CN116761150B - 一种基于ap和star-ris单元选择的高铁无线通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于AP和STAR‑RIS单元选择的高铁无线通信方法，包括：步骤1，获取分布式接入点和车窗之间的大尺度衰落系数，初始化高铁无线通信系统所需的最小传输速率、停止迭代判决常数、激活STAR‑RIS单元数范围；步骤2，确定服务分布式接入点数量，并选择大尺度衰落系数最大的分布式接入点作为车窗的主分布式接入点，计算剩余的分布式接入点被接入到通信网络中的贡献度，并按照贡献度大小依次接入，直到满足服务分布式接入点数量，进而得到服务分布式接入点集合；步骤3，基于二分插值法选择激活STAR‑RIS单元数进行输出，再根据激活STAR‑RIS单元数激活对应数量的STAR‑RIS单元，以进行高铁无线通信。本发明能够在保证数据可靠传输的条件下减少能耗，降低系统中断概率。

Description

一种基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法。

背景技术

随着高速铁路的蓬勃发展，未来高铁无线通信要向着可靠性更高、时延更低、接入规模更大的方向发展，以保证铁路运输通信系统的高质量传输。在高铁高速运行的过程中，频繁的越区切换和车厢的高穿透损耗会使高铁无线通信系统性能恶化，难以保证通信质量。

去蜂窝大规模多输入多输出系统和可以同时透射和反射的智能超表面（Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable IntelligentSurface，STAR-RIS）技术为解决上述问题提供了可能。通过在通信网络中部署大量的分布式接入点（Access Point，AP），去蜂窝大规模多输入多输出系统消除了小区的概念，避免了频繁的越区切换；将STAR-RIS部署在高铁列车的车窗上，STAR-RIS的控制器能够调控STAR-RIS单元将车窗外的信号透射至车厢内，可以在低硬件成本和低能耗条件下实现一定的增益，保证通信质量。

然而，由于列车的高速移动，AP和用户的相对位置变化较快，且每个AP的发射功率有限，如果每个AP服务全部的用户，部分距离AP较远的用户获得的增益有限，会造成不必要的功率浪费和前传链路的负担。同时，列车上的用户数目不确定，AP和列车之间存在高路径损耗，激活所有的RIS单元进行传输会增加AP的发射功率，使系统性能恶化。因此，需要合理选择AP和激活一定数量的STAR-RIS单元进行通信，降低通信系统的能耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，在保证数据可靠传输的条件下减少能耗，降低系统中断概率。首先根据大尺度衰落系数为车窗选择服务AP集合，保证每个AP只服务一定数量的车窗，能够提供较小增益的AP不接入服务车窗的网络，同时每个车窗都有一定数量的AP为其服务；然后基于二分插值法选择激活STAR-RIS单元数量，直至车载终端速率满足所需的最小传输速率，输出激活STAR-RIS单元数。

一种基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，应用于高铁无线通信系统，所述高铁无线通信系统包括分布式接入点、STAR-RIS的控制器、STAR-RIS单元和车载终端，所述STAR-RIS的控制器和STAR-RIS单元部署在高铁的车窗上，所述STAR-RIS的控制器用于调控多个STAR-RIS单元，所述方法包括：

步骤1，获取分布式接入点和车窗之间的大尺度衰落系数，初始化高铁无线通信系统所需的最小传输速率R_th、停止迭代判决常数、激活STAR-RIS单元数范围[r ₁，r ₂]，其中，r ₁表示激活STAR-RIS单元数的最小值，r ₂表示激活STAR-RIS单元数的最大值；

步骤2，确定服务分布式接入点数量，并选择大尺度衰落系数最大的分布式接入点作为车窗的主分布式接入点，计算剩余的分布式接入点被接入到通信网络中的贡献度，并按照贡献度大小依次接入，直到满足服务分布式接入点数量，进而得到服务分布式接入点集合；

步骤3，基于二分插值法选择激活STAR-RIS单元数进行输出，再根据激活STAR-RIS单元数激活对应数量的STAR-RIS单元，以进行高铁无线通信；

其中，步骤3具体包括：

首先，基于服务分布式接入点集合，获取激活r ₁和r ₂个STAR-RIS单元时第i个车载终端的信噪比和/>；然后，计算插值点c，并计算激活c个STAR-RIS单元时第i个车载终端的信噪比/>；若/>等于车载终端所需的最小信噪比/>，直接输出激活STAR-RIS单元数，且/>；若/>不等于车载终端所需的最小信噪比/>，则根据/>与/>的大小关系缩小激活STAR-RIS单元数范围，再重新计算/>、/>、c、/>，循环迭代，直至满足r ₂-r ₁＜/>或/>=/>，输出激活STAR-RIS单元数。

根据本发明提供的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，首先根据大尺度衰落系数为车窗选择服务分布式接入点集合，然后基于二分插值法选择激活STAR-RIS单元数量，直至车载终端速率满足所需的最小传输速率，输出激活STAR-RIS单元数，再根据激活STAR-RIS单元数进行高铁无线通信，避免激活所有的STAR-RIS单元增加AP发射功率的问题，本发明能够在保证数据可靠传输的条件下减少能耗，降低系统中断概率。此外，本发明根据大尺度衰落系数为车窗选择服务分布式接入点集合，能够保证每个AP只服务一定数量的车窗，从而使得提供较小增益的AP不接入服务车窗的网络，同时每个车窗也都有一定数量的AP为其服务。

附图说明

图1为本发明实施例的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明的实施例提供了一种基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，应用于高铁无线通信系统，所述高铁无线通信系统包括分布式接入点、STAR-RIS的控制器、STAR-RIS单元和车载终端，所述STAR-RIS的控制器和STAR-RIS单元部署在高铁的车窗上，所述STAR-RIS的控制器用于调控多个STAR-RIS单元，所述方法包括步骤1~步骤3：

步骤1，获取分布式接入点和车窗之间的大尺度衰落系数，初始化高铁无线通信系统所需的最小传输速率、停止迭代判决常数、激活STAR-RIS单元数范围；

具体的，在高铁轨旁一侧等距离部署分布式接入点（AP），每个AP配备P根天线。每节车厢的窗户上装有一块STAR-RIS的控制器，服务本节车厢内的单个车载终端，每个STAR-RIS的控制器能够调控N个STAR-RIS单元。考虑列车车厢的高穿透损耗，车载终端仅接收由STAR-RIS单元透射的信号。由于高铁无线通信质量主要受AP和车载终端之间数据传输链路的影响，因此本发明只关注AP和车载终端之间的通信过程，忽略车载终端和用户之间的通信。即所述高铁无线通信系统存在两段信道，第m个分布式接入点到第i块STAR-RIS的控制器的信道为，第i块STAR-RIS的控制器到车载终端的信道为/>，第i块STAR-RIS的控制器的透射系数矩阵为/>。

由于AP和车载终端分别部署在车窗的两边，因此STAR-RIS的控制器可完全用于透射信号，而不需要反射信号。

获取AP和车窗之间的大尺度衰落系数，大尺度衰落系数主要与路径损耗和阴影衰落有关，且随时间变化缓慢。路径损耗与AP和车窗的高度以及它们之间的距离、载波频率有关。高铁运行时间和路线固定，AP和车窗的距离和高度在确定的时间基本保持不变，大尺度衰落系数可以用三斜率模型建模。

初始化使高铁无线通信系统不发生中断的最小传输速率为R_th、停止迭代判决常数为、激活STAR-RIS单元数范围为[r ₁，r ₂]，r ₁表示激活STAR-RIS单元数的最小值，r ₂表示激活STAR-RIS单元数的最大值，然后执行步骤2。

步骤2，确定服务分布式接入点数量，并选择大尺度衰落系数最大的分布式接入点作为车窗的主分布式接入点，计算剩余的分布式接入点被接入到通信网络中的贡献度，并按照贡献度大小依次接入，直到满足服务分布式接入点数量，进而得到服务分布式接入点集合。

单个车窗上的STAR-RIS单元之间的距离很短，以单个车窗为基本单位进行AP选择。首先为车窗选择最大大尺度衰落系数对应的AP作为主AP，服务该车窗；然后，对于剩下的AP，计算其被接入到通信网络中的贡献度。其中，采用下式计算分布式接入点的贡献度：

其中，表示第m个分布式接入点被接入到通信网络中的贡献度，/>表示第m个分布式接入点的大尺度衰落系数，/>表示所述主分布式接入点的大尺度衰落系数。

将AP按照贡献度的大小依次接入服务该车窗的网络，直至满足服务分布式接入点数量。

其中，服务分布式接入点数量的计算公式如下：

其中，表示服务分布式接入点数量，/>表示向下取整，P _total为总发射功率，P _AP为单个分布式接入点的发射功率。

最后，遍历所有的AP和车窗完成服务分布式接入点集合的选取。

步骤3，基于二分插值法选择激活STAR-RIS单元数进行输出，再根据激活STAR-RIS单元数激活对应数量的STAR-RIS单元，以进行高铁无线通信。

其中，设置激活STAR-RIS单元透射系数为1，反射系数为0；非激活STAR-RIS单元透射系数为0，反射系数为1。当系统的传输速率小于最低速率要求R_th时，通信将会产生中断，为了保证通信质量，需要满足车载终端信噪比，同时使需要激活的STAR-RIS单元数最小，降低能耗。

步骤3具体包括：

首先，基于服务分布式接入点集合，获取激活r ₁和r ₂个STAR-RIS单元时第i个车载终端的信噪比和/>；然后，计算插值点c，并计算激活c个STAR-RIS单元时第i个车载终端的信噪比/>；若/>等于车载终端所需的最小信噪比/>，直接输出激活STAR-RIS单元数，且/>；若/>不等于车载终端所需的最小信噪比/>，则根据/>与/>的大小关系缩小激活STAR-RIS单元数范围，再重新计算/>、/>、c、/>，循环迭代，直至满足r ₂-r ₁＜/>或/>=/>，输出激活STAR-RIS单元数。

具体的，对于第i个车载终端，其信噪比的计算公式为：

其中，表示服务分布式接入点集合，/>表示为第m个分布式接入点和第i个车窗之间的预编码矢量，/>为噪声功率，j表示除去第i块车窗的其余车窗集合I中的第j个车窗，/>表示第m个分布式接入点和第j个车窗之间的预编码矢量。

步骤3中，插值点c的计算公式如下：

。

步骤3中，若等于车载终端所需的最小信噪比/>，直接输出激活STAR-RIS单元数，输出的激活STAR-RIS单元数为/>，/>表示向上取整；

若不等于车载终端所需的最小信噪比/>，则根据/>与/>的大小关系缩小激活STAR-RIS单元数范围，具体的，若/>，更新r ₁=c；若/>，更新r ₂=c，再重新计算/>、/>、c、/>，循环迭代，直至满足r ₂-r ₁＜/>或/>=/>，输出激活STAR-RIS单元数，当满足r ₂-r ₁＜/>时，输出的激活STAR-RIS单元数为/>，当满足/>=/>时，输出的激活STAR-RIS单元数为/>。

综上，根据本发明提供的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，首先根据大尺度衰落系数为车窗选择服务分布式接入点集合，然后基于二分插值法选择激活STAR-RIS单元数量，直至车载终端速率满足所需的最小传输速率，输出激活STAR-RIS单元数，再根据激活STAR-RIS单元数进行高铁无线通信，避免激活所有的STAR-RIS单元增加AP发射功率的问题，本发明能够在保证数据可靠传输的条件下减少能耗，降低系统中断概率。此外，本发明根据大尺度衰落系数为车窗选择服务分布式接入点集合，能够保证每个AP只服务一定数量的车窗，从而使得提供较小增益的AP不接入服务车窗的网络，同时每个车窗也都有一定数量的AP为其服务。

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。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，其特征在于，应用于高铁无线通信系统，所述高铁无线通信系统包括分布式接入点、STAR-RIS的控制器、STAR-RIS单元和车载终端，所述STAR-RIS的控制器和STAR-RIS单元部署在高铁的车窗上，所述STAR-RIS的控制器用于调控多个STAR-RIS单元，所述方法包括：

步骤1，获取分布式接入点和车窗之间的大尺度衰落系数，初始化高铁无线通信系统所需的最小传输速率R_th、停止迭代判决常数、激活STAR-RIS单元数范围[r ₁，r ₂]，其中，r ₁表示激活STAR-RIS单元数的最小值，r ₂表示激活STAR-RIS单元数的最大值；

步骤2，确定服务分布式接入点数量，并选择大尺度衰落系数最大的分布式接入点作为车窗的主分布式接入点，计算剩余的分布式接入点被接入到通信网络中的贡献度，并按照贡献度大小依次接入，直到满足服务分布式接入点数量，进而得到服务分布式接入点集合；

步骤3，基于二分插值法选择激活STAR-RIS单元数进行输出，再根据激活STAR-RIS单元数激活对应数量的STAR-RIS单元，以进行高铁无线通信；

其中，步骤3具体包括：

首先，基于服务分布式接入点集合，获取激活r ₁和r ₂个STAR-RIS单元时第i个车载终端的信噪比和/>；然后，计算插值点c，并计算激活c个STAR-RIS单元时第i个车载终端的信噪比/>；若/>等于车载终端所需的最小信噪比/>，直接输出激活STAR-RIS单元数，且/>；若/>不等于车载终端所需的最小信噪比/>，则根据/>与/>的大小关系缩小激活STAR-RIS单元数范围，再重新计算/>、/>、c、/>，循环迭代，直至满足r ₂-r ₁＜/>或/>=/>，输出激活STAR-RIS单元数；

步骤2中，采用下式计算分布式接入点的贡献度：

其中，表示第m个分布式接入点被接入到通信网络中的贡献度，/>表示第m个分布式接入点的大尺度衰落系数，/>表示所述主分布式接入点的大尺度衰落系数。

2.根据权利要求1所述的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，其特征在于，所述高铁无线通信系统存在两段信道，第m个分布式接入点到第i块STAR-RIS的控制器的信道为，第i块STAR-RIS的控制器到车载终端的信道为/>，第i块STAR-RIS的控制器的透射系数矩阵为/>。

3.根据权利要求2所述的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，其特征在于，步骤2中，服务分布式接入点数量的计算公式如下：

其中，表示服务分布式接入点数量，/>表示向下取整，P _total为总发射功率，P _AP为单个分布式接入点的发射功率。

4.根据权利要求3所述的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，其特征在于，步骤3中，对于第i个车载终端，其信噪比的计算公式为：

其中，表示服务分布式接入点集合，/>表示为第m个分布式接入点和第i个车窗之间的预编码矢量，/>为噪声功率，j表示除去第i块车窗的其余车窗集合I中的第j个车窗，表示第m个分布式接入点和第j个车窗之间的预编码矢量。

5.根据权利要求4所述的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，其特征在于，步骤3中，插值点c的计算公式如下：

。

6.根据权利要求5所述的基于AP和STAR-RIS单元选择的高铁无线通信方法，其特征在于，步骤3中，若等于车载终端所需的最小信噪比/>，直接输出激活STAR-RIS单元数，输出的激活STAR-RIS单元数为/>，/>表示向上取整；

若不等于车载终端所需的最小信噪比/>，则根据/>与/>的大小关系缩小激活STAR-RIS单元数范围，具体的，若/>，更新r ₁=c；若/>，更新r ₂=c，再重新计算/>、/>、c、/>，循环迭代，直至满足r ₂-r ₁＜/>或/>=/>，输出激活STAR-RIS单元数，当满足r ₂-r ₁＜/>时，输出的激活STAR-RIS单元数为/>，当满足/>=/>时，输出的激活STAR-RIS单元数为/>。