[发明专利]反射面辅助的设备到设备通信系统设计方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种反射面辅助的设备到设备通信系统设计方法。本发明的方案是，基站接收到来自蜂窝用户的有用信号、以及来自复用相同频段的D2D发送设备的干扰信号；D2D接收设备接收到来自相应D2D发送设备的有用信号、以及来自共享相同频段的蜂窝用户的干扰信号。本发明通过启发式方法来确定D2D对与蜂窝用户的配对方案，并联合优化D2D链路和蜂窝链路的发送功率、以及反射面被动式波束赋形，在满足D2D用户及蜂窝用户通信速率要求的情况下，实现系统和速率最大化。通过仿真验证，本发明在不影响传统蜂窝系统正常通信、且不额外增加能量、频谱和成本开销的情况下，大幅提升系统和速率，具有很强的应用价值以及发展潜力。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种反射面辅助的设备到设备通信系统设计方法。

背景技术

设备到设备(Device-to-Device，D2D)通信作为一种新型通信技术，允许设备在无基站(Base Station，BS)参与情况下，利用蜂窝授权频段与其相邻设备进行通信。具体来说，设备之间直接通信而无需通过基站中转，减轻了基站负载，降低了通信开销和传输延迟。D2D设备和蜂窝用户共用频谱资源，提高了整体网络的频谱效率，使系统能够容纳更多用户。此外，D2D通信可用于形成应急通信网络，从而提高网络基础设施的鲁棒性。然而，在一个密集部署的D2D通信网络中，同一授权频带内工作的链路之间存在不可忽略的干扰，高效的干扰管理是提升网络容量的关键所在。

另一方面，智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)(后文中也简称反射面)作为一种高频谱效率、高能量效率以及成本低廉的技术，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。反射面由大量的无源低成本反射单元组成，每个反射单元可以被动地调整入射信号的幅度和相位并进行反射。因此，通过合理设计每个反射元件的反射系数(幅度和相移)，无线传播环境可被智能重构，以达到有用信号增强、干扰抑制以及安全传输等目的。

因此，引入被动式的智能反射面是解决现有D2D通信网络干扰严重、速率低等问题的富有前景的技术途径。在传统D2D通信系统中加入反射面，通过调整反射面反射单元的反射系数来控制反射电磁波信号，对无线传播环境进行智能重构，以增强有用信号强度并抑制链路间干扰，从而提高网络容量。

发明内容

本发明的主要内容是提出一种反射面辅助的D2D通信系统，以及一种D2D设备对与蜂窝用户配对、发送设备功率分配、以及反射面被动式波束赋形的联合优化设计方法。

本发明采用的技术方案为反射面辅助的D2D通信系统：组成结构如图1所示，包括N个D2D设备对、K(K≥N)个蜂窝用户、一个基站以及一个智能反射面。智能反射面包含M个无源反射单元及一个与其相连的控制器；其中，控制器可以动态调整每个反射单元的反射系数(幅度和相位偏移)，以智能地重构无线通信环境。

反射面辅助的D2D通信系统的基本工作原理是：在反射面辅助的D2D通信系统中，每个蜂窝用户(Cellular User，CU)的信道正交，一个D2D设备对至多复用一个蜂窝用户的频率资源，且一个蜂窝用户至多与一个D2D设备对共享频率资源。其中，每个反射单元调整如何反射，反射面的控制器动态地调整每个反射单元的反射系数，以改变反射信号的幅度和相位，实现有用信号增强和链路间干扰抑制；接收信号来自直接链路、以及经过反射面的反射链路。第k(k≤K)个蜂窝用户CU_k向基站发送信号,表示为s_k；第n(n≤N)个D2D发送设备向D2D接收设备发送信号，表示为x_n。基站不仅可以收到来自蜂窝用户、以及D2D发送设备的直接链路信号，也可以收到来自反射面的反射链路信号，将两路信号叠加后将干扰信号视为噪声进行解码；同理D2D接收设备不仅可以收到来自蜂窝用户、以及D2D发送设备的直接链路信号，也可以收到来自反射面的反射链路信号。

基站接收到来自蜂窝用户的有用信号、以及来自复用相同频段的D2D发送设备的干扰信号，基站处的接收信号可表示为