CN116600314A - 一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及系统，包括：获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。本发明能够克服毫米波的高传输损耗问题，在最小感知信噪比阈值和基站的最大发射功率约束下，实现了系统和速率最大化，保证了通信性能和感知性能之间的良好权衡。
Description
技术领域
本发明涉及信号传输技术领域，尤其涉及一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及系统。
背景技术
随着高铁逐步从信息化向智能化发展，多样化的数据密集型业务对铁路大容量通信的需求越来越高，如高清视频监控、车载宽带互联网服务、铁路物联网服务等，这对现有的铁路无线通信系统来讲是一个巨大的挑战。为了解决这个问题，通过将通信和感知功能集成到一个系统中，利用ISAC大幅提高频谱和能源效率，同时降低硬件和信号成本。
然而，现有关于ISAC的一些研究工作，虽然将感知和通信功能集成在同一个基站系统中，但实际上在基站内部雷达天线通信天线依旧是分开部署，通信系统仅在雷达不占用空间和频谱资源时传输信号。这种雷达和通信共存的方式，虽然在硬件设备上更容易实现，但不允许雷达和通信同时工作，因此并未有效提升资源利用率和频谱效率。更有效的方法是通信和雷达功能共享所有的软硬件资源。但这种情况下，存在雷达和通信信号相互干扰、相互制约的问题。
同时，现有关于ISAC的研究工作，并未考虑毫米波频段。面对迫在眉睫的频谱紧缩问题，毫米波通信技术将蜂窝通信扩展到更高的毫米波频段。毫米波的大带宽可以提供极高的通信传输速率，同时其窄波束和可观的方向性增益也能有效提高感知效率。但毫米波的传输可能会经历严重的穿透衰减，尤其是感知信号面临双倍的路径损耗。
另外，为了解决ISAC信号对无线传播环境的依赖以及毫米波高穿透损耗的问题，现有研究开始考虑利用智能反射表面改善传播环境，设计RIS辅助的ISAC系统。但现有的RIS辅助的ISAC系统研究主要考虑利用RIS增强通信信号的传输和干扰抑制，并未考虑利用RIS辅助对目标的感知。但在高速铁路系统中，通信目标和感知目标往往比较集中，或位于基站的同一方位，面临相当水平的无线信号传播损耗。以上问题使得RIS辅助的ISAC系统存在严重的通信和感知性能不平衡的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法及系统，以克服现有技术的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
第一方面，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：
获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；
根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；
基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
可选地，所述利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，包括：
步骤1，在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形；
步骤2，在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移；
步骤3，将所述初始优化后相移作为新的固定相移，重复步骤1-步骤3，直到连续迭代之间的系统传输速率差值小于预设速率阈值，以获得最优波束赋形与最优相移。
可选地，所述信道状态信息包括用户k的RIS-MR信道hir,k、BS-RIS的信道系数Hbi；
相应地，所述预先构建的系统容量最大化问题函数为：
式中，为所有MR的集合，σ2为噪声的功率，γth为感知信号信噪比阈值，Pmax为基站的最大发射功率，a(θa,θe)为RIS在(θa,θe)方向上的响应，Φ为考虑了RIS的所有元素引入的有效相移，/>为第l行对应的相移，ml为量化序号，e为设定的量化位数，约束条件/>为雷达探测接收信号的最小波束图大于阈值γth；约束条件/>为BS发射功率约束，w为波束赋形对应的波束形成矢量；约束条件/>为RIS元素的离散相移。
可选地，所述步骤1，在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形，包括：
在固定相移的情况下，所述预先构建的系统容量最大化问题函数即为波束赋形子问题优化函数：
通过引入Gk＝diag(hir,k)Hbi，W＝wwH,将所述波束赋形子问题优化函数简化，以获得简化后的波束赋形子问题优化函数：
Tr(W)≤Pmax,
Rank(W)≤1；
其中，
利用一阶泰勒展开对所述简化后的波束赋形子问题优化函数中的F1(W)进行展开，以将所述简化后的波束赋形子问题优化函数进行凸函数转换，获得最终的波束赋形子问题优化函数：
Tr(W)≤Pmax,
Rank(W)≤1；
其中，Wi为第i次迭代中W的取值；
利用预设的凸优化算法对所述最终的波束赋形子问题优化函数进行求解，以获得初始优化后波束赋形。
可选地，所述预设的凸优化算法为CVX求解器。
可选地，所述步骤2，在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移，包括：
在初始优化后波束赋形的基础上，所述预先构建的系统容量最大化问题函数即为相移设计子问题优化函数：
l＝1,…,L,ml∈{0,2,…,2e-1}；
对所述相移设计子问题优化函数的求解过程，包括：
步骤21，取L个单元相移中的一个作为当前相移φl，将L个单元相移中剩下的L-1个单元相移固定不变；
步骤22，对所述当前相移φl遍历所有取值，并将遍历得到的取值中对应的和速率最大的取值作为当前相移的优化后相移；
步骤22，重复所述步骤21至所述步骤22，直至所述L个单元相移均有对应的优化后相移。
第二方面，本发明还提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制系统，包括：
信息与函数获取模块，用于获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；
函数求解模块，用于根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；
通信链路选择模块，用于基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
可选地，所述函数求解模块，包括：
波束赋形单元，用于在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形；
相移优化单元，用于在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移；
迭代优化单元，用于将所述初始优化后相移作为新的固定相移，重复所述波束赋形单元至所述相移优化单元，直到连续迭代之间的系统传输速率差值小于预设速率阈值，以获得最优波束赋形与最优相移。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，处理器和存储器相互通信，存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令执行如上的高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上的高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
本发明有益效果：本发明提供的高铁毫米波通信系统的通信控制方法及系统，通过智能反射表面为通信和感知提供主动的反射链路，联合设计发射端波束赋形方案与RIS相位调节参数矩阵，并确定在满足感知性能阈值的前提下对应的优化目标为达到最大系统和速率。而由于优化过程中的优化变量是耦合的，难以得到闭式解，因此，本发明将系统容量最大化问题分解为波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化，并采用交替优化算法迭代求解，从而在满足感知性能阈值的前提下获得最优波束赋形与最优相移，使得高铁毫米波通信系统的和速率达到最大。另外，为进一步提升系统鲁棒性，本发明考虑了极端情况，即假设发射端和接收端/检测目标之间的直接链路均被阻断，都需要RIS为其提供反射链路，也即利用RIS朝向Target的方向图增益来衡量感知性能，获得RIS设备在(θa,θe)方向上的响应，从而在极端差的传播环境中也能保证一定程度的通信和感知功能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，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为本发明实施例提供的高铁毫米波通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，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。下面通过参考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，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“”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、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
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。
术语解释：
智能反射表面：智能反射表面是一种突破性的新技术，在二维平面集成大量低成本无源超材料单元，利用人工可编程软件实现对电波传播环境的重新配置。
高铁毫米波通信系统：工作在毫米波工作频段的高铁通信系统，可满足大数据量、高传输率的车地通信需求。
集成感知与通信：指基于软硬件资源共享或信息共享同时实现感知与通信功能协同的新型信息处理技术。通过将通信和感知功能集成到一个系统中，有望大幅提高频谱和能源效率，同时降低硬件和信号成本。
高铁毫米波通信系统：铁路运输系统的快速发展极大地丰富了铁路无线服务，提高了无线传输需求。为了实现万兆数据速率，超宽带毫米波段的应用是必然趋势。为了促进毫米波(millimeter Wave，mmWave)在HSR中的应用，对40GHz波段毫米波在铁路环境下的传播特性进行了测试，重点研究了高架线路中的传播损耗和积雪衰减。另外，有文献充分分析了基于大规模天线的HSR毫米波通信的无线信道特性，也有文献针对典型的高速铁路环境，对22.6GHz的无线信道进行了特性分析。还有文献考虑雨、雾、沙、尘等天气因素，建立了高铁中mmWave和THz波的完整传播通道模型。
RIS技术：近年来，RIS作为一种创新的革命性技术引起了学者们的广泛关注。RIS是包含大量无源反射元件的平面，每个无源反射元件能够独立地诱导入射信号的可控振幅和/或相位变化。通过在无线网络中密集部署RIS并巧妙地调整所有反射元件产生的相移，可以达到提高接收的预期功率增益和破坏性地减少干扰的目的，提高通信性能。作为超材料的二维实现，RIS天然具有低成本、低复杂度，以及易部署的突出特性，可以更好地应对智能高铁通信场景所带来的挑战。现有技术中，有文献分别研究了MISO系统和MIMO系统中的最小BS发射功率优化问题，但他们都采用的是连续RIS相移。在实际的RIS硬件中，RIS相移是通过调节PIN二极管的开关状态实现的，一个PIN二极管可以实现两位相移。因此由于元件尺寸的限制，连续的相移是不现实的。还有文献通过联合优化所有链路的传输功率和表面的离散相移，建立了多个D2D链路的系统和速率最大化问题。另外，有文献研究了在不完美信道状态信息(CSI)下，通过优化发射波束赋形向量和RIS元素的相移，实现发射功率的最小化。
ISAC技术：通过将通信和感知功能集成到一个系统中，ISAC有望大幅提高频谱和能源效率，同时降低硬件和信号成本。从信号处理的角度全面概述了ISAC系统的最新技术，包括以通信为中心、以雷达为中心以及联合设计和优化三种类型。现有技术中，有文献探讨了适用于ISAC的赋能技术，包括传输波形设计、环境建模、传感源、信号处理和数据处理。又有文献研究了ISAC的基本极限，以了解当前最先进技术与性能极限之间的差距。现有技术中，使用混合模拟数字(HAD)波束成形技术为mmWave频段的DFRC BS设计了一种收发器架构和帧结构。另外，考虑到通信信道强度不能直接从雷达感知中获得的事实，提出了一种基于空间扩展正交时频空间(SS-OTFS)调制的新型ISAC传输框架。也有一些研究分析了如何在不改变现有架构的基础上，通过优化实现性能提升。在另一文献中考虑了DFRC下行通信的全向和定向波束图设计问题，并基于求出的波形闭式解，进一步考虑了针对雷达和通信性能之间灵活折衷的加权优化。
IRS辅助的ISAC系统：为了克服ISAC系统对无线传播环境的依赖，目前已有一些研究将RIS应用于ISAC系统中，利用RIS增强通信和感知性能。现有集中，可以建立了一个基于分布式智能反射表面(RIS)的ISAC系统，并设计了详细的工作流程，包括传输协议、位置检测和波束形成优化。通过联合优化发射信号波形、感知信号波形和RIS相移，实现通信和感知性能最大化。主要衡量指标有传输速率、角度估计的Cramer-Rao界、传感互信息(MI)等。另外，通过研究了双RIS、多个RIS辅助的ISAC系统、有源RIS和混合RIS对通信和感知信号的反射和放大作用、多用户多输入单输出(MU-MISO)ISAC系统在遭到恶意无人机(UAV)窃听时的物理层安全性，发现通过联合优化雷达接收波束形成器、RIS反射系数和发射波束形成，最大化系统的可实现保密率。现有技术中还考虑了上行ISAC系统，其中单天线用户借助分布式半无源IRS向多天线基站进行发射。在既定框架中，传输周期分为两个时间段。在每个时间块，分布式半无源RIS同时进行位置感测和数据传输。分别提出了简单而有效的位置传感和波束形成设计方案。
随着高铁逐步从信息化向智能化发展，多样化的数据密集型业务对铁路大容量通信的需求越来越高，如高清视频监控、车载宽带互联网服务、铁路物联网服务等，这对现有的铁路无线通信系统来讲是一个巨大的挑战。为了解决这个问题，本发明考虑采用毫米波频段为高铁无线通信系统提供服务。毫米波频段具有30-300GHz的巨大带宽，可以提供数千兆比特的通信服务。毫米波还具备短波长、窄波束、小天线尺寸等优势，易于集成大规模多输入多输出(Massive Multiple-Input-Multiple-Output，Massive MIMO)系统。集成感知和通信系统(Integrated Sensing and Communication，ISAC)是指基于软硬件资源共享或信息共享同时实现感知与通信功能协同的新型信息处理技术。通过将通信和感知功能集成到一个系统中，ISAC有望大幅提高频谱和能源效率，同时降低硬件和信号成本。本发明将ISAC应用于高速铁路通信中，一方面可以利用雷达感知功能实现对铁轨和列车上的异物入侵检测，以及列车位置感知等，另一方面又不需要部署额外的雷达天线，不增加硬件成本。因此，本发明主要针对高速铁路毫米波集成感知和通信系统开展研究。
毫米波虽然具备丰富的带宽资源，但同时其高频段也带来了严重的穿透损耗和路径衰减问题，极易受到障碍物遮挡从而造成链路中断，对通信容量和系统性能造成了严重的影响。尤其是在铁路运行环境中，在山区、隧道等恶劣地势条件下，毫米波信号的传播面临着极大的挑战。因此，本发明提出智能反射表面(Reconfigurable IntelligentSurface，RIS)辅助的高铁毫米波集成感知和通信系统，利用RIS的可编程属性，通过调节入射信号的幅度和/或相位，提供额外的反射信号，从而提高感知精度和传输速率。为进一步提升高速铁路ISAC系统的通信和感知性能，本发明考虑极端条件，即收发端没有直接链路的情况，关注RIS辅助的高铁毫米波集成感知和通信系统，提出ISAC基站发射波束赋形和RIS反射单元相移矩阵优化算法，在保障感知性能的基础上最大化通信和速率。
在引入RIS之后，通过优化ISAC基站的发射波束赋形向量和RIS的离散相移矩阵，在感知性能和传输功率预算的前提下最大化通信传输速率。但这两个优化变量在建立的优化目标中是相互耦合的，导致该问题很难解决。因此，本发明设计了交替优化算法，通过将全局优化问题解耦为两个子问题，并分别设计波束赋形和RIS相移优化算法，从而实现系统性能最大化的目标。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
在对本发明的一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法进行介绍之前，对RIS辅助的感知通信一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)系统(即高铁毫米波通信系统)进行说明，在该ISAC系统中存在一个配备了N天线均匀线阵(ULA)的ISAC基站，同时兼备通信和感知功能。利用ISAC BS的感知回波信号，可以实现对列车车身上、轨道上、站台上的非法入侵目标的检测，还可以实现对非法入侵目标或者车厢等的高精度定位。无论是检测、估计，还是识别，其准确率都由感知回波信号的质量决定。ISAC BS为K个单天线用户提供服务，同时通过接收回波信号检测或跟踪目标。由于建筑物或植被等障碍物的遮挡和毫米波的弱穿透性，ISAC BS到用户(即图1中的User)和目标(即图1中的Target)的直接链路被遮挡。因此本发明考虑在系统中部署RIS，借助RIS的反射作用帮助信号到达接收端。而且RIS可通过集中控制器对反射信号进行幅度和相位调节，增强反射信号，以支持通信和雷达检测任务。将带有L个反射单元的RIS控制器部署在建筑物侧面墙壁上，可以与用户和目标之间保持良好的信道条件。为了方便起见，假设了一个准静态平坦衰落信道模型，其中信道在相干块内独立变化，在传输块内保持不变，另外，还假设所有链路的信道信息在ISAC BS上完全可用。
实施例1
图2为本发明实施例提供的一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法的流程示意图；如图2所示，一种高铁毫米波通信系统的通信控制方法，包括如下步骤：
S101，获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化。
在本步骤中，所述信道状态信息包括用户k的RIS-MR信道hir,k、BS-RIS的信道系数Hbi。
更具体地，在基站BS、中继设备MR和RIS具有完美的信道状态信息，且高铁毫米波通信系统中既有LoS分量又有NLoS分量，所有的链路遵循莱斯衰落的基础上，BS-RIS的信道系数Hbi可以用莱斯衰落表示为：
其中，KR＝4是莱斯因子，是BS到RIS的LoS分量，L和N分别是RIS单元的行数和列数，/>与链路距离有关，并在每一个时隙内保持稳定，/>表示BS到RIS的NLoS瑞利衰落分量，/>的第l行、第n列元素/>与/>分别表示为：
其中，β0＝-61.3849dB表示参考距离1m处的路径损耗，dbi是基站到RIS面板的距离，α1＝2.5,α2＝3.6分别是LoS和NLoS场景下的路损指数，ψl,n是在[0,2π]内随机分布的相位，的每一项是一个具有零均值和单位方差的循环对称复高斯随机变量，用于表征小尺度衰落。
同理，可以将RIS-MR k的信道表示为：
式中，为RIS到MR的LoS分量，/>为RIS到MR的NLoS瑞利衰落分量。
相应地，所述预先构建的系统容量最大化问题函数为：
式中，是所有MR的集合，σ2是噪声的功率，γth是感知信号信噪比阈值，Pmax是基站的最大发射功率，a(θa,θe)为RIS在(θa,θe)方向上的响应，Φ为考虑了RIS的所有元素引入的有效相移，/>表示第l行对应的相移，l＝1,…,L，ml表述为量化序号，e为设定的量化位数。约束条件(12a)表示雷达探测接收信号的最小波束图要大于阈值γth；约束条件(12b)是BS发射功率约束，w为波束形成矢量(即波束赋形)；约束条件(12c)是RIS元素的离散相移。
其中，考虑到ISAC BS与Target之间的LoS链路被阻挡的恶劣情况，本发明利用RIS来创造虚拟LoS链路。通过RIS朝向Target的方向图增益来衡量感知性能。对于一个配备了Lx行、Ly列(Lx×Ly＝L)的RIS而言，其在(θa,θe)方向上的响应a(θa,θe)为：
其中，
其中，θa是方位角，θe是俯仰角。此时，从RIS朝向Target的波术图增益为：
S102，根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移。
在本步骤中，由于预先构建的系统容量最大化问题函数(即公式(12))是非凸优化问题，而且包含两个优化变量波束赋形w和相移Φ。在对和速率的优化过程中，w和Φ这两个优化变量是相互耦合的，难以同时优化。因此本发明采用交替优化算法，先固定Φ，对w进行优化，然后再固定w，对Φ进行优化，最终找到满足约束的最优的w和Φ使得和速率最大。
具体地，在固定Φ优化w的情况下，系统容量最大化问题函数(即公式(12))变为在满足雷达回波信号SINR约束和发射功率约束的基础上，合理优化发射波形，使得系统和速率最大化：
在固定w优化Φ的情况下，系统容量最大化问题函数(即公式(12))转化为从2e个相移中选择最佳的相移，使得系统和速率最大化。此时，该优化子问题可以写为：
l＝1,…,L,ml∈{0,2,…,2e-1}.#(14b)
通过上述交替优化算法使得高铁毫米波通信系统在满足约束的前提下，又能达到系统和速率最大化的目的。
需要说明的是和速率具体计算过程包括：假设用户k接收到的信号yk为：
yk＝hir,kΦHbiwsk+n,#(1)
其中，分别表示基站到RIS和RIS到K个用户的信道系数矩阵，/>表示BS的发射波束赋形向量，sk表示发送给用户k的信息，n～CN(0,σ2)表示用户k接收到的加性高斯白噪声。/> 是一个对角矩阵，考虑了RIS的所有元素引入的有效相移，/>表示相移，其中l＝1,…,L，ml∈{0,1,…,2e-1}，e是设定的量化位数。
假设所有信道都是块衰落的并且在每帧内保持不变，并且假设所有信道都在BS通过导频符号进行了完美估计，则第k个用户接收到的SINR为：
此时，所有通信用户标准化和速率Rk为：
其中，B和Ck分别表示频谱的可用带宽和用户K对应的系统容量。
S103，基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
根据本发明实施例提供的高铁毫米波通信系统的通信控制方法，通过智能反射表面为通信和感知提供主动的反射链路，联合设计发射端波束赋形方案与RIS相位调节参数矩阵，并确定在满足感知性能阈值的前提下对应的优化目标为达到最大系统和速率。而由于优化过程中的优化变量是耦合的，难以得到闭式解，因此，本发明将系统容量最大化问题分解为波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化，并采用交替优化算法迭代求解，从而在满足感知性能阈值的前提下获得最优波束赋形与最优相移，使得高铁毫米波通信系统的和速率达到最大。另外，为进一步提升系统鲁棒性，本发明考虑了极端情况，即假设发射端和接收端/检测目标之间的直接链路均被阻断，都需要RIS为其提供反射链路，也即利用RIS朝向Target的方向图增益来衡量感知性能，获得RIS设备在(θa,θe)方向上的响应，从而在极端差的传播环境中也能保证一定程度的通信和感知功能。
进一步的，在上述实施例的基础上，所述利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，包括：
步骤1，在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形。
步骤2，在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移。
步骤3，将所述初始优化后相移作为新的固定相移，重复步骤1-步骤3，直到连续迭代之间的系统传输速率差值小于预设速率阈值，以获得最优波束赋形与最优相移。
具体地，先进行随机初始化，具体初始化对象包括量化比特数e，阈值γth，收敛阈值初始迭代因子i，Φ,W，并令Φ*为初始的Φ，W*为初始的W。
然后以交替的方式更新传输波形和相移，直到系统容量最大化问题函数收敛，也即两次连续迭代之间的系统传输速率差小于某个阈值：
更具体地，系统和速率最大化算法包括：
/>
其中，Φ(i+1),W(i+1),R(i+1)分别是第(i+1)次迭代中相移Φ、波束赋形W、系统传输速率R的中间值，Φ*,W*,R*分别是相移Φ、波束赋形W、系统传输速率R最终取得的最优值，是收敛阈值。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述步骤1，在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形，包括：
在固定相移的情况下，所述预先构建的系统容量最大化问题函数即为波束赋形子问题优化函数：
通过引入Gk＝diag(hir,k)Hbi，W＝wwH,对波束赋形子问题优化函数进行变换：
/>
其中，现在，将所述波束赋形子问题优化函数简化，以获得简化后的波束赋形子问题优化函数：
Tr(W)≤Pmax, #(16b)
Rank(W)≤1.#(16d)
利用一阶泰勒展开对F1(W)进行展开，以将所述简化后的波束赋形子问题优化函数进行凸函数转换，获得最终的波束赋形子问题优化函数：
s.t.(16a)-(16d).
利用预设的凸优化算法对所述最终的波束赋形子问题优化函数进行求解，以获得初始优化后波束赋形。所述预设的凸优化算法为CVX求解器。
更具体地，基于连续凸逼近的波束赋形优化算法包括：
进一步地，在上述实施例的基础上，所述步骤2，在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移，包括：
在初始优化后波束赋形的基础上，所述预先构建的系统容量最大化问题函数即为相移设计子问题优化函数：
l＝1,…,L,ml∈{0,2,…,2e-1}.#(14b)
对所述相移设计子问题优化函数的求解过程，包括：
步骤21，取L个单元相移中的一个作为当前相移φl，将L个单元相移中剩下的L-1个单元相移固定不变。
步骤22，对所述当前相移φl遍历所有取值，并将遍历得到的取值中对应的和速率最大的取值作为当前相移的优化后相移。
步骤22，重复所述步骤21至所述步骤22，直至所述L个单元相移均有对应的优化后相移。
具体地，基于局部搜索的相移优化算法包括：
根据本发明实施例提供的高铁毫米波通信系统的通信控制方法，通过基于局部搜索的相移优化算法优化相移，相较于现有的穷举算法，极大地降低了时间复杂度，使得优化过程更快。
另外，需要说明的是，在本实施例中，波束赋形子问题优化采用的是基于连续凸逼近的波束赋形优化算法，相移设计子问题优化采用的是基于局部搜索的相移优化算法，在本发明的其他实施例中，也可使用现有技术中的其他优化算法，或者是深度学习算法，本发明对此不做限定。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例2提供一种高铁毫米波通信系统的通信控制系统，该高铁毫米波通信系统的通信控制系统与上述高铁毫米波通信系统的通信控制对应，具体包括：
信息与函数获取模块，用于获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化。
函数求解模块，用于根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移。
通信链路选择模块，用于基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
具体细节参见高铁毫米波通信系统的通信控制方法部分的描述，在此不再赘述。
实施例3
本发明实施例3提供一种电子设备，包括存储器和处理器，处理器和存储器相互通信，存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令执行高铁毫米波通信系统的通信控制方法，该方法包括如下流程步骤：
获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；
根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；
基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
实施例4
本发明实施例4提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序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，该方法包括如下流程步骤：
获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；
根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；
基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
综上所述，本发明实施例通过智能反射表面为通信和感知提供主动的反射链路，联合设计发射端波束赋形方案与RIS相位调节参数矩阵，并确定在满足感知性能阈值的前提下对应的优化目标为达到最大系统和速率。而由于优化过程中的优化变量是耦合的，难以得到闭式解，因此，本发明将系统容量最大化问题分解为波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化，并采用交替优化算法迭代求解，从而在满足感知性能阈值的前提下获得最优波束赋形与最优相移，使得高铁毫米波通信系统的和速率达到最大。另外，为进一步提升系统鲁棒性，本发明考虑了极端情况，即假设发射端和接收端/检测目标之间的直接链路均被阻断，都需要RIS为其提供反射链路，也即利用RIS朝向Target的方向图增益来衡量感知性能，获得RIS设备在(θa,θe)方向上的响应，从而在极端差的传播环境中也能保证一定程度的通信和感知功能。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
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：
获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；
根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；
基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
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，所述利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，包括：
步骤1，在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形；
步骤2，在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移；
步骤3，将所述初始优化后相移作为新的固定相移，重复步骤1-步骤3，直到连续迭代之间的系统传输速率差值小于预设速率阈值，以获得最优波束赋形与最优相移。
3.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，所述信道状态信息包括用户k的RIS-MR信道hir,k、BS-RIS的信道系数Hbi；
相应地，所述预先构建的系统容量最大化问题函数为：
式中，为所有MR的集合，σ2为噪声的功率，γth为感知信号信噪比阈值，Pmax为基站的最大发射功率，a(θa,θe)为RIS在(θa,θe)方向上的响应，Φ为考虑了RIS的所有元素引入的有效相移，/>为第l行对应的相移，ml为量化序号，e为设定的量化位数，约束条件表示雷达探测接收信号的最小波束图大于阈值γth；约束条件/>为BS发射功率约束，w为波束赋形对应的波束形成矢量；约束条件/> 为RIS元素的离散相移。
4.根据权利要求2或3所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法，其特征在于，所述步骤1，在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形，包括：
在固定相移的情况下，所述预先构建的系统容量最大化问题函数即为波束赋形子问题优化函数：
通过引入Gk＝diag(hir,k)Hbi，W＝wwH,将所述波束赋形子问题优化函数简化，以获得简化后的波束赋形子问题优化函数：
Tr(W)≤Pmax
W≥0,
Rank(W)≤1,
其中，
利用一阶泰勒展开对所述简化后的波束赋形子问题优化函数中的F1(W)进行展开，以将所述简化后的波束赋形子问题优化函数进行凸函数转换，获得最终的波束赋形子问题优化函数：
Tr(W)≤Pmax,
W≥0,
Rank(W)≤1；
其中，Wi为第i次迭代中W的取值；
利用预设的凸优化算法对所述最终的波束赋形子问题优化函数进行求解，以获得初始优化后波束赋形。
5.根据权利要求4所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法，其特征在于，所述预设的凸优化算法为CVX求解器。
6.根据权利要求4所述的高铁毫米波通信系统的通信控制方法，其特征在于，所述步骤2，在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移，包括：
在初始优化后波束赋形的基础上，所述预先构建的系统容量最大化问题函数即为相移设计子问题优化函数：
l＝1,…,L,ml∈{0,2,…,2e-1}；
对所述相移设计子问题优化函数的求解过程，包括：
步骤21，取L个单元相移中的一个作为当前相移φl，将L个单元相移中剩下的L-1个单元相移固定不变；
步骤22，对所述当前相移φl遍历所有取值，并将遍历得到的取值中对应的和速率最大的取值作为当前相移的优化后相移；
步骤22，重复所述步骤21至所述步骤22，直至所述L个单元相移均有对应的优化后相移。
7.一种高铁毫米波通信系统的通信控制系统，其特征在于，包括：
信息与函数获取模块，用于获取信道状态信息以及预先构建的系统容量最大化问题函数；所述预先构建的系统容量最大化问题函数包括波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化；
函数求解模块，用于根据所述信道状态信息，并利用交替优化算法对所述预先构建的系统容量最大化问题函数中的波束赋形子问题优化与相移设计子问题优化进行迭代求解，以获得最优波束赋形与最优相移；
通信链路选择模块，用于基于所述最优波束赋形与最优相移进行车地通信数据传输和/或障碍物检测和/或列车定位。
8.根据权利要求7所述的高铁毫米波通信系统的通信控制系统，其特征在于，所述函数求解模块，包括：
波束赋形单元，用于在固定相移的情况下，利用预设的基于连续凸逼近的波束赋形优化算法优化初始波束赋形，以获得初始优化后波束赋形；
相移优化单元，用于在初始优化后波束赋形的基础上，利用预设的基于局部搜索的相移优化算法优化初始相移，以获得初始优化后相移；
迭代优化单元，用于将所述初始优化后相移作为新的固定相移，重复所述波束赋形单元至所述相移优化单元，直到连续迭代之间的系统传输速率差值小于预设速率阈值，以获得最优波束赋形与最优相移。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述高铁毫米波通信系统的通信控制方法。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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