CN115361043B - 高铁毫米波通信系统的通信控制方法及控制系统 - Google Patents

高铁毫米波通信系统的通信控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及控制系统，属于机高铁通信技术领域，获取系统统计信道状态信息；在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。本发明动态调节智能反射表面各反射单元的相位，增强系统鲁棒性；收发端波束赋形方案与IRS相位调节参数矩阵，优化了直连链路与反射链路间的选择问题，提高了系统可靠性并使得系统遍历容量最大化。

Description

高铁毫米波通信系统的通信控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及高铁通信技术领域，具体涉及一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及控制系统。
背景技术
IEEE 802.15于2014年建立毫米波高速率铁路移动通信(High Rate RailCommunication HRRC)标准组，通过射线追踪信道建模、信道测量和现场试验验证了高铁毫米波系统的有效性。3GPP标准化工作从网络架构、信道模型和估计、帧结构、多普勒补偿、有效切换等方面推进，发布高铁毫米波相关标准。
现有的一种基于单载波技术与正交频分复用技术的新型多址接入方案，采用波束赋形与空间复用技术提出一种新型架构，获得空分复用增益，缓解有限频谱资源、低频谱效率与宽带移动通信业务需求之间的供需矛盾。智能反射表面(Intelligent reflectingsurface,IRS)被提出作为一种有发展前景的新技术，可以在B5G及6G无线通信系统中实现可重新配置的智能无线信道和无线电传播环境。
为了补偿毫米波频段信号的强链路衰减，毫米波通信采用定向天线利用波束赋形技术，使天线波束指向某个特定的方向，即将天线能量集中指向某个特定的用户，提高天线增益。假设已知完美瞬时信道状态信息(Channel State Informantion,CSI)，许多学者针对收发端波束赋形及IRS相位调节参数的联合设计开展研究。如对采用IRS的多用户多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)下行通信系统进行研究，在IRS离散相移的约束下利用拉格朗日对偶变换解耦联合优化基站的有源波束赋形和IRS的无源波束赋形，实现了系统平均遍历容量的最大化。
现有关于IRS辅助通信的许多研究工作假设已知所有信道的完美CSI。然而，由于IRS的无源特性，系统难以获取到IRS关联信道的准确实时CSI。尤其在高速移动场景中，CSI快速更新，获取实时CSI的测量开销较大；并且在较短的相干时间内，根据实时CSI频繁调节IRS各单元的相位幅度参数，会带来大量的信令交互开销，在智能控制器端产生高功耗(用于调节IRS的偏置电压)。因此，实际系统中难以实现快速频繁地调节IRS参数矩阵，这使得高速移动通信系统中基于完美CSI的IRS设计面临严重挑战。
针对非完美CSI条件中的IRS辅助系统的信道估计研究，由于有限信道训练受到功率、频率、时间等的限制，不可避免的产生估计误差，但IRS的相位矩阵设计与IRS关联信道信息的准确性密切相关，IRS系统的性能严重受信道估计误差的影响；此外，高速移动场景中的频繁信道估计将带来大量的信令开销和高功耗。以上问题使得高速移动场景中基于信道估计进行IRS方案设计面临严重挑战。
现有研究开始考虑利用慢速时变的统计CSI，设计IRS辅助的高速移动通信系统。但现有基于统计CSI的IRS系统研究主要考虑下行单天线接收机(如单发单收、多发单收场景)、或者上行MIMO等场景，面向下行MIMO通信场景的IRS研究较少。同时，针对直连/反射链路选择的现有研究也较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及控制系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法，包括：
获取系统统计信道状态信息；
在基站端及车顶中继(mobile relay,MR)端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
优选的，所述系统统计信道状态信息包括：基站端-反射表面链路的信道、基站端-车顶中继端链路的视距传播信道分量、反射表面-车顶中继端链路的视距传播信道分量、基站端-车顶中继端链路的莱斯因子、反射表面-车顶中继端链路的莱斯因子。
优选的，在每个时隙，基站端传输给车顶中继端的发送信号满足：E{x(t)}＝0,E{x(t)x(t)H}＝1；
基站端以及车顶中继端的波束赋形向量分别记作其中，N1、N2分别为基站端及车顶中继端的天线数。
MR接收并处理后的基站端-车顶中继端链路的信号表示为：
MR接收并处理后的基站端-反射表面-车顶中继端链路的信号表示为：
其中PT表示BS端的发射功率；分别表示BS-MR、BS-IRS、IRS-MR之间的信道矩阵系数，M为IRS反射单元个数；表示系统引入的加性高斯白噪声，σ2表示高斯噪声功率。
优选的，假设直连链路和反射链路同时存在，定义两个二元变量a1和a2，如果a1/a2＝1，则表示直接链路或反射链路用于通信，另一条用于接收信号功率的测量；如果用于测量的链路在T时间间隔内的平均接收信号功率优于用于通信的链路，则系统会在下一个时间间隔将前一个时间间隔内的测量链路切换为通信链路。
优选的，构建的系统平均遍历容量优化模型为：
P1:
s.t.a1+a2≤1
||F||2≤PT,
||W||2≤1,
其中，D表示小区的覆盖半径；v表示高铁的运行速度；约束条件 s.t.a1+a2≤1表示只有一条链路能用做通信；约束条件||F||2≤PT表示系统基站端的最大发射功率为PT，‖·‖表示欧式向量范数运算符，约束条件||W||2≤1表示车顶中继端模拟波束赋形相移器约束限制，约束条件|φn|2＝1，表示 IRS各反射阵元的幅度固定不变，满足常数幅度模值限制。
优选的，利用系统统计信道状态信息，获得基站端-车顶中继端链路的遍历容量的表达式为：
基站端-反射表面-车顶中继端链路的遍历容量的表达式为：
第二方面，本发明提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制系统，包括：
获取模块，用于获取系统统计信道状态信息；
赋形模块，用于在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
构建模块，用于基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
计算模块，用于求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
选择模块，用于基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现如上所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法的指令。
本发明有益效果：考虑智能反射表面辅助的高铁毫米波下行MIMO通信系统，在基站发射端和列车MR接收端均部署多个天线单元，利用波束赋形技术获得天线增益；同时动态调节智能反射表面各反射单元的相位，增强系统鲁棒性；利用系统统计CSI，联合设计收发端波束赋形方案与IRS相位调节参数矩阵，优化了直连链路与反射链路间的选择问题，提高了系统可靠性并使得系统遍历容量最大化。
本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的高铁毫米波通信系统通信链路框架图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
本实施例1提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制系统，包括：
获取模块，用于获取系统统计信道状态信息；
赋形模块，用于在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
构建模块，用于基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
计算模块，用于求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
选择模块，用于基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
本实施例1中，利用上述的控制系统实现了高铁毫米波通信系统的通信控制方法，包括：
获取系统统计信道状态信息；
在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
其中，所述系统统计信道状态信息包括：基站端-反射表面链路的信道、基站端-车顶中继端链路的视距传播信道分量、反射表面-车顶中继端链路的视距传播信道分量、基站端-车顶中继端链路的莱斯因子、反射表面-车顶中继端链路的莱斯因子。
在每个时隙，基站端传输给车顶中继端的发送信号满足： E{x(t)}＝0,E{x(t)x(t)H}＝1；
基站端以及车顶中继端的波束赋形向量分别记作其中，N1、N2分别为基站端及车顶中继端的天线数；
MR接收并处理后的基站端-车顶中继端链路的信号表示为：
MR接收并处理后的基站端-反射表面-车顶中继端链路的信号表示为：
其中PT表示BS端的发射功率；分别表示BS-MR、BS-IRS、IRS-MR之间的信道矩阵系数；/>表示系统引入的加性高斯白噪声，σ2表示高斯噪声功率；M为IRS反射单元个数。
假设直连链路和反射链路同时存在，定义两个二元变量a1和a2，如果 a1/a2＝1，则表示直连链路或反射链路用于通信，另一条用于接收信号功率的测量；如果用于测量的链路在T时间间隔内的平均接收信号功率优于用于通信的链路，则系统会在下一个时间间隔将前一个时间间隔内的测量链路切换为通信链路。
构建的系统平均遍历容量优化模型为：
P1:
s.t.a1+a2≤1
||F||2≤PT,
||W||2≤1,
其中，D表示小区的覆盖半径；v表示高铁的运行速度；约束条件 s.t.a1+a2≤1表示只有一条链路能用做通信；约束条件||F||2≤PT表示系统基站端的最大发射功率为PT，‖·‖表示欧式向量范数运算符，约束条件||W||2≤1表示车顶中继端模拟波束赋形相移器约束限制，约束条件|φm|2＝1，表示 IRS各反射阵元的幅度固定不变，满足常数幅度模值限制。
利用系统统计信道状态信息，获得基站端-车顶中继端链路的遍历容量的表达式为：
基站端-反射表面-车顶中继端链路的遍历容量的表达式为：
实施例2
本实施例2中，致力于增强车地通信系统数据传输可靠性，提出IRS辅助的高铁毫米波通信系统模型，在满足发射功率以及常数幅度模值的约束下，建立系统平均遍历容量优化问题，联合优化收发端波束赋形以及IRS反射阵元相位矩阵。在非完美信道条下，利用统计信道信息，给出遍历容量的詹森 (Jensen)不等式近似分析；此外，提出了链路选择的方案，从而在降低接收端处理复杂度的同时提升系统性能。由于决策变量的约束限制彼此独立，利用交替迭代算法，在逐次迭代过程中，分别利用二次约束二次规划问题求解算法、特征值-特征向量，依次求出各决策变量最优解直至迭代终止。
具体的，本实施例2中，、根据交替迭代优化算法并利用二次约束二次规划(Quadratically Constrained Quadratic Programming，QCQP)问题的典型算法以及特征值–特征矩阵分析，优化IRS相位调节矩阵和收发端波束赋形矩设计。其次，开展遍历容量的Jensen近似分析，提出优化算法实现遍历容量Jensen近似值最大化设计。
考虑单小区场景，通信频段为28GHz，带宽为500MHz。基站(Base Station,BS)位于小区中间(高15m)。两个IRS对称分布于基站两侧，与车顶中继(mobile relay,MR)同高(5m)。此外，基站端和车顶中继端分别部署 N1和N2根天线，每个IRS部署了M个反射元件，每个反射元件的相位/振幅可以分别调整，从而使波束指向性能较好的方向。系统模型如图1所示：根据列车的位置，BS选择离MR最近的IRS进行通信，而其他IRS则由BS调节进入睡眠状态。在我们提出的系统模型中，直接链路的BS-MR和反射链路的BS-IRS- MR同时存在。一个用于通信，另一个用于测量接收到的信号功率。另外，由于两链路工作在不同的频段，所以不存在链路间的干扰。同时为提高系统可靠性，本发明提出了在两条链路之间进行切换的方案。切换的标准是基于在这两个链路上测量的MR处接收到的信号功率。
在每个时隙，基站传输给MR的发送信号满足： E{x(t)}＝0,E{x(t)x(t)H}＝1。基站端以及MR端的波束赋形向量分别记作/>MR接收并处理后的信号可以表示为：
①BS-MR链路：
②BS-IRS-MR链路：
其中PT表示BS端的发射功率；分别表示BS-MR、BS-IRS、IRS-MR之间的信道矩阵系数。/>表示系统引入的加性高斯白噪声，σ2表示高斯噪声功率。
IRS端的相幅调节参数矩阵可以表示为对角矩阵的形式，j表示虚数单位，diag(·)表示对角矩阵函数。其中，φ＝[φ1,…,φM]表示IRS的相移向量，β＝[β1,…,βM]表示IRS的幅度反射系数向量，φm∈[0,2π),βm∈[0,1]分别对应第m个反射单元的相移和幅度。通常采用常数幅度值配置IRS，即所有IRS的反射单元的幅度保持不变，即βm＝1,|φm|2＝1。本发明也采用这种假设。
因此，MR端接收到的信噪比(Signal-to-NoiseRatio，SNR)可以表示为：
①BS-MR链路：
②BS-IRS-MR链路：
其中|·|表示复数的绝对值运算。
本实施例2中，考虑所有无线传播信道服从莱斯信道衰落模型，由于BS 和IRS均为静止状态，则BS-IRS之间信道hg的CSI可以完美已知。
接下来首先分析BS-MR之间的直连链路，利用莱斯信道衰落模型进行刻画
其中ζ1表示直连链路h1的莱斯因子，定义为主径信号(即视距传播 LoS(line-of-sight)路径信号)功率与多径分量的方差之比；表示直连链路h1的LoS信道分量，与BS-MR之间的直连链路的距离相关，并且在相干时间内保持不变。/>表示直连链路h1的NLoS(non-line-of-sight)信道分量，其元素均满足均值为0，方差为σ1 2的循环对称复高斯分布。假设基站端的天线单元采用均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)部署结构，则LoS信道分量可以表示为
其中θAoA,1,1,θAoD,2,1分别表示BS-MR直连链路中MR端的AoA(Angle of Arrival)和BS端的离开角AoD(Angle of Departure)。由于列车轨迹以及实时位置信息可知，则该链路的收发端传输距离、到达角、离开角均可以由计算得出，故该LoS信道分量可知并且为确定变量。
IRS-MR之间链路亦采用莱斯信道衰落模型进行刻画，可以表示为
其中ζ2表示IRS-MR中继链路h2的莱斯因子；表示IRS-MR中继链路 h2的LoS信道分量，与IRS-MR之间链路的距离相关，在相干时间内保持不变。/>表示IRS-MR中继链路h2的NLoS信道分量，其元素均满足均值为0，方差为σ2 2的循环对称复高斯分布。MR端的天线单元亦采用ULA部署结构，则LoS信道分量表示方式与(2)相似，不赘述。
由于IRS可由大量反射单元组成，故考虑采用均匀平面阵列(UniformPlanarArray，UPA)部署方式，则BS-IRS信道可以刻画为
其中表示Kronecker乘积运算，θAoA,1,e(θAOA,1,a),θAoD,2分别表示BS-IRS链路中IRS端的到达角与BS端的离开角。
值得注意的是，BS-MR直连链路的LoS分量以及IRS-MR中继链路的 LoS分量/>取决于收发机间距，均随着MR(或者列车)的实时位置发生变化。但BS-IRS中继链路hg的收发端均为静止状态，故本小区内该链路信道保持不变。
由于假设直连链路和反射链路同时存在，所以定义了两个二元变量a1和a2来表示使用哪个链路进行通信。如果a1/a2＝1，则表示直连/反射链路用于通信，另一条用于接收信号功率的测量。如果用于测量的链路在T时间间隔内的平均接收信号功率优于用于通信的链路，则系统会在下一个时间间隔将前一个时间间隔内的测量链路切换为通信链路。
以直连链路切换到反射链路为例，切换条件的数学公式可以表示为：
其中E{·}表示统计期望函数，以及设置15％是为了防止直连链路和反射链路之间的频繁切换。
本实施例2中，考虑系统平均遍历容量优化研究，利用统计CSI，受限于系统发射功率、IRS常数幅度模值的约束以及在时间间隔T内仅使用一条链路进行通信，联合优化IRS相位矩阵与收发端波束赋形设计。首先，我们推导出遍历容量的表达式：
①BS-MR链路：
②BS-IRS-MR链路：
因此，所提出的系统平均遍历容量最大化问题可以建模为：
其中，D表示小区的覆盖半径；v表示高铁的运行速度；约束条件1表示只有一条链路能用做通信；约束条件2表示系统发射端(即BS端)的最大发射功率为PT，‖·‖表示欧式向量范数运算符，约束条件2表示接收端(即MR端)模拟波束赋形相移器约束限制，约束条件4表示IRS各反射阵元的幅度固定不变，满足常数幅度模值限制。
由于P1的平均系统遍历容量依赖于每个时隙的通信链路的遍历容量。因此，可以将P1写成以下更简单的形式：
优化问题P1-1是非凸问题，现有方法难以直接求解。另外，由于P1-1中的目标函数包含统计期望函数，需要大量计算。此外，约束条件中的常数模约束使得问题P1-1更难以直接求解。
本实施例2中，针对遍历容量优化问题P1，考虑通过探究其上限进行简化求解。已知log(·)也是定义域上的严格递增凹函数，根据Jensen不等式，可以得到以下不等式：
其中直接链路的遍历容量/>的上界类似于(10)，只需将h 改为h1。然后，构建基于遍历容量Jensen近似值的优化问题如下所示：
其中：
/>
求解问题P1-1-ub的核心思路采用交替迭代优化算法，分别迭代求解各决策变量的最优值，直到系统收敛。
1)优化IRS相位矩阵：
根据上述公式可知取决于收发端波束赋形向量F、W，但与IRS 相位矩阵Φ无关。假设a1＝0,a2＝1并给定收发端波束赋形向量时，优化问题 P1-1-ub简化为：
将目标函数(12)展开，整理并化简可以得到：
其中Tr(·)表示矩阵求迹函数，并且引入以下几个辅助变量：A＝FFH,B＝WWH。以上辅助变量均与IRS相位矩阵无关。利用迹的性质，可以得到Tr(ΦHEΦG)＝φH(E⊙GT)φ，因此，目标函数(13)可进一步等价转化为：
问题P2-1等价转化为：
观察到二次限制的常数幅度模值约束条件，该优化问题为非凸问题，但是可以转化为QCQP问题，求解得到最优φ，进一步求解得到最优IRS相位矩阵Φ[9]。
2)优化基站端发射波束赋形向量：
给定IRS设计矩阵、MR端的接收波束赋形向量以及a1＝0,a2＝1，优化问题P1-1-ub可以简化为：
其中Ψ1＝K1+Λ1,上述问题是一个凸问题，等价于
它的Karuch-Kuhn-Tucker(KKT)条件为：
根据上述KKT条件，P2-2(a)的最佳波束赋形向量为其中ψ1 max是对应于矩阵Ψ1的最大特征值的特征向量。为了实现最大化系统的遍历容量，并且满足系统发射功率限制，故最优发射端波束赋形向量的幅度应为/>
3)优化车顶中继端接收波束赋形向量：
给定IRS设计矩阵、基站端的发射波束赋形向量以及a1＝0,a2＝1，优化问题P1-1-ub可以简化为：
与P2-2(a)类似，根据KKT条件，P2-3的最佳波束赋形向量为其中ψ2 max是对应于矩阵Ψ2的最大特征值的特征向量。受限于约束条件，接收端波束赋形向量的幅度设为1时可以最大化系统的遍历容量。
4)优化链路选择二进制变量a1/a2：
通过优化后的Φ，并且给定F和W，根据公式(5)的切换条件，可以确定二进制变量a1/a2。a1＝1的收发端波束赋形向量的优化类似于a2＝1，只需将改为/>此外，当a1＝1时不存在Φ的优化。因此，平均系统遍历容量优化问题P1 可以用交替优化算法求解。以下的算法流程总结了具体的执行步骤：/>
综上，本实施例2中，考虑智能反射表面辅助的高铁毫米波下行MIMO通信系统，在基站发射端和列车MR接收端均部署多个天线单元，利用波束赋形技术获得天线增益；动态调节智能反射表面各反射单元的相位，增强系统鲁棒性。利用系统的统计CSI，联合设计收发端波束赋形方案与IRS相位调节参数矩阵，研究系统平均遍历容量最大化问题。首先，根据交替迭代优化并利用二次约束二次规划(QCQP)问题的典型算法以及特征值–特征矩阵分析，优化IRS相位调节矩阵和收发端波束赋形向量设计。其次，开展遍历容量的Jensen近似分析，提出优化算法实现遍历容量Jensen近似值最大化设计。为进一步提升系统容量和可靠性，不同于之前研究中假设两条链路同时用于通信，提出了链路选择的方案，从直连链路BS-MR以及发射链路BS-IRS-MR 两条链路中选择出一条性能较好的，从而在降低接收端处理复杂度的同时提升系统性能。
实施例3
本发明实施例3提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现高铁毫米波通信系统的通信控制方法，该方法包括：
获取系统统计信道状态信息；
在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
实施例4
本发明实施例4提供一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行时，用于实现高铁毫米波通信系统的通信控制方法，该方法包括：
获取系统统计信道状态信息；
在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
实施例5
本发明实施例5提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现高铁毫米波通信系统的通信控制方法的指令，该方法包括：
获取系统统计信道状态信息；
在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；
基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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，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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法，其特征在于，包括：
获取系统统计信道状态信息；所述系统统计信道状态信息包括：基站端-反射表面链路的信道、基站端-车顶中继端链路的视距传播信道分量、反射表面-车顶中继端链路的视距传播信道分量、基站端-车顶中继端链路的莱斯因子、反射表面-车顶中继端链路的莱斯因子；
在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；其中，所述求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对包括的核心思路采用交替迭代优化算法，分别迭代求解各决策变量的最优值，直到系统收敛，包括：1)优化IRS相位矩阵，2)优化基站端发射波束赋形向量，3)优化车顶中继端接收波束赋形向量，4)优化链路选择二进制变量；
基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择；
其中，在每个时隙，基站端传输给车顶中继端的发送信号满足：E{x(t)}＝0,E{x(t)x(t)H}＝1；
基站端以及车顶中继端的波束赋形向量分别记作其中，N1、N2分别为基站端及车顶中继端的天线数；
车顶中继MR接收并处理后的基站端-车顶中继端链路的信号表示为：
车顶中继MR接收并处理后的基站端-反射表面-车顶中继端链路的信号表示为：
其中PT表示BS端的发射功率；分别表示BS-MR、BS-IRS、IRS-MR之间的信道矩阵系数；/>表示系统引入的加性高斯白噪声，σ2表示高斯噪声功率；M为反射表面IRS的反射元件个数；Φ(t)表示反射表面IRS的相幅调节参数矩阵；
假设直连链路和反射链路同时存在，定义两个二元变量a1和a2，如果a1/a2＝1，则表示直接链路或反射链路其中一条用于通信，另一条用于接收信号功率的测量；如果用于测量的链路在T时间间隔内的平均接收信号功率优于用于通信的链路，则系统会在下一个时间间隔将前一个时间间隔内的测量链路切换为通信链路；
构建的系统平均遍历容量优化模型为：
s.t.a1+a2≤1
||F||2≤PT,
||W||2≤1,
其中，D表示小区的覆盖半径；v表示高铁的运行速度；约束条件s.t.a1+a2≤1表示只有一条链路能用做通信；约束条件||F||2≥PT表示系统基站端的最大发射功率为PT，||·||表示欧式向量范数运算符，约束条件||W||2≤1表示车顶中继端模拟波束赋形相移器约束限制，约束条件表示IRS各反射阵元的幅度固定不变，满足常数幅度模值限制；/>为基站端-车顶中继端链路的遍历容量；/>为基站端-反射表面-车顶中继端链路的遍历容量；a1、a2表示优化链路选择的二进制变量。
2.根据权利要求1所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法，其特征在于，利用系统统计信道状态信息，获得基站端-车顶中继端链路的遍历容量的表达式为：
基站端-反射表面-车顶中继端链路的遍历容量的表达式为：
3.一种高铁毫米波通信系统的通信控制系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取系统统计信道状态信息；所述系统统计信道状态信息包括：基站端-反射表面链路的信道、基站端-车顶中继端链路的视距传播信道分量、反射表面-车顶中继端链路的视距传播信道分量、基站端-车顶中继端链路的莱斯因子、反射表面-车顶中继端链路的莱斯因子；
赋形模块，用于在基站端及车顶中继端均随机产生独立的波束赋形向量，并根据最大化信噪比原则选出最优的波束赋形对；
构建模块，用于基于获取的系统统计信道状态信息以及最优的波束赋形对构建遍历容量优化模型；
计算模块，用于求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对；其中，所述求解遍历容量优化模型更新反射表面的相位矩阵并优化波束赋形对包括的核心思路采用交替迭代优化算法，分别迭代求解各决策变量的最优值，直到系统收敛，包括：1)优化IRS相位矩阵，2)优化基站端发射波束赋形向量，3)优化车顶中继端接收波束赋形向量，4)优化链路选择二进制变量；
选择模块，用于基于更新的相位矩阵和优化后的波束赋形对进行通信链路的选择；
其中，在每个时隙，基站端传输给车顶中继端的发送信号满足：E{x(t)}＝0,E{x(t)x(t)H}＝1；
基站端以及车顶中继端的波束赋形向量分别记作其中，N1、N2分别为基站端及车顶中继端的天线数；
车顶中继MR接收并处理后的基站端-车顶中继端链路的信号表示为：
车顶中继MR接收并处理后的基站端-反射表面-车顶中继端链路的信号表示为：
其中PT表示BS端的发射功率；分别表示BS-MR、BS-IRS、IRS-MR之间的信道矩阵系数；/>表示系统引入的加性高斯白噪声，σ2表示高斯噪声功率；M为反射表面IRS的反射元件个数；Φ(t)表示反射表面IRS的相幅调节参数矩阵；
假设直连链路和反射链路同时存在，定义两个二元变量a1和a2，如果a1/a2＝1，则表示直接链路或反射链路其中一条用于通信，另一条用于接收信号功率的测量；如果用于测量的链路在T时间间隔内的平均接收信号功率优于用于通信的链路，则系统会在下一个时间间隔将前一个时间间隔内的测量链路切换为通信链路；
构建的系统平均遍历容量优化模型为：
s.t.a1+a2≤1
||F||2≤PT,
||W||2≤1,
其中，D表示小区的覆盖半径；v表示高铁的运行速度；约束条件s.t. a1+a2≤1表示只有一条链路能用做通信；约束条件||F||2≤PT表示系统基站端的最大发射功率为PT，||·||表示欧式向量范数运算符，约束条件||W||2≤1表示车顶中继端模拟波束赋形相移器约束限制，约束条件表示IRS各反射阵元的幅度固定不变，满足常数幅度模值限制；/>为基站端-车顶中继端链路的遍历容量；/>为基站端-反射表面-车顶中继端链路的遍历容量；a1、a2表示优化链路选择的二进制变量。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1或2所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1或2所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法的指令。
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