CN114641018A - 一种ris辅助的d2d通信系统及其性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RIS辅助的D2D通信系统及其性能优化方法，基于OFDM协议，至少包括一个配置M根天线的基站BS，一对D2D用户，其中发射端为UE1，接收端为UE2，还至少包括一个蜂窝用户UEC和两个配置N个反射单元的智能反射面R₁,R₂，其中R₁辅助蜂窝链路通信，R₂辅助D2D链路通信；蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，将有用信号链路与干扰链路的信道状态信息以有限比特数反馈给基站BS，基站BS采用波束赋形BF策略或干扰消除IC策略设计预编码向量，基于量化信道信息计算系统在波束赋形BF策略和干扰消除IC策略下的遍历可达和速率,根据和速率的计算结果，选择预编码方案，使得系统始终获得最佳的速率性能。

Description

一种RIS辅助的D2D通信系统及其性能优化方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种RIS辅助的D2D通信系统及其性能优化方法。

背景技术

随着5G移动通信数据业务远超移动语音业务，相应的总体业务模式和网络特性发生了根本性变化，来自不同类型用户的业务贡献存在差异，不同地理位置上的业务分布也存在极大不同，不同的业务种类在时间上也有不同的变化模式。如此爆发式增长的业务带来的一定是高度变化性和不均匀性，而这些特征对传统移动通信技术和网络架构带来了前所未有的巨大挑战。现有支持蜂窝移动通信的无线传输关键技术将无法满足未来移动通信的需求，因此发展新型无线传输技术迫在眉睫。

新一代蜂窝通信系统在传统蜂窝通信系统的基础上做了进一步优化，它结合了载波聚合、MIMO(Multiple Input Multiple Output)天线技术以及中继技术等。与传统蜂窝通信系统相比，系统容量得到了一定的提升，位于小区边缘的用户的通话质量也有所改善。近些年来，随着智能终端及高清视频等多媒体业务的快速普及，蜂窝通信网络以基站为中心的局限性导致系统的容量已无法容纳日益激增的智能设备数量，基站的不可移动性也导致小区边缘的用户体验无法得到满足。因此，缓解基站运转超负荷、资源利用率低、用户间通信质量不佳等问题成为了未来移动通信技术发展中的重要落脚点。D2D(Device-to-Device)技术，即终端直连技术便在这些问题的背景之下应运而生。该技术支持D2D用户共享蜂窝网络中已授权的频带，实现距离较近的用户直接通信而不经过基站转发，在大大提高近距离用户数据传输速率的同时，能够有效提高频谱资源的利用率并拓展网络实际覆盖范围。

D2D技术的缺陷在于D2D设备通常是低成本的终端用户设备，其仅具有有限的计算能力和资源。因此，D2D传输的成功率高度依赖于D2D用户所处的传播环境，例如，如果两个D2D用户之间距离太远，或者视距路径被高楼等障碍物阻挡，则传输可能会失败。近来，智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface RIS)引起了极大的研究关注，并为D2D通信中的上述问题提供了可能的解决方案。美国国税局利用人造材料的电磁表面可以进行电子控制，因此，RIS可以通过超材料和附加软件控制反射相移从而主动地配置无线传播环境，是未来6G网络的关键技术。

现有D2D性能提升方案大多采用中继技术，即D2D用户间增加一中继用户以减小因路径损耗带来的信号功率剧减。现有的常用中继协议，如放大转发中继(AF,amplify-and-forward)与译码转发中继(DF,decode-and-forward)均采用有源的方式，将发送端信号进行放大或消噪处理后转发给接收端。有源的方式在提升系统速率的情况下牺牲了能量效率，不符合绿色可持续的通信系统发展理念。此外，对于基站波束赋形方案与干扰消除方案的选择也鲜有研究。因此本发明考虑引入无源波束赋形设备，即智能超表面，在实现系统速率提升的同时不增加额外的能量消耗。基于智能超表面辅助的D2D通信方式，研究多天线基站的波束赋形与干扰消除方案选择，进一步提升系统性能。

发明内容

本发明正是针对现有技术中系统速率低下以及能耗高的问题，提供一种RIS辅助的D2D通信系统及其性能优化方法，蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，将有用信号链路与干扰链路的信道状态信息以有限比特数反馈给基站BS，基站BS采用波束赋形BF策略或干扰消除IC策略设计预编码向量，基于量化信道信息计算系统在波束赋形BF策略和干扰消除IC策略下的遍历可达和速率,根据和速率的计算结果，选择预编码方案以最大化系统和速率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种RIS辅助的D2D通信系统，基于OFDM协议，至少包括一个配置M根天线的基站BS，一对D2D用户，其中发射端为UE1，接收端为UE2，还至少包括一个蜂窝用户UEC和两个配置N个反射单元的智能反射面R₁,R₂，其中R₁辅助蜂窝链路通信，R₂辅助D2D链路通信；

所述系统中，蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，将有用信号链路与干扰链路的信道状态信息以有限比特数反馈给基站BS，基站BS采用波束赋形BF策略或干扰消除IC策略设计预编码向量，基于量化信道信息计算系统在波束赋形BF策略和干扰消除IC策略下的遍历可达和速率,根据和速率的计算结果，选择预编码方案以最大化系统和速率。

作为本发明的一种改进，一个蜂窝用户UEC至多与一对D2D用户共享时频资源，且蜂窝用户UEC的频谱之间相互正交。

为了实现上述目的，本发明还采取的技术方案是：一种RIS辅助的D2D通信系统的性能优化方法，包括如下步骤：

S1：蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，获取各自期望链路与干扰链路的信道状态信息，以有限比特数量化该信道状态信息并反馈给基站BS；

S2：分别根据BF策略和IC策略下的信道状态信息，建立S(S∈{BF,IC})策略下系统接受信干噪比模型，根据香农公式，S(S∈{BF,IC})策略下的可达速率为

其中，

表示S策略下蜂窝链路与D2D链路的接收信干噪比SINR，

分别表示S策略下蜂窝链路与D2D链路的可达速率；E{·}为期望函数；

S3：利用改进的Jensen不等式获得S策略下遍历可达速率的紧致上下界，具体为：

其中

其中，

为所述BF策略与IC策略下的接收信干噪比；X,Y,Z为不同自由度的卡方分布随机变量；a,b为常数；

S4：基于步骤S3获得的S策略下遍历可达速率的紧致上下界，得到S(S∈{BF,IC})策略下RIS辅助D2D通信系统遍历可达速率上下界的闭式表达式如下：

其中，

与

表示S策略下蜂窝链路的可达速率上下界，

与

表示D2D链路的可达速率上下界；

S5：比较BF与IC策略下的遍历可达速率，若R^BF,up≤R^IC,up且R^BF,lo≤R^IC,lo，则基站采用IC策略进行预编码，否则，基站采用BF策略进行预编码，完成系统通信功能。

与现有技术相比，本发明的优势在于，本发明考虑引入无源波束赋形设备，即智能超表面，在实现系统速率提升的同时不增加额外的能量消耗。基于智能超表面辅助的D2D通信方式，研究多天线基站的波束赋形与干扰消除方案选择，进一步提升系统性能。

附图说明

图1为本案一种RIS辅助的D2D通信系统的结构示意图；

图2为本案实施例1RIS辅助D2D通信系统BF策略与IC策略选择方案流程图；

图3为本案BF与IC策略下遍历可达速率上下界与蒙特卡洛模拟对比以及策略选择方案仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种RIS辅助的D2D通信系统，基于OFDM协议，如图1所示，至少包括一个配置M根天线的基站BS，一对D2D用户，其中发射端为UE1，接收端为UE2，还至少包括一个蜂窝用户UEC和两个配置N个反射单元的智能(RISs)R₁,R₂，其中R₁辅助蜂窝链路通信，R₂辅助D2D链路通信；

系统中，蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，将有用信号链路与干扰链路的信道状态信息以有限比特数反馈给基站BS，基站BS采用波束赋形BF策略或干扰消除IC策略设计预编码向量，这是因为BF策略最大化有用信号接收功率而干扰仍然存在，IC策略旨在消除相互干扰但无法保证有用信号接收功率最大，基于量化信道信息计算系统在波束赋形BF策略和干扰消除IC策略下的遍历可达和速率,根据BF策略与IC策略在不同场景下的速率性能差异，提出了一种策略切换方案，使得系统能够动态选择BF或IC策略以实时获得最优性能，其切换方案表达式如下：

R^*＝max{R^BF,R^IC}。

本实施例的系统中，RISs的选择基于已有的MMSE算法，一个蜂窝用户UEC至多与一对D2D用户共享时频资源，且蜂窝用户UEC的频谱之间相互正交。

实施例2

一种RIS辅助的D2D通信系性能优化方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤S1：在有限反馈系统中，蜂窝用户UEC与D2D用户接收端UE2对各自的有用链路与干扰链路进行信道量化，并以B比特反馈给基站；

UEC与UE2在码本上选择最接近实际信道的编码对信道进行量化，其量化准则为：

其中，C＝{c₁,c₂,...,c_2B}为码本，

表示归一化的实际信道，

为量化后的信道，H表示共轭转置；

量化的信道存在量化误差ξ，其期望可以表示为：

其中，M为基站天线数，B为量化比特位，ξ为量化误差，ε为量化误差的期望。

步骤S2：分别根据BF策略和IC策略下的信道状态信息，建立S(S∈{BF,IC})策略下系统接受信干噪比模型，根据香农公式，确定S(S∈{BF,IC})策略下的可达速率，该步骤进一步包括：

步骤S21，所述BF策略与IC策略下的接收信干噪比形式如下

其中，X,Y,Z为不同自由度的卡方分布随机变量，a,b为与预编码方案(BF或IC)、系统拓扑、接收功率、噪声功率和量化误差相关的常数；

根据BF策略下的信道状态信息，得到蜂窝链路与D2D链路接收端SINR表达式分别为

与

其中，

为BF策略下蜂窝链路的SINR，

为BF策略下D2D链路的SINR；P_iT(i＝1,2,C,B,R₁,R₂)表示节点i的发送功率，1表示发射端UE1,2表示接收端UE2,C表示蜂窝用户UEC,B表示基站BS；d_ij(j＝1,2,C,B,R₁,R₂；j≠i)表示i-j链路的距离；L_ij＝(d₀/d_ij)^α为路径衰落项，其中d₀为参考距离，α为路径衰落系数；N₀为噪声功率；N表示智能反射面配备的反射单元数量；

表示自由度为L的卡方分布；

同样地，可以写出IC策略下蜂窝链路与D2D链路接收端SINR的表达式，分别为

与

其中，

为IC策略下蜂窝链路的SINR，

为IC策略下D2D链路的SINR；η定义为η＝2^-B/(M-1)。

步骤S22，遍历可达速率定义如下：

R＝E{log₂(1+γ)}

因而根据香农公式，由遍历可达速率的定义，在S(S∈{BF,IC})策略下的可达速率为

其中，

分别表示S策略下蜂窝链路与D2D链路的可达速率。

步骤S3：利用改进的Jensen不等式获得S策略下遍历可达速率的紧致上下界；

遍历可达速率可以进一步表示为：

利用传统Jensen不等式：

对所述遍历可达速率进行放缩，得到速率的紧致上下界

其中

的紧致上下界分别为：

与

其中

其中,三个随机变量

与

特别地，对于S策略，

由上述遍历可达速率上下界表达式，本发明定义两个正数a,b,和三个服从卡方分布的随机变量，

不难看出，仅需计算

与

即可得到遍历可达速率上下界的闭式表达式。下面分别计算I₁，I₂，I₃；

计算I₁：由自由度为L的卡方分布的概率密度函数(PDF)

可以得到X,Y,Z的PDF分别为

与

f_Z(z)＝exp(-z)

由X,Y,Z的相互独立性，I₁可以分解为

其中

同理

E{Y}＝Q

基于Z的PDF表达式，有

令

进一步得到

综上，I₁的闭式解可以表示为

计算I₂：由X,Y,Z的相互独立性，I₂可以分解为

其中，容易得到

E{aZ+b}＝a+b

基于X的PDF表达式，有

进一步计算得到

类似地，可以得到

综上，I₂的闭式解可以表示为

计算I₃：由X,Y,Z的相互独立性，I₃可以分解为

I₃＝E{log₂X}+E{log₂Y}-E{log₂(aZ+b)}

基于X的PDF表达式，有

其中ψ(·)为普西函数，定义为

同理可得

与

综上，I₃的闭式解可以表示为

步骤S4：基于步骤S3获得的S策略下遍历可达速率的紧致上下界，得到S(S∈{BF,IC})策略下RIS辅助D2D通信系统遍历可达速率上下界的闭式表达式：

根据I₁与I₂的计算结果，RIS辅助D2D通信系统在S策略下的遍历可达速率下届的闭式表达式为

与

根据I₂与I₃的计算结果，RIS辅助D2D通信系统在S策略下的遍历可达速率上届的闭式表达式为

其中

与

步骤S5：比较BF与IC策略下的遍历可达速率，若R^BF,up≤R^IC,up且R^BF,lo≤R^IC,lo，则基站采用IC策略进行预编码，否则，基站采用BF策略进行预编码，完成系统通信功能，系统能够动态地选择这两种预编码策略，使得系统始终保持最优的可达速率性能，全面提升系统容量。

实验测试例

为说明本发明的实用性，本实施例利用matlab软件进行仿真，如图3所示。该实施例的具体参数设置为：参考距离d0＝1,路径损耗系数α＝4，基站天线数量M＝16,智能反射表面的反射单元数量N＝32，蜂窝链路基站与智能反射面的距离、智能反射面与蜂窝用户的距离分别为

与

D2D链路发送端与智能反射面的距离、智能反射面与接收端的距离分别为

与

蜂窝干扰链路距离与D2D干扰链路距离分别为d_B2＝4.5与d_1C＝5.5。此外，考虑了反馈比特位B＝8与B＝30两种情况。

从附图3中可以看出，对于BF与IC两种策略，本发明提供的理论遍历可达速率闭式解与蒙特卡洛仿真值高度吻合，大幅降低系统对于遍历容量的计算复杂度。此外，还可以看出通过本发明提供的策略选择方法，系统能够始终选择最优的策略，以保证系统最优的通信性能。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种RIS辅助的D2D通信系统，其特征在于：基于OFDM协议，至少包括一个配置M根天线的基站BS，一对D2D用户，其中发射端为UE1，接收端为UE2，还至少包括一个蜂窝用户UEC和两个配置N个反射单元的智能反射面R₁,R₂，其中R₁辅助蜂窝链路通信，R₂辅助D2D链路通信；

所述系统中，蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，将有用信号链路与干扰链路的信道状态信息以有限比特数反馈给基站BS，基站BS采用波束赋形BF策略或干扰消除IC策略设计预编码向量，基于量化信道信息计算系统在波束赋形BF策略和干扰消除IC策略下的遍历可达和速率,根据和速率的计算结果，选择预编码方案以最大化系统和速率。

2.如权利要求1所述的一种RIS辅助的D2D通信系统，其特征在于：一个蜂窝用户UEC至多与一对D2D用户共享时频资源，且蜂窝用户UEC的频谱之间相互正交。

3.如权利要求1或2所述的一种RIS辅助的D2D通信系统的性能优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在各自通信前，获取各自期望链路与干扰链路的信道状态信息，以有限比特数量化该信道状态信息并反馈给基站BS；

S2：分别根据BF策略和IC策略下的信道状态信息，建立S(S∈{BF,IC})策略下系统接受信干噪比模型，根据香农公式，S(S∈{BF,IC})策略下的可达速率R^S为

其中，

表示S策略下蜂窝链路与D2D链路的接收信干噪比SINR，

分别表示S策略下蜂窝链路与D2D链路的可达速率；E{·}为期望函数；

S3：利用改进的Jensen不等式获得S策略下遍历可达速率的紧致上下界，具体为：

其中

其中，

为所述BF策略与IC策略下的接收信干噪比；X,Y,Z为不同自由度的卡方分布随机变量；a,b为常数；

S4：基于步骤S3获得的S策略下遍历可达速率的紧致上下界，得到S(S∈{BF,IC})策略下RIS辅助D2D通信系统遍历可达速率上下界的闭式表达式如下：

其中，

与

表示S策略下蜂窝链路的可达速率上下界，

与

表示D2D链路的可达速率上下界；

S5：比较BF与IC策略下的遍历可达速率，若R^BF,up≤R^IC,up且R^BF,lo≤R^IC,lo，则基站采用IC策略进行预编码，否则，基站采用BF策略进行预编码，完成系统通信功能。

4.如权利要求3所述的一种RIS辅助的D2D通信系统的性能优化方法，其特征在于：所述步骤S1中，蜂窝用户UEC与D2D接收端UE2在码本上选择最接近实际信道的编码对信道进行量化，其量化准则为

其中，

为码本，

表示归一化的实际信道，

为量化后的信道,H表示共轭转置。

5.如权利要求4所述的一种RIS辅助的D2D通信系统的性能优化方法，其特征在于：所述步骤S1中，量化的信道存在量化误差ξ，其期望ε可以表示为

其中，M为基站天线数，B为量化比特位，ξ为量化误差，ε为量化误差的期望。

6.如权利要求5所述的一种RIS辅助的D2D通信系统的性能优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据BF策略下的信道状态信息，得到蜂窝链路与D2D链路接收端信干噪比模型SINR表达式分别为：

与

其中，

为BF策略下蜂窝链路的SINR，

为BF策略下D2D链路的SINR；P_iT(i＝1,2,C,B,R₁,R₂)表示节点i的发送功率，1表示发射端UE1,2表示接收端UE2,C表示蜂窝用户UEC,B表示基站BS；d_ij(j＝1,2,C,B,R₁,R₂；j≠i)表示i-j链路的距离；L_ij＝(d₀/d_ij)^α为路径衰落项，其中d₀为参考距离，α为路径衰落系数；N₀为噪声功率；N表示智能反射面配备的反射单元数量；

表示自由度为L的卡方分布；

根据IC策略下的信道状态信息，得到蜂窝链路与D2D链路接收端信干噪比模型SINR的表达式分别为：

与

其中，

为IC策略下蜂窝链路的SINR，

为IC策略下D2D链路的SINR；η定义为η＝2^-B/(M-1)。

7.如权利要求6所述的一种RIS辅助的D2D通信系统的性能优化方法，其特征在于：所述步骤S4中，RIS辅助D2D通信系统在S策略下的遍历可达速率下届的闭式表达式为：

其中，

其中，

与

表示S策略下蜂窝链路的非小尺度衰落常量，

与

表示S策略下D2D链路的非小尺度衰落常量,θ(x)函数定义为θ(x)＝exp(x)E₁(x)，E₁(x)为一阶指数积分函数；ψ(x)为普西函数；

为欧拉常数；T为与S相关的函数，定义为

RIS辅助D2D通信系统在S策略下的遍历可达速率上届的闭式表达式为：

其中，

Images