一种RIS辅助通信系统中D2D设备选择方法

一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法
技术领域
1.本发明是一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法，属于无线通信领域。


背景技术：

2.端到端(device-to-device,d2d)技术作为一种提升系统频谱资源效率的有效手段，能够支持蜂窝小区覆盖边缘的近距离用户复用蜂窝通信资源建立直接通信链路，从而避免基站中转带来的高负载与严重的路径损耗。但由于引入了复杂的信号干扰，现有文献大多采用中继或大规模mimo等高能耗方式对接收端信干噪比进行弥补。因此，对低功耗无源硬件的探索成为必然。
3.近期兴起的智能反射表面是一种低成本的无源人工结构，能够通过数字化的电磁波操控实现以低功耗改善电磁波传播环境，进而改善通信质量、扩大覆盖范围，这也为提升背向散射通信的信号覆盖范围与传输速率提供了解决方案。不同于传统反射表面仅有一次装配的固定移相器，智能反射表面由大量可控的反射单元构成，可通过实时控制相移器主动地配置无线传播环境。同时，由于智能反射表面通常由铁电薄膜或其他软件定义的超材料构成，可以实际制作成适合于安装在任意形状的表面上，以满足不同的应用场景。相较于大规模mimo技术，智能反射表面反射单元的相移均可调，不需要使用有源发射机就可以实现信号的增强，降低了系统能耗。相较于传统中继主动产生新的信号进行辅助传输，智能反射表面可视为一个不引入自干扰的全双工的透明中继，不含射频发射模块仅进行入射信号的反射，不引入额外的能量消耗。智能反射表面的易于安装、灵活度高且能够以极低的功耗改善信号传播环境等特点，为其在实际应用中提供了高度的灵活性和卓越的兼容性。基于以上优点，将智能反射表面于d2d技术相结合成为了提高无线通信性能的有效手段。
4.在已有文献中，关于ris辅助的d2d通信系统的性能分析大多聚焦于误码率、误比特率、中断概率和遍历可达速率的闭式解推导，但d2d用户与蜂窝用户共享时频资源，该场景下蜂窝链路与d2d链路通信质量难以同时保障，因此存在d2d设备的选择问题，而国内外学者并未考虑资源复用情况下蜂窝链路的性能保障。


技术实现要素：

5.本发明的技术目的在于是克服上述现有技术的不足，提供的一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法。
6.在d2d通信场景中，d2d用户通过复用蜂窝频谱资源进行相互通信，因此干扰关系复杂多样。为同时保证蜂窝链路与d2d链路的通信质量，需对建立通信的d2d设备进行选择并采取保障方案以满足中断概率以及传输速率等要求。
7.为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法，所述系统中无线设备包括基站、蜂窝用户，d2d发送端用户和若干d2d接收端用户，基站与蜂窝用户间部署智能反射面，d2d用户复用蜂窝用户的频谱资源进行通信，所述方法包括：
9.分别预设d2d链路的中断概率阈值遍历可达速率阈值蜂窝链路的中断概率阈值pr
c,th
和遍历可达速率阈值r
c,th
；
10.d2d发送端用户选择某接收端用户作为传输对象，计算同时满足与时，发送端用户与该接收端用户建立通讯链路所需的最小发送功率；
11.获取最小发送功率情况下蜂窝链路下行通信系统的中断概率与遍历可达速率；
12.若蜂窝链路同时满足中断概率小于pr
c,th
且遍历可达速率大于r
c,th
，则建立d2d发送端用户与该接收端用户的通讯链路，否则选择下一个接收端用户并重复上述操作，直到找到满足要求的接收端用户设备。
13.作为一种优选的实施方式，所述方法还包括计算同时满足蜂窝链路中断概率小于且遍历可达速率大于的通讯链路最大发送功率，d2d发送端用户设备在最小发送功率和最大发送功率范围内向接收端用户设备传输数据。
14.作为一种优选的实施方式，ris辅助通信系统中，基站-智能反射面的信道建模为los路径。进一步的，其余信道建模为nakagami-m衰落。
15.作为一种优选的实施方式，d2d链路中的中断概率、遍历可达速率分别基于下式计算：
[0016][0017][0018]
其中，l
tr
为d2d发送端-当前d2d接收端链路的路径衰落系数，h
tr
为d2d发送端-d2d接收端链路的信道增益；γ
th
为预设中断阈值，n0为噪声功率，l2＝m2，θ2＝ω2/m2，m2,θ2为信道h
1c
的nakagami-m分布参数，通过信道估计获得。
[0019]
作为一种优选的实施方式，所述蜂窝链路下行通信系统的中断概率利用高斯切比雪夫积分进行近似计算。
[0020]
作为一种优选的实施方式，所述蜂窝链路下行通信系统的中断概率表达式为：
[0021][0022]
其中，
[0023][0024]
[0025][0026][0027]
其中γ(
·
)为gamma函数；γ(
·
,
·
)为下不完全gamma函数；；pb为基站的发送功率；l
bi
、l
ic
、l
tc
分别为bs-ris、ris-uec、uet-uec链路的路径衰落系数；t、x
t
、δ
t
为高斯切比雪夫积分参数；l1＝nμ2/σ2，θ1＝σ2/μ，且
[0028][0029][0030]
其中m1,ω1为信道的nakagami-m分布参数，可通过信道估计获得。
[0031]
作为一种优选的实施方式，所述蜂窝链路下行通信系统的遍历可达速率表达式为
[0032][0033]
其中ψ(
·
)为普西函数，e1(
·
)为一阶指数积分函数。
[0034]
本发明的方法具有以下有益效果：
[0035]
(1)本发明的方法联合数据传输链路的中断概率和遍历可达速率来对d2d设备选择、数据传输、传输功率等做出决策，可同时保障蜂窝链路与d2d链路通信时的中断概率与遍历可达速率性能。
[0036]
(2)本方法采用nakagami-m衰落建立小尺度衰落模型，可根据设备的实际情况灵活调整衰落因子对信道进行建模。
[0037]
(3)本方法在计算中断概率与遍历可达速率时，可使用闭式表达式来得到精确值。
附图说明
[0038]
图1为一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法的系统模型图。
[0039]
图2为一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法的流程图。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
[0041]
在d2d通信场景中，d2d用户通过复用蜂窝频谱资源进行相互通信，因此干扰关系
复杂多样。为同时保证蜂窝链路与d2d链路的通信质量，需对建立通信的d2d设备进行选择并采取保障方案以满足中断概率以及传输速率等要求。
[0042]
如图1所示，所考虑的ris辅助d2d通信系统中，无线设备包括：基站bs(base station，bs)，蜂窝用户uec(cellular user，uec)，d2d发送端用户uet(transmit user，uet)，和q个可用作为d2d接收端的用户uer(receive user，uer)。智能反射面(reconfigurable intelligent surface，ris)部署于bs与uec之间以提升下行通信质量。其中基站配置k根天线，ris配置n个反射单元，用户均配置单天线。考虑bs与ris部署位置较高，信道建模为los路径，其余信道均用通用的nakagami-m衰落信道进行建模。
[0043]
如图2所示，本发明实施例提供的一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法的流程图，该方法具体如下：
[0044]
步骤101：uet选择第q(1≤q≤q)个接收端uerq作为传输对象，设置ris的最优相移矩阵矩阵表示为：
[0045][0046]
其中arg[
·
]为取相位操作符；为第n个ris反射单元到uec链路的信道系数；d为基站天线之间的距离，λ为电磁波波长，ω为电磁波在ris处的到达角。
[0047]
设置d2d链路中断概率阈值与遍历可达速率阈值设置蜂窝链路中断概率阈值pr
c,th
与遍历可达速率阈值r
c,th
，获取bs-ris、ris-uec、uet-uec、uet-uerq的距离；
[0048]
步骤102：基于步骤101的相关参数，计算满足且时，uet与uerq建立通讯链路所需的最小发送功率
[0049][0050]
其中
[0051][0052][0053]
其中，l
tr
为uet-uerq链路的路径衰落系数，h
tr
为uet-uer链路的信道增益，γ(
·
)为gamma函数，γ
th
为预设中断阈值，n0为噪声功率，l2＝m2，θ2＝ω2/m2，m2,θ2为信道h
1c
的nakagami-m分布参数，可通过信道估计获得。该发送功率最小值保障d2d链路的通信质量。
[0054]
步骤103：基于步骤101所获取的相关参数以及步骤102计算得到的计算蜂窝下行通信系统的中断概率与遍历可达速率
[0055]
[0056][0057]
其中，中断概率表达式为：
[0058][0059]
式中，
[0060][0061][0062][0063][0064]
式中，γ(
·
)为gamma函数；γ(
·
,
·
)为下不完全gamma函数；；pb为基站的发送功率；l
bi
、l
ic
、l
tc
分别为bs-ris、ris-uec、uet-uec链路的路径衰落系数；t、x
t
、δ
t
为高斯切比雪夫积分参数；l1＝nμ2/σ2，θ1＝σ2/μ，且
[0065][0066][0067]
其中m1,ω1为信道的nakagami-m分布参数，可通过信道估计获得。
[0068]
遍历可达速率表达式为：
[0069][0070]
其中ψ(
·
)为普西函数，e1(
·
)为一阶指数积分函数。
[0071]
步骤104：根据步骤101的预设阈值pr
c,th
与r
c,th
，判断是否满足且
若是，跳转至步骤105；若否，跳转至步骤107；
[0072]
步骤105：根据步骤101的预设阈值pr
c,th
与r
c,th
，计算同时满足与时，uet与uerq建立通讯链路的最大发送功率
[0073][0074]
该最大发送功率保障蜂窝链路的通信质量。
[0075]
步骤106：建立uet-uerq的通信链路，且uet可在功率范围内向uerq传输数据；
[0076]
步骤107：放弃建立uet-uerq的通信链路，令q＝q+1，重复上述步骤。
[0077]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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内。

技术特征：
1.一种ris辅助通信系统中d2d设备选择方法，所述系统中无线设备包括基站、蜂窝用户，d2d发送端用户和若干d2d接收端用户，基站与蜂窝用户间部署智能反射面，d2d用户复用蜂窝用户的频谱资源进行通信，其特征在于，所述方法包括：分别预设d2d链路的中断概率阈值遍历可达速率阈值蜂窝链路的中断概率阈值pr
c,th
和遍历可达速率阈值r
c,th
；d2d发送端用户选择某接收端用户作为传输对象，计算同时满足与时，发送端用户与该接收端用户建立通讯链路所需的最小发送功率；获取最小发送功率情况下蜂窝链路下行通信系统的中断概率与遍历可达速率；若蜂窝链路同时满足中断概率小于pr
c,th
且遍历可达速率大于r
c,th
，则建立d2d发送端用户与该接收端用户的通讯链路，否则选择下一个接收端用户并重复上述操作，直到找到满足要求的接收端用户设备。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括计算同时满足蜂窝链路中断概率小于且遍历可达速率大于的通讯链路最大发送功率，d2d发送端用户设备在最小发送功率和最大发送功率范围内向接收端用户设备传输数据。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，ris辅助通信系统中，基站-智能反射面的信道建模为los路径。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，ris辅助通信系统中，其余信道建模为nakagami-m衰落。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，d2d链路中的中断概率、遍历可达速率分别基于下式计算：基于下式计算：其中，l
tr
为d2d发送端-当前d2d接收端链路的路径衰落系数，h
tr
为d2d发送端-d2d接收端链路的信道增益；γ
th
为预设中断阈值，n0为噪声功率，l2＝m2，θ2＝ω2/m2，m2,θ2为信道h
1c
的nakagami-m分布参数，通过信道估计获得。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝链路下行通信系统的中断概率利用高斯切比雪夫积分进行近似计算。7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述蜂窝链路下行通信系统的中断概率表达式为：
其中γ(
·
)为gamma函数；γ(
·
,
·
)为下不完全gamma函数；；p
b
为基站的发送功率；l
bi
、l
ic
、l
tc
分别为bs-ris、ris-uec、uet-uec链路的路径衰落系数；t、x
t
、δ
t
为高斯切比雪夫积分参数；l1＝nμ2/σ2，θ1＝σ2/μ，且/μ，且其中m1,ω1为信道的nakagami-m分布参数，通过信道估计获得。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜂窝链路下行通信系统的遍历可达速率表达式为其中ψ(
·
)为普西函数，e1(
·
)为一阶指数积分函数。

技术总结
本发明公开一种RIS辅助通信系统中D2D设备选择方法。包括1）D2D发送端选择某接收端设备进行无线数据传输，获取设备间、设备与RIS间距离，设置性能阈值，设置RIS最优相移矩阵；2）计算满足预设阈值情况下，建立当前D2D链路所需的最小发送功率；3）计算D2D最小发送功率情况下，蜂窝链路的中断概率与遍历可达速率；4）若蜂窝链路同时满足中断概率小于门限值且遍历可达速率大于门限值，则计算满足蜂窝链路阈值的D2D最大发送功率，并建立当前D2D通信，否则选择下一个设备并重复上述操作，直到找到可进行数据传输的设备。本发明的给出了中断概率和遍历可达速率的闭式表达式，保证了较低的计算复杂度。算复杂度。算复杂度。


技术研发人员：倪艺洋 刘娅璇 周近 陈书文 朱铭凯 李龙泽
受保护的技术使用者：江苏第二师范学院
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/9