CN116582842B - 一种irs辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质 - Google Patents

一种irs辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IRS辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质，将时间轴划分为相等的时隙，在每个时隙内执行如下步骤：S1：收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级；S2：基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合；S3：选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态；该车载毫米波广播方法及系统在IRS辅助的车载毫米波网络中可实现多用户传输和并发传输，最大化广播效率。

Description

一种IRS辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质
技术领域
本发明涉及车载网络技术领域，尤其涉及一种IRS辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质。
背景技术
作为实现更先进的智能交通系统的关键技术，车联网技术近年来受到了广泛关注。随着各种车辆传感、通信和计算技术的发展，车辆将越来越智能化，这有助于改善驾驶体验，保障驾驶安全。通过车载通信技术，车辆可以获取其他车辆的传感器数据，扩大感知范围，这对于提高驾驶安全具有重要意义，也可以为自动/无人驾驶、危险预警、盲点检测等先进应用提供支持。在环境复杂的城市道路上，智能车辆需要以低延迟交换大量传感器数据。
然而，车联网中传统的专用短程通信(DSRC)技术的数据传输速率有限，无法支持大速率传感器数据传输需求。毫米波(mmWave)通信技术在高频率下具有海量带宽资源，是一种很有前途的车对车(V2V)大规模传感器数据传输技术。但高频的毫米波信号传输距离非常有限，在实际应用中需采用定向天线将发射功率集中在主瓣方向，从而增加传播距离。窄波束定向传输的毫米波信号适用于点对点传输(Point-to-Point,P2P)，故毫米波V2V广播需要多次传输完成，效率低下。但窄波束方向性信号也为通过多跳转发和并发传输改善广播效率提供了条件。
智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)可以实现可编程无线环境，通过配置IRS的每个元件的相位，可以控制反射信号的方向和强度，提高传输距离，绕过障碍物，还可以实现多用户传输，提高广播效率。近年来，IRS在辅助无线通信方面的潜力受到了学术界的广泛关注，出现了很多利用IRS辅助广播通信的研究。但这些研究集中在信道优化方面，尚未有能够在IRS的辅助下协调直接链路与反射链路，利用空间复用实现并发传输，改善广播效率的路由协议。因此，亟需一种广播路由协议，在IRS辅助的车载毫米波网络中实现多用户传输和并发传输，最大化广播效率。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种IRS辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质，在IRS辅助的车载毫米波网络中实现多用户传输和并发传输，最大化广播效率。
本发明提出的一种IRS辅助的车载毫米波广播方法，将时间轴划分为相等的时隙，在每个时隙内执行如下步骤：
S1：收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级；
S2：基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合，所述车辆候选链路集合包括候选反射链路集合和候选直接链路集合；
S3：选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态，以实现当前时隙的多用户传输以及并发传输；
采用表示车辆候选链路集合，/>表示候选反射链路集合，/>表示候选直接链路集合，则：
其中，表示并集，/>表示发射车辆/>和接收车辆/>之间没有IRS辅助的直接链路，/>表示发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路的集合，/>表示选中的发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路，/>表示在时隙/>已经收到广播数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到广播数据包的车辆集合，/>表示反射面/>选择的发射车辆，/>表示反射面/>选择的发射车辆的序号，/>表示IRS的总数量，/>表示IRS的序号，/>和表示直接链路/>的接收功率和数据速率，/>和/>是反射链路/>在获得最大反射增益时的接收功率和数据速率，/>是广播数据包的长度，/>是单个时隙的持续时间，表示噪声的功率谱密度，/>表示带宽。
进一步地，所述候选链路满足两个要求：一是候选链路的发射车辆已经收到广播数据包，候选链路的接收车辆尚未收到广播数据包，二是链路的数据速率能在单个时隙内完成广播数据包的传输；
采用链路的数据速率作为衡量链路质量因素的指标，其中/>表示反射链路/>的数据速率，/>分别表示车辆的序号，/>表示IRS的序号；
采用接收车辆的视距邻居中未收到广播数据包的车辆数量作为衡量地理位置因素的指标；
综合链路质量因素和地理位置因素，通过如下公式计算链路的优先级路/>：
其中，是链路/>的接收车辆/>的视距邻居中没有收到广播数据包的车辆数量，/>和/>是/>和/>的最大值，/>和/>是权重参数，/>。
进一步地，在步骤S2中，具体为：
S21：基于发射车辆在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合/>，基于所有发射车辆和反射链路集合/>构建待选择集合/>；
S22：从中选择使得/>最大的/>，并另/>，/>表示为反射面/>选择的发射车辆的序号；
S23：从中删除所有/>或/>的/>，/>为发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合；
S24：判断是否为空，当为空时进入步骤S25，当不为空，则循环进入步骤S22；
S25：车辆候选链路集合构建完成。
进一步地，在步骤S3：选择无冲突链路执行并发传输调度中，具体包括：
S31：根据信号冲突规则计算冲突信息，根据冲突信息构建并发调度图；
S32：在并发调度图中选择最大的顶点对应的候选链路，其中/>和/>分别表示顶点的权重和度数；
S33：判断辅助被选择的候选链路的反射面能力是否超过上限，若是进入步骤S34，若否进入步骤S35；
S34：从并发调度图中删除所有该反射面辅助候选链路对应的顶点，进入步骤S36；
S35：该候选链路被选择进行传输，从并发调度图中删除该顶点和相邻顶点，进入步骤S36；
S36：判断并发调度图是否非空，若是则循环进入步骤S33，若否则结束。
进一步地，判断两个毫米波链路和/>是否存在信号冲突的信号冲突规则具体如下：
信号冲突规则判断如下：
对任意两个毫米波链路和/>进行计算；
若或/>且/>，则/>和/>存在信号冲突，其中，/>表示信干噪比的最小阈值，/>表示链路/>的接收车辆收到的来自链路/>的发射车辆的干扰功率，/>表示链路/>的接收车辆收到的来自链路/>的发射车辆的干扰功率，/>表示链路/>的接收功率，/>表示链路的接收功率。
进一步地，在步骤S33：判断辅助被选择的候选链路的反射面能力是否超过上限中，具体判断过程为：若
则反射面辅助多用户传输的能力已超过上限，其中/>表示反射面/>的配置，/>表示反射面/>辅助的候选链路集合。
进一步地，在根据冲突信息构建并发调度图中，具体为：将车辆候选链路集合转换为一个加权图，该加权图作为并发调度图；所述并发调度图中每个顶点对应一个候选链路，每个顶点的权重对应候选链路的优先级，并发调度图中相邻顶点对应的链路互相冲突，而不相邻顶点对应的链路之间不存在冲突关系，可以并发传输。
一种IRS辅助的车载毫米波广播系统，包括时间划分模块、收集分配模块、构建模块和调度广播模块；
所述时间划分模块用于将时间轴划分为相等的时隙，分别在每个时隙内执行收集分配模块、构建模块和调度广播模块；
所述收集分配模块用于收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级；
所述构建模块用于基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合，所述车辆候选链路集合包括候选反射链路集合和候选直接链路集合；
所述调度广播模块用于选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态，以实现当前时隙的多用户传输以及并发传输；
采用表示车辆候选链路集合，/>表示候选反射链路集合，/>表示候选直接链路集合，则：
其中，表示并集，/>表示发射车辆/>和接收车辆/>之间没有IRS辅助的直接链路，/>表示发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路的集合，/>表示选中的发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路，/>表示在时隙/>已经收到广播数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到广播数据包的车辆集合，/>表示反射面/>选择的发射车辆，/>表示反射面/>选择的发射车辆的序号，/>表示IRS的总数量，/>表示IRS的序号，/>和表示直接链路/>的接收功率和数据速率，/>和/>是反射链路/>在获得最大反射增益时的接收功率和数据速率，/>是广播数据包的长度，/>是单个时隙的持续时间，表示噪声的功率谱密度，/>表示带宽。
一种计算机可读储存介质，所述计算机可读储存介质上存储有若干程序，所述若干程序用于被处理器调用并执行如上所述的车载毫米波广播方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明提供的一种IRS辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质的优点在于：本发明结构中提供的一种IRS辅助的车载毫米波广播方法、系统及储存介质，车载毫米波V2V广播中引入IRS实现多用户传输，在考虑信号干扰和IRS辅助能力的同时，协调调度直接链路和反射链路实现并发传输，该车载毫米波广播方法及系统的优势在于利用IRS的辅助实现多用户传输并基于空间复用实现并发传输，从根本上改变车载毫米波广播效率低下的问题，最大化改善广播效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为发射车辆选择的流程图；
图3为RSU的并发调度流程图；
图4为车载毫米波广播整体流程图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
正如背景所述，智能车辆上配备有许多传感器可以感知车辆周围环境，得到的感知数据可以为车载安全应用以及自动/辅助驾驶等先进应用提供支持。在城市环境中，特别是交叉路口附近，等待交通信号灯的车辆会阻挡其他车辆传感器的感知，街道间的建筑物还会阻挡车载传感器对其他街道环境的感知，单个车辆的传感器感知范围有限，在车辆间交换传感器数据实现协同感知有着重要意义。毫米波通信技术是实现车辆间大规模传感器数据交换的首选方案，但窄波束定向传输的特性限制毫米波信号通过单点对单点的方式传输，使车载毫米波广播需要多轮转发完成，降低了广播效率。
为IRS辅助的车载毫米波广播设计高效的广播协议，主要有两个问题需要解决。一是怎么为IRS选择发射车辆，在实现高效的多用户传输的同时，保障IRS辅助的每个接收车辆的链路质量。二是在引入IRS后，信号干扰更加严重、复杂的情况下，如何通过集中式的广播控制，协调直接链路和反射链路，在每个时隙调度尽量多的无冲突链路进行并发传输，在最大化广播容量的同时避免产生冲突。
如图1至4所示，本发明提出的一种IRS辅助的车载毫米波广播方法，将时间轴划分为相等的时隙，在每个时隙内执行如下步骤：
S1：收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级；
S2：基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合，所述车辆候选链路集合包括候选反射链路集合和候选直接链路集合；
S3：选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态，以实现当前时隙的多用户传输以及并发传输。
通过步骤S1至S3，车载毫米波V2V广播中引入IRS实现多用户传输，在考虑信号干扰和IRS辅助能力的同时，协调调度直接链路和反射链路实现并发传输，该车载毫米波广播方法及系统的优势在于利用IRS的辅助实现多用户传输并基于空间复用实现并发传输，从根本上改变车载毫米波广播效率低下的问题，最大化改善广播效率。
以下进行具体说明：
本发明所提出的IRS辅助的车载毫米波广播方法及系统采用集中式控制，适用于部署有路边单元(RSU)或基站(BS)的车载网络场景。以部署RSU为例，车载网络中的RSU和所有车辆都配备有sub-6GHz和毫米波两套通信设备。sub-6GHz用于控制信息的交换，而毫米波用于大数据率传感器数据广播。RSU可以通过sub-6GHz的实现对广播区域的覆盖，完成集中式控制。此外，为了实现IRS配置，网络中的IRS通过有线链路与RSU相连，接收配置信息。
将时间轴划分为相等的时隙。在每个时隙，RSU收集信息，做出广播调度决策，并通过sub-6GHz广播将决策结果发送给区域内所有车辆，使车辆按照调度决策执行并发传输。每个时隙分为控制时段和传输时段两个部分，在控制时段，RSU完成三个工作，分别是1)通过sub-6GHz收集车辆的移动性信息和上个时隙的传输结果；2)根据车辆的移动性信息和广播状态为当前时隙做出调度决策；3)将调度决策通过sub-6GHz广播给所有车辆。在传输时段，所有车辆根据收到的调度决策，在完成波束成形和IRS配置后，执行传输。
首先对本实施例的信道模型进行说明。
车载毫米波网络中的每辆车配备了毫米波天线阵列，可以在发射和接收毫米波信号时获得天线增益。天线增益的计算公式如下：
其中，表示水平对准误差，/>表示垂直对准误差。g0为视轴方向的最高天线增益，即对准误差为0时的天线增益。/>和/>分别表示水平3dB波束宽度和垂直3dB波束宽度。
令分别表示车辆的序号，/>表示IRS的数量序号，其中/>表示实际存在的反射面的序号，/>表示没有IRS辅助。这样，发射车辆/>和接收车辆/>之间没有IRS辅助的直接链路可以表示为/>，而发射车辆/>和接收车辆/>之间在反射面/>的辅助下构建的反射链路可以表示为/>，其中/>。用/>表示发射功率，直接链路/>的接收功率如下：
其中，和/>分别表示发射天线增益和接收天线增益，/>表示毫米波信号在60GHz下的路径损耗，可以如下计算得到：
其中，是发射车辆与接收车辆之间的距离，/>是路径损耗指数，/>是反映障碍物阻塞效应影响的参数，/>和/>的值都是由发射车辆和接收车辆之间的障碍物数量决定的。仍用/>表示发射功率，反射链路/>的接收功率如下：
其中，是IRS的数量序号，也可以对应表示为反射面的序号，/>和/>分别是发射天线增益和接收天线增益，/>是总路径损耗，由入射阶段和反射阶段的路径损耗组成。/>表示反射增益。/>的取值由信号的入射角度、反射角度和反射面配置决定，最大值为/>，其中/>是IRS的边长，/>是信号波长。IRS辅助多用户传输需要求解配置优化问题/>，其中/>是反射面/>的配置矩阵，/>是发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合。
综上，直接链路()和反射链路(/>)的数据速率可以统一表示为：
其中，是链路/>的数据速率，/>表示噪声的功率谱密度，/>表示带宽。
本实施例所设计的IRS辅助的车载毫米波广播方法，以部署有路边单元(RSU)的车载场景，以下对步骤S1至S3具体说明。
S1：RSU收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级。
在为一个时隙执行广播调度之前，需要找出该时隙的候选链路，即能够在该时隙完成广播数据包传输的链路，并为其分配优先级。候选链路需要满足两个要求，一是候选链路的发射车辆必须已经收到广播数据包，而接收车辆尚未收到广播数据包，用表示在时隙/>已经收到广播数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到广播数据包的车辆集合，则候选链路需要满足/>，/>。二是候选链路的链路质量需要足够高，保证链路的数据速率/>足够高，能在单个时隙内完成广播数据包的传输。在做出调度决策之前，IRS辅助的多用户集合/>不确定，无法完成配置优化，无法预估反射链路的数据速率/>。故本实施例利用反射链路的最大可达数据速率/>判断反射链路能否在单个时隙内完成传输。是反射链路在获得最大反射增益时的数据速率。一个链路的数据速率需要满足以下要求才能作为候选链路：
其中，和/>表示直接链路/>的接收功率和数据速率，/>和/>是反射链路/>在获得最大反射增益时的接收功率和数据速率，/>是广播数据包的长度，/>是单个时隙的持续时间，/>表示噪声的功率谱密度，/>表示带宽。
候选链路的优先级不仅需要反映该候选链路的质量，还需要反映该候选链路的接收车辆继续转发广播数据包的能力。本实施例从两个方面评价广播路由中候选链路的优先级。一方面是候选链路的质量，为了保障链路可靠性和数据传输率，链路质量是一个重要指标。不同的链路质量造成了不同的数据传输速率，本实施例采用链路的数据速率作为衡量链路质量因素的指标，对/>的反射链路，采用/>。另一方面是链路的接收车辆成功收到广播数据包后，作为新的发射车辆继续转发的能力，即选择该候选链路完成传输后，下一跳的转发情况。如果候选链路的接收车辆的视距邻居（包括在IRS辅助下能够进行虚拟视距通信的邻居）中未收到广播数据包的车辆较少，那么下一跳转发可以选择的候选链路较少，不利于加快广播进度。如果候选链路的接收车辆的视距邻居中未收到广播数据包的车辆较多，那么下一跳转发可以选择的候选链路较多，选择该接收车辆作为新的发射车辆继续转发，有利于加快广播进度。因此应该将广播数据包尽快向没有收到广播数据包的视距邻居较多的车辆转发，以加快广播进度。本实施例采用接收车辆的视距邻居中未收到广播数据包的车辆数量作为衡量地理位置因素的指标。综合链路质量和地理位置两个因素，可以得到链路/>的优先级/>计算方式，如下所示：
其中，是链路/>的接收车辆/>的视距邻居中没有收到广播数据包的车辆数量，/>和/>是/>和/>的最大值，用于归一化处理，/>和/>是权重参数，/>。
S2：基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合，所述车辆候选链路集合包括候选反射链路集合和候选直接链路集合。
为了利用IRS实现多用户传输，首先需要为每个IRS选择对实现多用户传输最优的发射车辆，以最大化多用户传输容量。在时隙中，已收到广播数据包的车辆集合/>中的车辆可以作为发射车辆转发广播数据包。用/>表示IRS的数量序号，需要从/>中为每个IRS选择一个发射车辆。发射车辆的选择由在IRS辅助下发射车辆能够构建的所有候选反射链路的总优先级决定。根据候选链路要求，发射车辆/>在反射面/>的辅助下能够构建的候选反射链路集合为：
用表示为反射面/>选择的发射车辆，/>是为反射面/>选择的发射车辆的序号，为了最大化多用户传输，/>如下表示：
IRS选择发射车辆，以及候选链路搜索的过程如图2所示：
S21：基于发射车辆在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合/>，基于所有发射车辆和反射链路集合/>构建待选择集合/>；
S22：从中选择使得/>最大的/>，并令/>，/>表示为反射面/>选择的发射车辆的序号；
S23：从中删除所有/>或/>的/>，/>为发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合；
S24：判断是否为空，当为空时进入步骤S25，当不为空，则循环进入步骤S22；
S25：车辆候选链路集合构建完成。
每个IRS只能选择一个发射车辆，每个发射车辆也只能分配给一个IRS，因此当被选择后，相同IRS或发射车辆构建的候选反射链路集合不能再被选择，采用/>表示候选反射链路集合，没有被IRS选择的发射车辆在没有IRS辅助的情况下只能构建直接链路，采用表示候选直接链路集合，所有候选反射链路和候选直接链路组成了候选链路集合/>。
、/>、/>对应的公式如下：
特别说明的是，是泛指某个发射车辆/>的序号，/>多了个下标/>，特指反射面/>选中的发射车辆/>的序号，即/>表示发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路，/>表示选中的发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路。
是泛指所有反射链路的集合，/>是指选出的候选反射链路集合；因为是选出关系，/>可以直接套用/>的公式。
S3：选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态，以实现当前时隙的多用户传输以及并发传输。
并发传输调度的目标是在每个时隙选择尽可能多的高优先级的无冲突链路进行并发传输。广播调度中，两个链路之间可能存在以下三种冲突情形：(a)两个直接链路的发射车辆相同；(b)两个链路的接收车辆相同；(c)两个链路的信号相互冲突。其中，冲突情形(a)和(b)是资源冲突。在IRS的分配中，为每个IRS各选择了一个不同的发射车辆，且直接链路的发射车辆没有分配反射面。在这种情况下，中的候选链路中不会出现两个反射链路的发射车辆冲突的情形，也不会出现一个直接链路与一个反射链路的发射车辆冲突的情形，只可能出现两个直接链路的发射车辆冲突的情形，即冲突情形(a)。冲突情形(b)是因为接收车辆只能通过一个链路接收数据包，故两个链路的接收车辆不能相同。冲突情形(c)是信号冲突，信号冲突是指来自其他发射车辆的信号功率过大，影响链路正常接收信号。在窄波束定向传输中，功率被集中在方向性天线的主瓣方向，如果出现信号冲突会给传输带来严重影响。但相对的，由于来自主瓣方向的干扰远大于旁瓣方向，在毫米波通信中，来自主瓣方向的最大信号干扰对信干噪比(SINR)起决定性作用。引入IRS后这一特性没有改变，但入射信号和反射信号都可能造成干扰。因此，可以假设只要来自所有其他发射车辆的干扰信号都不超过阈值，信号干扰就不会对链路传输产生影响。根据这个假设，在部署有IRS的场景中，判断两个毫米波链路是否存在信号冲突的规则如图3所示，步骤S31至S36。
S31：根据信号冲突规则计算冲突信息，根据冲突信息构建并发调度图；
信号冲突规则判断如下：
对任意两个毫米波链路和/>进行计算；
若或/>且/>，则/>和/>存在信号冲突，其中，/>表示信干噪比的最小阈值，/>表示链路/>的接收车辆收到的来自链路/>的发射车辆的干扰功率，/>表示链路/>的接收车辆收到的来自链路/>的发射车辆的干扰功率。
其中根据冲突信息构建并发调度图，具体为：将车辆候选链路集合转换为一个加权图，该加权图作为并发调度图；所述并发调度图中每个顶点对应一个候选链路，每个顶点的权重对应候选链路的优先级，并发调度图中的边表示非并发关系，有边相连的两个相邻顶点对应的链路互相冲突，不能并发传输。
S32：在并发调度图中选择最大的顶点对应的候选链路，其中/>和/>分别表示顶点的权重和度数，其中顶点的度数/>对应于与顶点相联的边的数量。
S33：判断辅助被选择的候选链路的反射面能力是否超过上限，若是进入步骤S34，若否进入步骤S35。
S34：从并发调度图中删除所有该反射面辅助候选链路对应的顶点，进入步骤S36。
S35：该候选链路被选择进行传输，从并发调度图中删除该顶点和相邻顶点，进入步骤S36。
S36：判断并发调度图是否非空，若是则循环进入步骤S33，若否则结束。
根据步骤S31至S36，通过构建并发调度图，并发调度图中相邻顶点对应的链路互相冲突，而不相邻顶点对应的链路之间不存在冲突关系，可以并发传输，故并发调度图的一个独立集对应的候选链路集合可以实现无冲突并发传输。可以通过解决并发调度图的最大加权独立集(MWIS)问题来解决候选链路的并发调度问题。最大加权独立集问题可以通过贪心算法解决。具体地，贪心算法从并发调度图中循环选择具有最大的的顶点，选择一个顶点后，该顶点及其相邻顶点不能再被选择，将从并发调度图中删除，直到并发调度图为空。最后，被选中的顶点构成一个最大加权独立集的近似解。通过贪心算法得到的最大加权独立集对应的候选链路集合，就是并发调度选择可以实现并发传输的无冲突链路集合。
需要说明的是，IRS可以构建多个反射波束实现多用户传输，但这不是没有限制的。IRS能够同时辅助的链路数量与反射资源(即反射面的大小)和辅助的每个链路的路径损耗有关。广播调度必须保证IRS辅助的所有链路的可靠性，即保证通过优化反射面配置，辅助的所有链路都能够完成广播数据包的传输，否则该IRS辅助的链路过多，超过了其辅助能力上限，无法完成传输，因而通过步骤S33的判断规则以确定IRS辅助多用户传输的能力是否已经超过上限。
S33的判断规则具体为：若
则反射面辅助多用户传输的能力已超过上限，不能辅助这些链路完成传输，其中表示反射面/>的配置，/>表示反射面/>辅助的候选链路集合。
该判断规则意味着，如果以最大化IRS辅助的链路中的最小数据传输速率为目标完成配置优化，数据传输速率最小的链路仍无法完成传输，则IRS辅助多用户传输的能力已超过上限。在贪心算法每一轮循环（S33至S36）中，如果选择的顶点对应的链路是由IRS辅助传输的反射链路，则需要判断将该链路加入该IRS辅助的链路集合后，该IRS辅助多用户传输的能力是否超过上限。如果加入该链路后，该IRS不能辅助这些链路完成传输，则该链路不能被选择用于传输，且尚待选择的候选链路中所有由该IRS辅助的反射链路都将失效，需要从并发调度图中删除剩余的所有由该IRS辅助的反射链路对应的顶点。
该车载毫米波广播方法及系统的使用过程如图4所示：
广播调度由RSU进行集中式控制。广播开始时，初始化地，，，其中/>是广播的源车辆，/>表示在时隙/>已经收到广播数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到广播数据包的车辆集合，/>表示所有车辆组成的集合。在每个时隙，RSU首先完成发射车辆的选择和候选链路搜索，得到候选链路集合/>，然后执行并发传输调度算法做出广播调度决策，并将调度决策通过sub-6GHz接口广播给区域内的车辆。车辆在收到调度决策后执行传输，最后由RSU收集车辆传输结果，用于更新已经收到广播数据包的车辆集合/>和尚未收到广播数据包的车辆集合/>，为下一个时隙的调度做好准备。在理想情况下，广播在所有车辆都收到数据包结束，用/>表示广播结束的时隙序号，即，/>，其中，/>表示在时隙/>已收到数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到数据包的车辆集合，/>表示空集。但如果网络中存在无法收到广播数据包的不可达车辆，则在所有车辆都收到广播数据包之前，候选链路集合/>为空，广播会提前终止。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，将时间轴划分为相等的时隙，在每个时隙内执行如下步骤：
S1：收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级；
S2：基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合，所述车辆候选链路集合包括候选反射链路集合和候选直接链路集合；
S3：选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态，以实现当前时隙的多用户传输以及并发传输；
采用表示车辆候选链路集合，/>表示候选反射链路集合，/>表示候选直接链路集合，则：
其中，表示并集，/>表示发射车辆/>和接收车辆/>之间没有IRS辅助的直接链路，表示发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路的集合，/>表示选中的发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路，/>表示在时隙/>已经收到广播数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到广播数据包的车辆集合，/>表示反射面/>选择的发射车辆，/>表示IRS的总数量，/>表示IRS的数量序号，/>和/>表示直接链路/>的接收功率和数据速率，/>和/>是反射链路/>在获得最大反射增益时的接收功率和数据速率，/>是广播数据包的长度，/>是单个时隙的持续时间，/>表示噪声的功率谱密度，/>表示带宽。
2.根据权利要求1所述的IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，所述候选链路满足两个要求：一是候选链路的发射车辆已经收到广播数据包，候选链路的接收车辆尚未收到广播数据包，二是链路的数据速率能在单个时隙内完成广播数据包的传输；
采用链路的数据速率作为衡量链路质量因素的指标，其中/>表示反射链路/>的数据速率，/>分别表示车辆的序号；
采用接收车辆的视距邻居中未收到广播数据包的车辆数量作为衡量地理位置因素的指标；
综合链路质量因素和地理位置因素，通过如下公式计算链路的优先级路/>：
其中，是链路/>的接收车辆/>的视距邻居中没有收到广播数据包的车辆数量，/>和/>是/>和/>的最大值，/>和/>是权重参数，/>。
3.根据权利要求2所述的IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，在步骤S2中，具体为：
S21：基于发射车辆在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合/>，基于所有发射车辆和反射链路集合/>构建待选择集合/>；
S22：从中选择使得/>最大的/>，并另/>，/>表示为反射面/>选择的发射车辆的序号；
S23：从中删除所有/>或/>的/>，/>为发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路/>的集合；
S24：判断是否为空，当为空时进入步骤S25，当不为空，则循环进入步骤S22；
S25：车辆候选链路集合构建完成。
4.根据权利要求3所述的IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，在步骤S3：选择无冲突链路执行并发传输调度中，具体包括：
S31：根据信号冲突规则计算冲突信息，根据冲突信息构建并发调度图；
S32：在并发调度图中选择最大的顶点对应的候选链路，其中/>和/>分别表示顶点的权重和度数；
S33：判断辅助被选择的候选链路的反射面能力是否超过上限，若是进入步骤S34，若否进入步骤S35；
S34：从并发调度图中删除所有该反射面辅助候选链路对应的顶点，进入步骤S36；
S35：该候选链路被选择进行传输，从并发调度图中删除该顶点和相邻顶点，进入步骤S36；
S36：判断并发调度图是否非空，若是则循环进入步骤S33，若否则结束。
5.根据权利要求4所述的IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，判断两个毫米波链路和/>是否存在信号冲突的信号冲突规则具体如下：
信号冲突规则判断如下：
对任意两个毫米波链路和/>进行计算；
若或/>且/>，则/>和/>存在信号冲突，其中，/>表示信干噪比的最小阈值，/>表示链路/>的接收车辆收到的来自链路/>的发射车辆的干扰功率，/>表示链路/>的接收车辆收到的来自链路/>的发射车辆的干扰功率，/>表示链路/>的接收功率，/>表示链路/>的接收功率。
6.根据权利要求3所述的IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，在步骤S33：判断辅助被选择的候选链路的反射面能力是否超过上限中，具体判断过程为：若
则反射面辅助多用户传输的能力已超过上限，其中/>表示反射面/>的配置，/>表示反射面/>辅助的候选链路集合。
7.根据权利要求3所述的IRS辅助的车载毫米波广播方法，其特征在于，在根据冲突信息构建并发调度图中，具体为：将车辆候选链路集合转换为一个加权图，该加权图作为并发调度图；所述并发调度图中每个顶点对应一个候选链路，每个顶点的权重对应候选链路的优先级，并发调度图中相邻顶点对应的链路互相冲突，而不相邻顶点对应的链路之间不存在冲突关系，可以并发传输。
8.一种IRS辅助的车载毫米波广播系统，其特征在于，包括时间划分模块、收集分配模块、构建模块和调度广播模块；
所述时间划分模块用于将时间轴划分为相等的时隙，分别在每个时隙内执行收集分配模块、构建模块和调度广播模块；
所述收集分配模块用于收集车辆移动性信息，筛选出候选链路，综合链路质量因素和地理位置因素为所述候选链路分配优先级；
所述构建模块用于基于在IRS辅助下发射车辆构建的所有候选反射链路的总优先级为每个IRS选择一个最优于实现多个用户传输的发射车辆，构建车辆候选链路集合，所述车辆候选链路集合包括候选反射链路集合和候选直接链路集合；
所述调度广播模块用于选择无冲突链路执行并发传输调度，并将并发传输调度广播给所有车辆，接收所有车辆的反馈结果并更新广播状态，以实现当前时隙的多用户传输以及并发传输；
采用表示车辆候选链路集合，/>表示候选反射链路集合，/>表示候选直接链路集合，则：
其中，表示并集，/>表示发射车辆/>和接收车辆/>之间没有IRS辅助的直接链路，表示发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路的集合，/>表示选中的发射车辆/>在反射面/>的辅助下构建的反射链路，/>表示在时隙/>已经收到广播数据包的车辆集合，/>表示在时隙/>尚未收到广播数据包的车辆集合，/>表示反射面/>选择的发射车辆，/>表示IRS的总数量，/>表示IRS的数量序号，/>和/>表示直接链路/>的接收功率和数据速率，/>和/>是反射链路/>在获得最大反射增益时的接收功率和数据速率，/>是广播数据包的长度，/>是单个时隙的持续时间，/>表示噪声的功率谱密度，/>表示带宽。
9.一种计算机可读储存介质，其特征在于，所述计算机可读储存介质上存储有若干程序，所述若干程序用于被处理器调用并执行如权利要求1至7任一所述的车载毫米波广播方法。
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