远离RIS。当N＝250时，由于N值太小而不能满足(16)的条件，所以不存在平衡点。所以在考虑应急通信场景的应用时，也要选择合适的部署距离。否则，RIS的效果可能总是比中继的效果差。
四、总结
针对RIS的特点，提出了一种RIS与中继混合并行通信系统。讨论了系统中移动用户遍历能力的严格上界。此外，考虑到应急通信场景中中继和RIS在不同部署距离下的应用，得出了混合系统中中继和RIS之间的平衡点。考虑RIS在下一阶段投入应用时的部署，为RIS未来的实际部署需求提供了有益的见解。

Claims (4)

1.一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方法，该方法基于该系统模型运行的，其特征在于:所述系统模型为混合RIS和中继辅助通信系统，它由源(S)、中继(R)、具有N个元素的RIS(I)和移动用户(D)组成；中继采用半双工中继协议，所提出的系统中，由于S的覆盖范围有限，D不能直接接收到来自S的信号，所以利用中继和RIS来扩大S的覆盖范围，S到R和I的距离相等，定义信道S→R，S→D，I→D和R→D分别表示为和/>并且假设它们都服从独立的瑞利分布；I的部署垂直于D的移动方向，且忽略其透射；换言之，D在I的盲区内移动时将不会收到来自I的信号；并联网络方法根据D的时变位置分成不同的阶段；首先，D从I的盲区一侧进入R的覆盖范围，D只能接收到R转发的信号；然后，当D移动进入I的视野后，D将同时接收到来自I和R的信号；最后，D逐渐远离R的覆盖范围；
中继和RIS混合辅助传输：
D进入I的反射方向，在该方向上它可以接收由I反射并由R转发的信号；值得注意的是，I由N个元素构成，并且每个元素的大小远小于波长；因此，它以近似恒定的增益反射输入信号；I反射的信号可以表示为
其中nI表示均值为零方差为σ2的加性高斯白噪声(AWGN)，是控制RIS元件的反射系数和相移的矩阵，其中ηi∈[0,1]和θi∈[0,2π]分别是第i个反射元件的振幅和相移；因此，I处的最大接收信噪比(SNR)可以由下式给出
基于香农定理，RIS辅助链路的容量可以表示为
结合公式(3)和(6)，D处的和速率可以表示为
对混合方案的性能分析包括：拟定系统的最大可达速率、中继与RIS的平衡位置；
所述中继与RIS的平衡位置：考虑到在紧急通信场景中，由于环境资源有限，RIS和中继不允许同时为用户服务；讨论了RIS和中继链路效果相同时的平衡位置，以平衡其在紧急情况下的使用；
根据公式(10)可以明显看出是关于N的递增函数，如果存在平衡点，则反射元件N在系统中应满足下列约束条件
由于是关于L的递减函数；因此，根据公式(6)，当L＝0时，当L＝Lm时，/>综上所述，为了保证平衡点的存在，N应该满足如下条件：
为了得出平衡点的位置，将关于L的问题表述为
根据信息论的相关知识，中继转发的可达速率受限于两段中信道增益的较小值；由于D的位置是变化的，因此分两种情况讨论平衡点的位置：
讨论1：如果dSR≥dRD，公式(17)可以表述为
经过计算，得出了公式(18)的两种解；去掉其中的负值，得到
可以看出，平衡点的位置主要与N值有关，N值越大，平衡点离I越远；
讨论2：如果dSR≤dRD，公式(18)可以表示为
2.根据权利要求1所述的一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方法，其特征在于：只采用中继辅助传输：
S向R和I发送信号；由于I的盲区，D只能从R接收信号；具体地，根据DF协议，S从到D的传输涉及两个时隙；在第一个时隙中，R处的接收信号可以表示为
其中P是发射功率，s是单位功率信息信号，是R处的接收噪声；
在第二个时隙，R中继发送D处的接收信号可以表示为
其中是D的接收噪声；通过等式(1)和(2)进行最大比合并(MRC)，并令D处的可达速率可如下所示[10]：
3.根据权利要求1所述的一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方法，其特征在于：所述拟定系统的最大可达速率：不失一般性地，在I处假设具有理想信道状态信息的理想被动波束形成(IPB)[11]，并且所有RIS单元的反射幅度都等于1；因此，从公式(5)中可以得到最优相移θi＝arg(hSR)-arg([hSI]i[hIR]i)，且所有ηi＝η；相应地，公式(5)可以被简化为
所提出方案的遍历容量可以通过分析信道状态信息的统计值得到，可以通过下述Jensen不等式计算出上界
信道可以表示为以及/>其中/>和/>是具有零均值和单位方差的复高斯小尺度衰落信道，d表示两个节点之间的距离，α是路径损耗指数；
定义βj呈/>的指数分布；此外，对于反射元件N数量很大时，βSID遵循/>的非中心卡方分布[12]；因此，γRIS期望的上界可以表示为
因此，在瑞利衰落信道下，所提出的方案的遍历容量的上界可以给出如下所示
RIS的投影与D运动路线的交点用O表示，RIS与O点的距离用d表示，D相对于O点的距离设为L，I与R的距离设为Lm；所以D与R和I的距离可分别表示为和因此，/>可以被表示为L的函数
为了讨论的性质，考虑/>关于L的一阶导数。由于数学运算的复杂性，在两种情况下对原函数进行了分析；当dRD≥dSR时，/>一阶导数如下所示；
当dRD≤dSR时，由于中继转发信号的速率不受L的影响，的一阶导可以表示为
由公式(13)和(14)可以看出，当L＝0时的一阶导数恒大于0，而在另一种情况时的一阶导数恒小于0；此外，/>为关于L单调减函数，/>为关于L的单调增函数，且为连续函数；因此，根据零点存在定理，找到使遍历容量达到最大的L。
4.根据权利要求1所述的一种新型RIS与中继结合的协同车联网部署方法，其特征在于：等式(20)的计算过于复杂，通过蒙特卡罗方法对公式(20)进行了仿真。
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