基于通信控制深度融合的太赫兹波束对准追踪关键技术研究

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太赫兹通信作为最有潜力为6G提供服务的的关键性技术之一,能提供100Gbit/s以上乃至数Tbit/s的无线传输速率,可以满足高速无线传输需求。另一方面,太赫兹拥有丰富的频谱资源;通过时间资源与频率资源的置换,太赫兹通信可以显著降低系统时延,为实时控制任务提供低延迟高可靠通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,URLLC)服务。然而,太赫兹通信链路极易被遮挡,其直传链路甚至可能被很小的阴影阻断,难以实现无缝广域覆盖。采用无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAV)与可重构智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)进行辅助通信是解决上述问题的重要技术之一。UAV-RIS辅助太赫兹通信为解决太赫兹遮挡与覆盖不足问题提供方案的同时,对UAV移动场景下太赫兹波束对准追踪的速度、精度与复杂度提出了更高的要求。上述要求对UAV-RIS辅助太赫兹通信构成重大挑战。本论文紧密围绕上述挑战,针对高速移动场景中的太赫兹波束对准追踪困难的问题展开研究,提出基于通信控制深度融合的太赫兹波束对准追踪方法,可以同时保障传输速率需求和无人机控制性能。首先,本论文建立了UAV辅助太赫兹通信场景中通信和控制模型,对该模型中通信与控制间的相互影响进行了具体分析:从通信角度出发,分析了波束失准对运动控制的影响;从控制的角度出发,分析了传感器采样值对波束对准的影响。其次,设计了基于传输速率的UAV事件触发控制算法。仿真结果表明基于通信控制融合的太赫兹波束对准追踪方案可以保障优良的通信性能与控制稳定性,同时有效降低系统的时间资源开销与传输功率损耗。进一步,针对UAV-RIS辅助太赫兹通信的场景,在确保小区内各用户的数据率要求与UAV控制性能要求的前提下,以最大化小区用户太赫兹传输和速率为目标,设计了融合通信与控制的系统调度方法。为了求解和速率最大化问题,设计了如下两步求解法:(1)设计了运动控制激活方案以保障每个终端的成功传输;(2)利用黎曼共轭梯度法求解得到了RIS的最优相移矩阵。仿真结果说表本方案可以在保障优良控制性能基础上,有效提高小区内用户数据传输速率。本论文成果可以在保障优良的通信性能与控制稳定性情况下,以极低复杂度算法,显著降低系统的时间资源开销与传输功率损耗。
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