一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统 (Vehicle networking communication optimization method and system based on reconfigurable reflection super surface ) 是由 邓若琪 张雨童 张浩波 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统。该方法包括：根据车联网通信系统确定每个V2I链路中车辆收到的信号和每个V2V用户收到的信号；根据每个V2V用户收到的信号以及每个V2I链路中车辆收到的信号确定的数据速率确定总数据速率；以总数据速率最大为目标,以V2V链路中发射的功率和RIS中每个超材料辐射单元的相位配置为变量,以基站发射端的总功率和V2V链路中发射的功率阈值为约束条件,构建目标函数；对目标函数进行迭代优化确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。本发明提升了V2V通信系统的总数据速率。(The invention relates to a vehicle networking communication optimization method and system based on a reconfigurable reflection super surface. The method comprises the following steps: determining, from the internet of vehicles communication system, signals received by vehicles in each V2I link and signals received by each V2V user; determining a total data rate from the signals received by each V2V user and the data rates determined from the signals received by the vehicles in each V2I link; constructing an objective function by taking the maximum total data rate as an objective, configuring the power transmitted in the V2V link and the phase of each metamaterial radiation unit in the RIS as variables, and taking the total power of the transmitting end of the base station and the power threshold transmitted in the V2V link as constraint conditions; iterative optimization of the objective function determines the target power emitted in the V2V link and the target phase configuration for each metamaterial radiating element in the RIS. The invention improves the total data rate of the V2V communication system.)
技术领域
本发明涉及车联网通信领域，特别是涉及一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统。
背景技术
移动设备的数量爆炸式增长，引发了未来无线系统对高速且无缝数据服务的迫切需求，如何在复杂的时变无线环境中提高链路质量成为一个亟待解决的问题。现有的用于增强目标信号的方法均依赖于额外的硬件，这不可避免的带来高功耗和高复杂度的信号处理等问题。
近年来，一种新的传输技术RIS应运而生，该技术通过控制多个RIS单元的电磁响应，将传播环境塑造成理想的形态。具体来说，RIS是一种超薄表面，嵌有多个RIS元件，它们的电磁响应(如相移)可以由简单的可编程二极管控制。与传统天线发射的散射波不同，在基于RIS的可编程传播环境中，接收信号直接反射到接收机，没有额外的硬件功耗产生，并且提高了链路质量和覆盖面积。
设备到设备(V2V)通信被认为是未来蜂窝网络的一个重要特征。在一个支持V2V的蜂窝网络的基础上，链路的源端和目的地端可以通过复用接入链路的频带直接相互通信，而无需绕过基站。因此，它可以充分利用稀缺的频谱资源，显著提高网络吞吐量，有效扩大覆盖范围。然而，一个尚未解决的关键问题是V2V通信造成的干扰增加。
综上，亟需一种车联网通信优化方法或系统减少干扰以进一步提升V2V通信系统的总数据速率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统，能够提升V2V通信系统的总数据速率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法，包括：
获取车联网通信系统；
根据车联网通信系统确定每个V2I链路中车辆收到的信号和每个V2V用户收到的信号；
根据每个V2V用户收到的信号以及每个V2I链路中车辆收到的信号确定的数据速率确定车联网通信系统中总数据速率；
以总数据速率最大为目标，以V2V链路中发射的功率和RIS中每个超材料辐射单元的相位配置为变量，以基站发射端的总功率和V2V链路中发射的功率阈值为约束条件，构建目标函数；
根据目标函数确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。
可选地，所述车联网通信系统包括：基站、可重构反射超表面RIS、V2I链路、V2V链路、多个与基站进行V2I通信的车辆和多对进行V2V通信的车辆对；所述V2I链路包括：基站到用户的直接链路和经过RIS的反射传输链路；所述V2V链路包括：两个车辆之间的链路和经过RIS的反射传输链路。
可选地，所述根据目标函数确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置，具体包括：
对目标函数进行迭代优化，直至相邻迭代的目标函数之差小于设定阈值时，确定确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。
一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化系统，包括：
车联网通信系统获取模块，用于获取车联网通信系统；
信号确定模块，用于根据车联网通信系统确定每个V2I链路中车辆收到的信号和每个V2V用户收到的信号；
总数据速率确定模块，用于根据每个V2V用户收到的信号以及每个V2I链路中车辆收到的信号确定的数据速率确定车联网通信系统中总数据速率；
目标函数构建模块，用于以总数据速率最大为目标，以V2V链路中发射的功率和RIS中每个超材料辐射单元的相位配置为变量，以基站发射端的总功率和V2V链路中发射的功率阈值为约束条件，构建目标函数；
方案确定模块，用于根据目标函数确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。
可选地，所述车联网通信系统包括：基站、可重构反射超表面RIS、V2I链路、V2V链路、多个与基站进行V2I通信的车辆和多对进行V2V通信的车辆对；所述V2I链路包括：基站到用户的直接链路和经过RIS的反射传输链路；所述V2V链路包括：两个车辆之间的链路和经过RIS的反射传输链路。
可选地，所述方案确定模块具体包括：
方案确定单元，用于对目标函数进行迭代优化，直至相邻迭代的目标函数之差小于设定阈值时，确定确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统，以及V2V链路中发射的功率和RIS中每个超材料辐射单元的相位配置为变量构建目标函数，充分考虑了二者之间的耦合关系，具有普适性，符合实际场景，并且同时考虑V2V通信与V2I通信链路也比以往的与单一种类车联网通信更具有一般性，消除RIS干扰，进而减少了V2V通信中的干扰，即有效增强V21与V2V信道通信质量，同时减弱双方链路互相干扰带来的影响。进一步能够提升V2V通信系统的总数据速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法流程示意图；
图2为基于RIS的车联网通信的原理示意图；
图3为本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化系统结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法及系统，能够提升V2V通信系统的总数据速率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化方法，包括：
S101，获取车联网通信系统；所述车联网通信系统包括：基站、可重构反射超表面RIS、V2I链路、V2V链路、多个与基站进行V2I通信的车辆和多对进行V2V通信的车辆对；所述V2I链路包括：基站到用户的直接链路和经过RIS的反射传输链路；所述V2V链路包括：两个车辆之间的链路和经过RIS的反射传输链路；
RIS这是一种超平面天线，由许多亚波长大小的反射单元拼接而成。每个反射单元的反射系数可以通过施加不同的偏置电压来调节，因此整个反射面的反射系数是可以编程控制的，将每个RIS元件的电磁响应(如相移)可以通过编程进行控制，进而将入射信号以定向波束的形式反射，最终传播环境塑造成理想的形态。
车联网是指车辆上的车载设备通过无线通信技术，对信息网络平台中的所有车辆动态信息进行有效利用，在车辆运行中提供不同的功能服务。车联网能够为车与车之间的间距提供保障，降低车辆发生碰撞事故的几率；车联网可以帮助车主实时导航，并通过与其它车辆和网络系统的通信，提高交通运行的效率。
S102，根据车联网通信系统确定每个V2I链路中车辆收到的信号和每个V2V用户收到的信号；
作为一个具体的实施例，如图2所示，车联网通信系统中，包含1个基站，一个用于增强通信质量的RIS，K个与基站进行V2I通信的车辆，基站对车辆进行广播信息的发送，和L对进行V2V通信的车辆对。每个V2V链路中的发射信息的车辆记作tl，接收信息的车辆记作rl。
假设RIS上包含M个超材料辐射单元，每个单元对信号的相位改变(频响因子)为每个RIS每个辐射单元与每个车辆之间的传输信道可根据实际情况利用计算机进行模拟，tl与rl之间的直射信道用表示，tl到RIS的信道矩阵用表示，其中维度为M×1。基站向车辆k发送的信号为sk,基站与车辆k之间的直射信道用hk表示,基站到RIS的信道矩阵用g0表示，其中g0维度为M×1,RIS到V2V车辆的信道用表示，其中维度为1×M,RIS到V2I车辆的信道矩阵用gk表示，其中gk维度为1×M,
为使得车联网通信系统中所有用户总通信数据速率最大化，基站对所有V2V链路的发射信号进行功率分配后进行发送，对于V2I链路，基站将给各个车辆的广播信号通过RIS和直射路径发送给各个用户。
利用公式确定上述车联网通信系统中每个V2I车辆收到的信号；其中第二项为来自V2V用户的干扰；zk为信道噪声；
利用公式确定上述车联网通信系统中每个V2V用户收到的信号；其中pi为每个V2V对的发射功率，第二项为V2I车辆的干扰，第三项为其他V2V车辆的干扰；为信道噪声；
S103，根据每个V2V用户收到的信号以及每个V2I链路中车辆收到的信号确定的数据速率确定车联网通信系统中总数据速率；
根据上述实施例，根据每个V2V用户收到的信号以及每个V2I链路中车辆收到的信号确定蜂窝用户的数据速率和V2V用户的数据速率；根据蜂窝用户的数据速率与V2V用户的数据速率的总和确定车联网通信系统中总数据速率，具体包括以下公式：
S104，以总数据速率最大为目标，以V2V链路中发射的功率和RIS中每个超材料辐射单元的相位配置为变量，以基站发射端的总功率和V2V链路中发射的功率阈值为约束条件，构建目标函数；
目标函数为：
s.t.Tr(wHw)≤PT，0≤pi≤PD；
其中，PT为基站发射端的总功率约束，PD为V2V链路中发射的功率阈值.
S105，根据目标函数确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置；
S105具体包括：
对目标函数进行迭代优化，直至相邻迭代的目标函数之差小于设定阈值时，确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。
图3为本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化系统结构示意图，如图3所示，本发明所提供的一种基于可重构反射超表面的车联网通信优化系统，包括：
车联网通信系统获取模块301，用于获取车联网通信系统；所述车联网通信系统包括：基站、可重构反射超表面RIS、V2I链路、V2V链路、多个与基站进行V2I通信的车辆和多对进行V2V通信的车辆对；所述V2I链路包括：基站到用户的直接链路和经过RIS的反射传输链路；所述V2V链路包括：两个车辆之间的链路和经过RIS的反射传输链路；
信号确定模块302，用于根据车联网通信系统确定每个V2I链路中车辆收到的信号和每个V2V用户收到的信号；
总数据速率确定模块303，用于根据每个V2V用户收到的信号以及每个V2I链路中车辆收到的信号确定的数据速率确定车联网通信系统中总数据速率；
目标函数构建模块304，用于以总数据速率最大为目标，以V2V链路中发射的功率和RIS中每个超材料辐射单元的相位配置为变量，以基站发射端的总功率和V2V链路中发射的功率阈值为约束条件，构建目标函数；
方案确定模块304，用于根据目标函数确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置；
方案确定模块304包括：
方案确定单元，用于对目标函数进行迭代优化，直至相邻迭代的目标函数之差小于设定阈值时，确定V2V链路中发射的目标功率和RIS中每个超材料辐射单元的目标相位配置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。