一种6G网络中基于超图的RIS辅助D2D组播SSR优化方法

本发明属于无线通信，具体涉及一种6g网络中基于超图的ris辅助d2d组播ssr优化方法。

背景技术：

1、未来6g网络中随着组播传输需求的增加，如教育培训，大型音乐会和赛事直播等，ssr得到很大提升，但是也面临着诸多挑战。首先，相比于单播传输，当视距链路条件不良时，组播传输ssr急剧下降。其次，组速率的大小取决于组内ues的最小速率，所以，组内ues之间的通信不容忽视。此外，由于多个通信链路可以复用相同的信道资源，所以在密集场景下，通信链路可能受到来自多个干扰源的累计干扰，而传统图模型无法有效建模该问题。

2、ris是一种无源反射设备，不会产生自干扰，可智能的调控信号的传输方向。因此，ris在改善组播通信ssr方面提供了一种新的视角。d2d通信具有本地传输和带内信道复用的能力，但是，当不能正确分配信道时，多d2d对和多组之间干扰严重。与传统图中只可连接两个顶点的边不同，超图的超边可连接给定顶点集的任何子集。所以，与传统图相比，超图可以有效捕获累计干扰，有更高的计算精度，可进一步提高ssr。

3、在现有研究中，d2d带内资源复用算法多为基于图论的贪婪图着色算法，不能有效表征多个顶点的累计干扰。其次，ris辅助d2d通信的研究多数是在单播蜂窝网络场景中。再次，d2d对复用蜂窝资源的方式多为“一-一”映射或者“多-一”映射，很大程度上限制了ssr的提升。

4、因此，如何降低干扰最大化提升ssr是本发明想要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种6g网络中基于超图的ris辅助d2d组播ssr优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明目的是这样实现的：一种6g网络中基于超图的ris辅助d2d组播ssr优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

3、步骤s1：建立和速率系统模型；

4、步骤s2：基于建立的和速率系统模型确定影响和速率ssr最大化的问题；

5、影响和速率ssr最大化问题包括协调超图顶点之间的信道分配问题、ris对各顶点的被动波束赋形问题以及ap对各顶点的主动波束赋形问题；

6、步骤s3：采用超图理论解决协调超图顶点之间的信道分配问题；

7、步骤s4：采用smocr方法解决ris对各顶点的被动波束赋形问题以及采用“瑞利商最大化和cauchy-schwarz不等式”解决ap对各顶点的主动波束赋形问题。

8、优选的，所述步骤s1中建立和速率系统模型，具体操作如下：

9、所述和速率系统模型包括k个ues，含有m根天线ap，含有n个反射单元ris以及控制器；

10、根据信息需求，k个ues被分成l个组，每组设计一个d2d对，组内速率最大的ue设置为d2d对的发射器dt，速率最小的ue设置为接收器dr；

11、d2d对以带内复用模式复用分配给各组的信道通信时，各d2d对和组建模为超图的顶点，采用超边表示它们之间的干扰链路建模，超边连接d2d对和组的任何子集；

12、采用表示ap天线，表示ris反射单元，表示可用信道，表示ues，表示组和表示d2d对的集合。

13、优选的，所述和速率系统模型的信道链路为：ap-ris，ap-dr?i，dt?i-ris，ris-dri，dt?i-dr?i，dt?i′-ris和dt?i′-dr?i，对应链路的基带等效信道分别为：为和

14、ap-dr?i,dt?i-dr?i和dt?i′-dr?i的级联链路的信道增益为：hc,ai＝lc,ai|hr,iφha,r|2，hc,ii＝lc,ii|hr,iφhi,r|2，hc,i′i＝lc,i′i|hr,iφhi′,r|2；

15、ap-dr?i,dt?i-dr?i和dt?i′-dr?i直接链路的信道增益为：hd,ai＝ld,ai|ha,i|2，hd,ii＝ld,ii|hi,i|2，hd,i′i＝ld,i′i|hi′,i|2；

16、其中，lc,ai，lc,ii和lc,i′i分别表示ap-dr?i,dt?i-dr?i和dt?i′-dr?i级联路径的路径损耗；ld,ai，ld,ii和ld,i′i分别表示ap-dr?i,dt?i-dr?i和dt?i′-dr?i直接链路的路径损耗；

17、定义ap-dr?i，dt?i-dr?i和dt?i′-dr?i的等效信道分别为：

18、优选的，所述步骤s2中基于建立的和速率系统模型确定影响和速率ssr最大化的问题，和速率系统模型通过建立和速率最大化模型确定影响和速率ssr最大化的问题；

19、速率最大化模型为：

20、

21、约束为：

22、

23、

24、

25、

26、

27、其中，kμ(i)为第μ(i)组的用户数，为需求速率阈值；ri为可达数据速率，ρ为信道复用系数，φ为ris对各顶点的被动波束赋形，其中，是第n个反射元件的相移；f为主动波束赋形；为第i个d2d对复用第j个信道时的复用系数，为第l个d2d对复用第j个信道时的复用系数。

28、优选的，所述步骤s3中采用超图理论解决协调超图顶点之间的信道分配问题，具体为：

29、步骤s3-1：将信道分配问题转化为确定顶点颜色的图着色问题；

30、步骤s3-2：为d2d对和组之间的相互干扰构建超图；

31、d2d对和组之间的相互干扰包括独立干扰源和累计干扰源，通过寻找独立干扰源和寻找累计干扰源完成超图构建；构建的超图通过它的关联矩阵准确表征，不在任何超边中的顶点自己形成一个超边；

32、所述寻找独立干扰源具体为：

33、采用成对比较法选择d2d对的独立干扰源，d2d对和组之间满足公式：

34、

35、

36、其中，δd为来自d2d干扰源的干扰阈值，δg为组干扰源的干扰阈值；是ap对第μ(i)组的波束赋形矢量；

37、为定义ap-dr?i链路的等效信道；

38、为定义dt?i-dr?i链路的等效信道；

39、为定义dt?i′-dr?i链路的等效信道。

40、优选的，所述寻找累计干扰源具体为：

41、选择预定数量的d2d对和组，把累计干扰与干扰阈值相比较，判断他们是否是累计干扰源，是否形成一个超边；

42、对于i-th?d2d对，接收信号与累计干扰的比值满足公式：

43、

44、则i-th?d2d对和累计干扰源共同形成一个超边；其中，η是来自其他d2d对和其他组的干扰阈值；为ap-dr?i链路的等效信道；fl为是ap对第l组的波束赋形矢量；为dti-dr?i链路的等效信道；为dt?i′-dr?i链路的等效信道；i为为d2d对的总数。

45、优选的，所述步骤s4中采用smocr方法解决ris对各顶点的被动波束赋形问题，具体为：

46、引入辅助变量ωμ(i)和将速率最大化模型：转化为：

47、

48、约束为：

49、

50、

51、

52、

53、引入松弛参数ρ，把非凸的模一约束转化为：ρ|φn|≤1；

54、将的优化目标改为：

55、

56、其中，g是一个正常数；kμ(i)为第μ(i)组的用户数；

57、把用其一阶泰勒展开式近似逼近，采用凸差规划的方式近似非凸约束ωμ(i)和把优化问题转化为近似凸问题。

58、优选的，所述步骤s4中采用“瑞利商最大化和cauchy-schwarz不等式”解决ap对各顶点的主动波束赋形问题，具体为：

59、通过最大化确定fμ(i)，采用瑞利商最大化和cauchy-schwarz不等式，得出：

60、

61、其中，是ap对第μ(i)组的波束赋形矢量；σ2为ues处高斯白噪声功率，h表示共轭转置，和分别为在第μ(i)个信道上ap-dr?i和dt?i′-dr?i链路的等效信道，im为m维的单位矩阵，μ(i)表示第i个d2d对所在的组编号。

62、与现有技术相比，本发明具有如下改进及优点：

63、1、通过超图理论和图着色理论，对来自多个组和d2d对的累计干扰进行建模，并采用超图着色方法分配信道，有效降低顶点之间的干扰和超边的复杂度；同时，推导出面向超图顶点的主动波束赋形表达式，利用smocr法成功求解被动波束赋形，优化出最大ssr。

64、2、通过图着色解决信道分配问题，面向超图顶点的主动波束赋形，面向超图顶点的被动波束赋形，使得ssr得到显著提升，并且可达到快速收敛的效果；同时，ssr的最优设计不仅辅助组播通信还能进一步增强d2d带内资源复用效率。