智能反射面辅助的可见光通信列车自适应越区切换方法

本发明涉及城市轨道交通向智能化领域，尤其涉及一种智能反射面辅助的可见光通信列车自适应越区切换方法。

背景技术：

1、随着城市轨道交通向智能化、数字化快速发展，基于通信的列车控制(cbtc)系统已成为保障列车安全高效运行的核心装备。车地无线通信网络承担着列车控制指令、运行状态数据、多媒体信息等双向传输任务，其网络性能直接决定了行车安全与效率。传统的车地通信主要采用无线局域网(wlan)、长期演进(lte)、5g等射频(rf)通信技术。在相对封闭且结构狭长的地铁隧道环境中，现有rf通信技术面临多径衰落、电磁干扰、频谱资源枯竭、信息安全隐患等严峻挑战，难以满足未来智慧城市轨道交通对车地通信的高可靠性要求。因此，探索一种安全性高且抗干扰的新型车地通信技术，是保障城市轨道交通可持续发展的必然趋势。

2、近年来，可见光通信(vlc)凭借其频谱资源丰富、无电磁干扰、安全性高等优势，已成为室内定位、绿色通信、智慧交通等场景的关键候选技术。地铁隧道壁上等间距安装的照明光源及其相对封闭的信息传输环境，为构建vlc车地通信网络提供了天然的基础设施条件。然而，受可见光直线传输特性与接收端视场角(fov)限制，单光源有效通信覆盖范围有限，列车在隧道内运行时频繁穿越不同覆盖区，会引发接收信号剧烈波动，影响列车的精准控制，甚至危及行车安全。传统基于接收信号强度的切换机制，响应滞后且切换参数固定，难以有效平衡切换延迟与乒乓(pp)效应，极易导致高切换失败(hof)和链路中断。为应对这一挑战，国内外学者从多连接架构、智能预测决策到新兴物理层调控技术多路径开展vlc切换优化的研究工作。文献comp-based dynamic handover for vehicular vlc networks和proactive link handover deploying coordinated transmission for indoor visiblelight communications (vlc) networks采用协调多点传输或多连接机制，利用链路冗余实现“先连后断”，平滑切换过程。文献collaborative online learning-baseddistributed handover scheme in hybrid vlc/rf 5g systems引入协作在线学习动态调整切换参数，提升了vlc/rf异构网络的切换效率。但以上方法并未改善单点覆盖受限问题，频繁切换反而显著增加了系统信令开销。此外，人工智能技术也在vlc越区切换中展现出巨大潜力。文献data-driven link assignment with qos guarantee in mobile rf-optical hetnet of things利用强化学习与长短期记忆(long short-term memory,lstm)网络预测链路中断，优化吞吐量与时延；文献deep reinforcement learning-basedadaptive handover mechanism for vlc in a hybrid 6g network architecture和prediction-model-assisted reinforcement learning algorithm for handoverdecision-making in hybrid lifi and wifi networks进一步引入深度强化学习与轨迹预测，增强决策的前瞻性与自适应能力。然而，上述工作多以瞬时链路质量最优化为导向，在信道波动时极易诱发不必要的切换，反而可能加剧hof和pp。

3、智能反射面(irs)作为一种可通过调控反射单元状态重塑无线传播环境的新兴技术，近年来已在可见光通信领域展现出显著的应用潜力。在通信增强方面，文献intelligent reflecting surface-aided indoor visible light communicationsystems将irs引入室内vlc系统，证明了通过合理配置镜面阵列可有效克服视距遮挡、大幅提升接收信噪比与可达速率。在位置感知方面，文献simultaneous position andorientation estimation in single optical irs-assisted visible light systemsusing single led and single pd利用单个led光源、光电探测器和单个光学irs，在极简硬件架构下实现了接收端三维位置与姿态的同时估计；文献simultaneous position andorientation estimation for reconfigurable intelligent surfaces-assistedvisible light communications则进一步将位姿估计拓展至通用的ris辅助vlc系统，建立了位置与姿态的联合估计框架，并推导了理论精度下限。在切换过程中，irs通过显著扩展单一光源的有效覆盖范围并大幅改善边缘区域的信号质量，能够从根源上减少列车运行时的越区切换次数，有效抑制hof和pp的发生。文献enabling efficient blockage-awarehandover in ris-assisted mmwave cellular networks提出了面向阻塞感知的切换算法，利用irs构建的间接链路直接规避了切换中断；文献an equivalent model forhandover probability analysis of irs-aided networks和discrete-time modelingand handover analysis of intelligent reflecting surface-assisted networks分别建立了切换概率分析模型与离散时间建模方法；文献optical ris-collaborativebeamforming: a high-efficiency covertness enhancement scheme for vlc system研究了光学irs协同波束赋形方案，文献handover management through reconfigurableintelligent surfaces for vlc under blockage conditions则初步探索了利用irs缓解vlc链路阻塞的可行性。以上研究工作在提升vlc网络切换性能与链路可靠性方面取得了初步成效，并探索了irs在切换中的应用潜力。然而，现有研究较少考虑在光源覆盖受限条件下的通信链路剧烈波动，未能全面评估irs辅助网络中hof与pp的演变机制，导致切换参数难以适应列车在隧道场景中快速运行，irs辅助vlc网络的越区切换可靠性仍缺乏保障。

技术实现思路

1、本发明目的是针对上述隧道vlc网络中列车越区切换问题，提供一种智能反射面辅助的可见光通信列车自适应越区切换方法，首先，引入液晶irs动态调控光信号空间分布，扩展单光源有效覆盖范围，从物理层面减少切换频；然后，建立切换边界几何模型，将复杂的判决问题转化为直观的空间几何约束，为参数调整提供清晰的决策边界；最后，利用lstm网络预测列车位置与速度，并以几何模型为约束，自适应调整切换余量(hom)和触发时延(ttt)，使切换参数适应列车实时运行状态，从而降低切换失败与乒乓切换的发生概率。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种智能反射面辅助的可见光通信列车自适应越区切换方法，使用irs构建irs-vlc车地通信网络模型；所述irs-vlc车地通信网络模型包括车载pd、沿隧道壁设置的照明光源作为服务接入点、在接入点对侧隧道壁设置的irs；所述接入点和车载pd形成los直射链路模型，所述irs与车载pd形成irs反射链路模型，车载pd、照明光源、irs形成irs-vlc车地通信网络模型，车载pd的瞬时接收光功率由los直射链路和经lc-irs辅助的反射链路叠加而成；

4、所述irs辅助的可见光通信列车自适应越区切换方法基于rs-vlc车地通信网络模型，在每一决策周期内完成状态预测、边界更新、参数优化和执行四个环节；首先利用列车位置状态序列预测下一短时域内的位置与速度；然后，依据预测状态更新切换触发hot、切换失败hof和乒乓pp的几何边界；接着，通过遗传算法自适应调整切换余量hom与触发时延ttt，使切换参数适应列车实时运行状态；最后当列车进入下一决策时刻后，再按照新的切换参数执行越区切换判决，并通过滑动窗口融合新观测状态，进入下一轮循环。

5、作为对上述技术方案的改进，所述los直射链路中：

6、设服务接入点的发射光功率为pt,j，列车当前位置坐标记为x，车载pd的有效接收面积为a，对应los直流信道增益记为；

7、所述lc-irs辅助的反射链路为：

8、设服务于服务接入点的irs阵列中第n个液晶单元在控制电压un下的状态系数为，以表征该单元在当前工作状态下对反射链路的综合调制能力；服务接入点发射的光信号经该单元反射后到达车载pd，其辅助反射链路增益表示为；为不考虑液晶电控状态时由空间几何关系决定的基准反射链路增益；

9、虑偏振损耗因子、入射角相关的反射效率函数，修正后的表达式为：

10、；

11、其中，为第n个lc-irs单元的有效面积，为接入点与第n个单元之间的距离，为第n个单元与pd之间的距离，为服务接入点到irs单元的发射角，为irs单元处的入射角，为irs单元向车载pd的反射出射角，为车载pd处的入射角；

12、若服务该区域的irs阵列共有nj个有效单元，则在列车位置x处，经irs辅助后的总反射接收光功率为：；

13、列车运行过程中，车载pd实际接收的总有效光功率由los直射分量与lc-irs辅助反射分量联合构成。

14、需要说明的是：

15、接入点：接入点是各类网络设备、业务系统用于建立网络连接、实现数据交互的标准化访问节点，是信息收发、通信传输的边界交互载体，承载设备间联网、指令传递、数据交互的基础通信功能；

16、服务接入点；具备联网与信息输出能力的主体对外开放的通信节点，依托该节点向外提供数据传输、指令交互、业务调用等联网服务；

17、目标接入点：是通信链路中位于服务接入点下游、待建立通信连接的次级交互节点，用于承接上有服务接入点下发的数据与指令，完成下一阶段联网传输、信息交互操作。

18、作为对上述技术方案的改进，当目标接入点的总接收光功率相对于服务接入点达到预设切换余量时，系统触发切换判决；触发条件公式为；

19、设触发条件公式首次成立的时刻为t1，对应列车位置为x1；系统启动持续时间为tj,k的ttt计时器；若该条件在时间窗口[t1，t1+tj,k]内持续成立，则在时刻t2=t1+tj,k发出切换指令；

20、若考虑执行时延，列车最终将在完成切换；列车沿轨道方向的瞬时速度为v(t)，则从触发到切换完成阶段的时间与位置关系可统一表示为；式中，x3表示切换完成时列车所在位置；

21、若在切换的短时区间内认为列车速度近似保持不变，记v1=v(t1)，则有；

22、为保证切换能够在有效重叠覆盖区内完成，列车在[t1,t3]内的累计位移不应超过当前位置对应的重叠覆盖区剩余长度，即；

23、由可得，ttt的可行上界满足。

24、作为对上述技术方案的改进，在切换触发后的ttt计时阶段或执行时延阶段，若目标接入点对应的总接收光功率先于切换完成跌落至接收门限pth以下，hof的判定准则为；反之，若列车在时刻t3成功完成向apk的切换，在最小驻留时间tp内，由于信道瞬态波动导致反向切换条件被重新激活，则判定发生一次pp，其判据表示为。

25、作为对上述技术方案的改进，服务接入点向目标接入点切换时，待优化参数向量为；则对应的切换参数优化问题可表示为；

26、其中，与分别为apj向apk切换过程中hof和pp概率上界，w1与w2为权重系数，用于表征系统对两类异常切换风险；和分别为切换余量的取值下界和上界；tmax为系统允许的最大触发时延。

27、作为对上述技术方案的改进，在依据预测状态更新切换触发hot、切换失败hof和乒乓pp的几何边界时，irs辅助的切换边界的步骤是：

28、对于服务接入点可调度的第g个irs阵列，记其等效反射中心为xg=(xg, yg)，对于事件i∈{hot, pp}在给定工作模式m∈{l, n}下的初始边界写成平方距离比轨迹，式中，为模式m下事件对应的平方距离比因子；模式l为直射与反射链路协同辅助，模式n为仅反射链路辅助；

29、当时，对应的初始边界为圆，其表达式为：

30、

31、当时，初始边界退化为目标接入点与irs中心连线的垂直平分线，其表达式为：

32、

33、对于irs辅助下的hof边界，其建模过程与式一致；

34、列车在运行过程中还可能因与服务irs阵列之间的几何关系变化而失去辅助链路；此时，总接收光功率将发生突变，从而可能直接触发hot或导致hof；

35、当列车远离irs阵列导致辅助反射增益低于最小有效门限时候，可得到增益中断边界为：

36、其中为与irs反射特性相关的几何常数，由最小有效反射增益阈值相关的几何常数、单元反射率及路径损耗指数共同决定，满足，其中为单位距离下的基准反射链路增益；

37、当列车移动至irs有效角度范围之外时，辅助反射链路中断；

38、设第g个irs阵列的法线方向为，有效半角为，则对应的角度中断边界由两条射线表示为

39、由上式可知，两条射线以第个irs阵列位置为端点，沿阵列法线方向与有效半角度所确定的边界方向延伸，从而围成irs的有效角度服务区。

40、作为对上述技术方案的改进，在依据预测状态更新切换触发hot、切换失败hof和乒乓pp的几何边界时，需要对irs辅助的切换边界进行修正，该修正方法的步骤是：

41、对于圆形元素，有效部分记为圆弧元组，xc和r分别表示圆心与半径，和表示有效圆弧的起止极角；

42、对于直线元素，有效部分记为线段元组，xs和xe为线段端点，ds和de为直线投影坐标系下的距离标量。

43、设约束直线方程为，表示某点位于给定曲线的带符号的距离函数，以函数的正负符号，可确定切换边界点是否位于隧道运行区域内；

44、若初始边界点位于矩形区域外，则输出空集；对于圆形初始边界，其在约束直线同侧的有效圆弧区间可表示为：

45、；

46、其中，表示圆心到约束直线的距离，为直线与圆的交点极角，为对应短弧的中点，为指示有效侧的参考点，该式用于剔除隧道运行区域外部或处于约束无效侧的圆弧片段；

47、考虑最小有效反射增益约束，设约束圆为，表示irs在给定工作状态下的有效服务范围，若初始切换边界为{xc, r}，则两圆心的距离为，初始圆边界在约束圆内部的有效圆弧区间可表示为：

48、；

49、其中，交点角度由余弦定理导出：

50、；

51、此处表示圆心连线的方位角，精确剔除不满足能量或距离约束的轨迹片段；最终获得hot、hof及pp事件在实际物理约束下的有效几何边界。

52、作为对上述技术方案的改进，切换触发后，ttt时长内信号质量的变化决定hof是否发生；在切换完成后，驻留时间tp内信号质量的变化则决定pp出现概率，则hof和pp的概率的估计方法是：

53、将切换边界进行离散采样，从而得到一组有限的位置点；

54、沿边界上的每一段线段或圆弧，以等间隔依次取点，直至该段剩余长度小于。离散化处理后的切换边界点集为，对于列车所在位置点x0，到风险圆弧的距离为

55、；

56、其中是点x0相对于圆心xc的极角；

57、同理点x0到线段的距离为：

58、；

59、其中xf是点x0到线段所在直线的垂足。

60、基于上述几何映射，从切换到的切换失败概率上界为：

61、；

62、其中，n为离散点总数，是条件成立则取1、否则取0的指示函数；表明若列车在切换完成前可能行驶的距离大于触发点到hof边界的最短距离，则认为该触发点存在hof风险；

63、在相同边界模型下，记触发点x0在经历ttt与执行时延后的切换完成位置为，则pp概率上界为：

64、。

65、作为对上述技术方案的改进，通过遗传算法自适应调整切换余量hom与触发时延ttt，使切换参数适应列车实时运行状态，所述通过遗传算法为issa-lstm预测模块，该任务完成的步骤是：

66、定义列车过去m个连续时间步的历史位置x与速度v构成输入特征矩阵st=[(x,v)t-m+1,…, (x,v)t]t，经lstm网络深层特征提取后，由全连接层映射输出未来p步后的状态预测向量；

67、issa首先采用chebyshev混沌映射生成初始解，其表达式为；式中，zp为第p个混沌变量，c为chebyshev映射阶数；

68、然后引入动态非线性缩放因子，实现搜索策略的自适应调整，其表达式为:

69、；

70、其中，n为当前迭代次数，nmax为最大迭代次数，为介于[0, 1]之间的随机数；

71、最后将柯西(cauchy)变异和帐篷(tent)映射扰动引入全局最优位置更新策略中。每次迭代结束后对当前全局最优解进行扰动，其表达式为：

72、；

73、其中，cauchy(0,1)表示标准柯西分布随机数，其重尾特性有利于扩大搜索步长，增强跳出局部最优的能力；tent为帐篷映射，用于增强局部邻域搜索，其表达式为：

74、。

75、作为对上述技术方案的改进，所述遗传算法的初始种群大小为，最大迭代次数为，交叉概率为，变异概率为，提前终止阈值为;

76、预测模块输出和用于在线更新边界与风险评估，驱动hom与ttt的自适应调整;

77、对每组切换参数计算hof/pp概率上界并构造适应度函数，适应度越大表示切换风险越低。

78、与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

79、本发明中irs的引入有效拓宽了系统覆盖范围，为隧道场景下可见光通信列车的越区切换提供了可靠保障；所提切换算法能够显著降低hof与pp风险，有力保障了列车在快速移动下的通信连续性。