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摘 要： 以通用形式对基于智能反射面（RIS）的设备到设备（D2D）通信系统进行建模，推导出用户的可达速率，获得系统的总速率.当发送方的发射功率足够大时，进行系统的速率分析. 仿真实验表明：在瑞利信道条件下，随着用户发射功率的增加，系统总速率近似值与理论值之间的误差不超过3%.
关键词： 智能反射面（RIS）; D2D通信; 速率分析
中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2021）01-0057-05
Abstract： In this paper，firstly the device-to-device （D2D） communication system model based on the reflective intelligent surface （RIS） was established in a general form，from which the user’s achievable rate was derived and the total rate of the system was obtained.Then the rate of the system was analysed when the transmitting power was high enough. The simulating experiments showed that with the increase of user transmit power，the error of the system total rate between the approximate value and the theoretical value did not exceed 3% under Rayleigh channel condition.
Key words： reflecting intelligent surfaces （RIS）; device-to-device （D2D） communication; rate analysis
0 引言
近年來，随着移动设备和智能终端的普及，无线网络中对数据业务的需求急剧增加.为了满足数据流量快速增长的需求并实现无缝通信，设备到设备（D2D）通信技术被认为是一种有前途的技术[1].与物联网中的机器到机器（M2M）通信的概念类似，D2D通信旨在使一定距离范围内的用户通信设备能够直接通信，以降低对服务基站的负荷.D2D通信既可在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互[2].最近，一种新的革命性器件——智能反射面（RIS）作为显著提高无线通信性能的解决方案被提出 [3].RIS是由电磁材料制成的超表面，超表面由亚波长金属或介电散射粒子的二维阵列构成，这些粒子以不同的方式转换电磁波.通过超表面，可以将入射的无线电波转换为反射的无线电波和透射或折射的无线电波[4]，从而可以有效地消除D2D通信的干扰，并满足数据传输速率的要求.
目前已有一些D2D通信网络吞吐量的相关研究工作.倪艺洋等[5]描述了基于放大转发中继下的D2D通信传输模型，分析了单向放大转发中继D2D通信系统可达速率;JIN等[6]在大规模多入多出（MIMO）系统中，对D2D通信用户在双向中继场景中的通信方式进行建模，并对系统的可达速率进行讨论;CAO等[7]研究了在RIS辅助的蜂窝网络和D2D通信共存的场景下，通过采用功率优化的方法，减轻D2D通信用户对蜂窝用户的干扰，使得系统的总速率达到最大化，但忽略了D2D通信用户对之间的干扰.本文作者在D2D通信用户对之间存在干扰的RIS辅助的网络环境下，研究D2D通信的速率性能.
1 系统模型
图1所示为考虑一个基于RIS的D2D通信系统，其中有K对单天线用户，分别表示为TAi和TBi，i=1，2，…，K.在配备有L个可重新配置反射器单元的RIS辅助下，K对D2D用户相互交换信息.假设受阴影衰落的影响，用户对TAi和TBi之间不存在直达链路.RIS位于二维空间中，将RIS中第l个可重新配置的反射器单元表示为Rl，l=1，2，…，L，所有用户均以时分双工模式运行.将TAi和反射面中第l个可重新配置的反射器单元间的信道表示为gl，i，TBi和反射面中第l个可重新配置的反射器单元间的信道表示为hl，i，可将TAi和RIS之间的信道系数矩阵表示为gi，gi=[g1，i，g2，i，…，gL，i]T，为L×1的列向量，RIS与TBi之间的信道可以表示为hi，hi=[h1，i，h2，i，…，hL，i]T，为L×1的列向量.假设信道gl，i和hl，i，l=1，2，…，L，i=1，2，…，K都是独立的，且服从复高斯分布.假设同一个用户到RIS的信道方差是一样的，用户TAi到RIS的信道gi方差均为，用户TBi到RIS的信道hi方差均为.
2 仿真结果
采用蒙特卡罗模拟评估基于RIS的D2D通信系统的总数速率，并验证了系统总速率简化近似的合理性.
仿真实验中，设置，，i=1，，RIS中可重新配置的元素个数L=128.其中用户的发射功率从0 dBm增加到50 dBm.
3 结论
本文作者研究了基于RIS的D2D通信系统.通过在RIS配备L个可重新配置单元，以保证D2D通信用户对的通信，并通过对用户速率简化近似表达式进一步的推导，得到用户速率的近似值，从而得到系统总速率的近似值.根据系统总速率的近似表达，可以降低信道估计的复杂度.通过信道的统计量，在不建立精确信道测量的基础上，得到接近系统总速率理论值的近似结果. 参考文献：
[1] WANG Z，LI L，GONG S，et al.Security rate optimization of D2D communication based on power control [J].Journal of Donghua University （English Edition），2017，34（5）：624-629.
[2] 裴仁超，李莉，沈一豪，等.蜂窝网络中设备间中继的功率分配 [J].上海师范大学学报（自然科学版），2017，46（1）：33-36.
PEI R C，LI L，SHEN Y H，et al.Power allocation of two-way device-to-device relays underlay cellular network [J].Journal of Shanghai Normal University （Nature Sciences），2017，46（1）：33-36.
[3] SHEN H，XU W，GONG S L，et al.Secrecy rate maximization for intelligent reflecting surface assisted multiantenna communications [J].IEEE Communication Letters，2019，23（9）：1488-1492.
[4] RENZO M D，ZAPPONE A，DEBBAH M，et al.Smart radio environments empowered by reconfigurable intelligent surfaces：how it works，state of research，and road ahead [J].Journal on Selected Areas in Communications， 2020，38（11）：2450-2525.
[5] 倪藝洋，邵世祥，朱洪波.单向放大转发中继D2D通信系统可达速率分析与联合功率优化[J].应用科学学报，2014，32（6）：559-565.
NI Y Y，SHAO S X，ZHU H B，et al.Pareto-optimal power allocation of device-to-device communication with one-way amplify-and-forward relay node [J].Journal of Applied Sciences，2014，32（6）：559-565.
[6] JIN S，LIANG X，WONG K K，et al.Ergodic rate analysis for multipair massive MIMO two-way relay networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2015，14（3）：1480-1491.
[7] CAO Y S，LYU T J.Sum rate maximization for reconfigurable intelligent surface assisted device-to-device communications [DB/OL].[2020-01-10].https：//arxiv.org/abs/2001.03344.
[8] ZHANG Q，JIN S，WONG K K，et al.Power scaling of uplink massive MIMO systems with arbitrary-rank channel means [J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，2014，8（5）：966-981.
（责任编辑：包震宇）
关键词： 智能反射面（RIS）; D2D通信; 速率分析
中图分类号： TN 929.5 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2021）01-0057-05
Abstract： In this paper，firstly the device-to-device （D2D） communication system model based on the reflective intelligent surface （RIS） was established in a general form，from which the user’s achievable rate was derived and the total rate of the system was obtained.Then the rate of the system was analysed when the transmitting power was high enough. The simulating experiments showed that with the increase of user transmit power，the error of the system total rate between the approximate value and the theoretical value did not exceed 3% under Rayleigh channel condition.
Key words： reflecting intelligent surfaces （RIS）; device-to-device （D2D） communication; rate analysis
0 引言
近年來，随着移动设备和智能终端的普及，无线网络中对数据业务的需求急剧增加.为了满足数据流量快速增长的需求并实现无缝通信，设备到设备（D2D）通信技术被认为是一种有前途的技术[1].与物联网中的机器到机器（M2M）通信的概念类似，D2D通信旨在使一定距离范围内的用户通信设备能够直接通信，以降低对服务基站的负荷.D2D通信既可在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互[2].最近，一种新的革命性器件——智能反射面（RIS）作为显著提高无线通信性能的解决方案被提出 [3].RIS是由电磁材料制成的超表面，超表面由亚波长金属或介电散射粒子的二维阵列构成，这些粒子以不同的方式转换电磁波.通过超表面，可以将入射的无线电波转换为反射的无线电波和透射或折射的无线电波[4]，从而可以有效地消除D2D通信的干扰，并满足数据传输速率的要求.
目前已有一些D2D通信网络吞吐量的相关研究工作.倪艺洋等[5]描述了基于放大转发中继下的D2D通信传输模型，分析了单向放大转发中继D2D通信系统可达速率;JIN等[6]在大规模多入多出（MIMO）系统中，对D2D通信用户在双向中继场景中的通信方式进行建模，并对系统的可达速率进行讨论;CAO等[7]研究了在RIS辅助的蜂窝网络和D2D通信共存的场景下，通过采用功率优化的方法，减轻D2D通信用户对蜂窝用户的干扰，使得系统的总速率达到最大化，但忽略了D2D通信用户对之间的干扰.本文作者在D2D通信用户对之间存在干扰的RIS辅助的网络环境下，研究D2D通信的速率性能.
1 系统模型
图1所示为考虑一个基于RIS的D2D通信系统，其中有K对单天线用户，分别表示为TAi和TBi，i=1，2，…，K.在配备有L个可重新配置反射器单元的RIS辅助下，K对D2D用户相互交换信息.假设受阴影衰落的影响，用户对TAi和TBi之间不存在直达链路.RIS位于二维空间中，将RIS中第l个可重新配置的反射器单元表示为Rl，l=1，2，…，L，所有用户均以时分双工模式运行.将TAi和反射面中第l个可重新配置的反射器单元间的信道表示为gl，i，TBi和反射面中第l个可重新配置的反射器单元间的信道表示为hl，i，可将TAi和RIS之间的信道系数矩阵表示为gi，gi=[g1，i，g2，i，…，gL，i]T，为L×1的列向量，RIS与TBi之间的信道可以表示为hi，hi=[h1，i，h2，i，…，hL，i]T，为L×1的列向量.假设信道gl，i和hl，i，l=1，2，…，L，i=1，2，…，K都是独立的，且服从复高斯分布.假设同一个用户到RIS的信道方差是一样的，用户TAi到RIS的信道gi方差均为，用户TBi到RIS的信道hi方差均为.
2 仿真结果
采用蒙特卡罗模拟评估基于RIS的D2D通信系统的总数速率，并验证了系统总速率简化近似的合理性.
仿真实验中，设置，，i=1，，RIS中可重新配置的元素个数L=128.其中用户的发射功率从0 dBm增加到50 dBm.
3 结论
本文作者研究了基于RIS的D2D通信系统.通过在RIS配备L个可重新配置单元，以保证D2D通信用户对的通信，并通过对用户速率简化近似表达式进一步的推导，得到用户速率的近似值，从而得到系统总速率的近似值.根据系统总速率的近似表达，可以降低信道估计的复杂度.通过信道的统计量，在不建立精确信道测量的基础上，得到接近系统总速率理论值的近似结果. 参考文献：
[1] WANG Z，LI L，GONG S，et al.Security rate optimization of D2D communication based on power control [J].Journal of Donghua University （English Edition），2017，34（5）：624-629.
[2] 裴仁超，李莉，沈一豪，等.蜂窝网络中设备间中继的功率分配 [J].上海师范大学学报（自然科学版），2017，46（1）：33-36.
PEI R C，LI L，SHEN Y H，et al.Power allocation of two-way device-to-device relays underlay cellular network [J].Journal of Shanghai Normal University （Nature Sciences），2017，46（1）：33-36.
[3] SHEN H，XU W，GONG S L，et al.Secrecy rate maximization for intelligent reflecting surface assisted multiantenna communications [J].IEEE Communication Letters，2019，23（9）：1488-1492.
[4] RENZO M D，ZAPPONE A，DEBBAH M，et al.Smart radio environments empowered by reconfigurable intelligent surfaces：how it works，state of research，and road ahead [J].Journal on Selected Areas in Communications， 2020，38（11）：2450-2525.
[5] 倪藝洋，邵世祥，朱洪波.单向放大转发中继D2D通信系统可达速率分析与联合功率优化[J].应用科学学报，2014，32（6）：559-565.
NI Y Y，SHAO S X，ZHU H B，et al.Pareto-optimal power allocation of device-to-device communication with one-way amplify-and-forward relay node [J].Journal of Applied Sciences，2014，32（6）：559-565.
[6] JIN S，LIANG X，WONG K K，et al.Ergodic rate analysis for multipair massive MIMO two-way relay networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2015，14（3）：1480-1491.
[7] CAO Y S，LYU T J.Sum rate maximization for reconfigurable intelligent surface assisted device-to-device communications [DB/OL].[2020-01-10].https：//arxiv.org/abs/2001.03344.
[8] ZHANG Q，JIN S，WONG K K，et al.Power scaling of uplink massive MIMO systems with arbitrary-rank channel means [J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，2014，8（5）：966-981.
（责任编辑：包震宇）