CN113315607B - 一种基于harq辅助多ris系统的通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，所述的通信方法包括以下步骤：S1：设计混合自动重传请求技术辅助可重构智能表面的信号传输模型；S2：根据在接收节点处累积的互信息
小于传输速率R的事件的概率，推导出信号传输模型的中断概率；S3：利用中断概率在高信噪比下的渐进行为，并通过渐进结果展开对相移优化、调制和编码增益、分集阶数几种分析；S4：利用S3得到的分析结果进行无线资源配置。本发明利用步骤S3中得到的结果分析系统相关参数的设置对中断性能的影响以便更好地进行无线资源配置，为提高频谱效率同时保证可靠性传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体的，涉及一种基于HARQ辅助多RIS 系统的通信方法。
背景技术
随着近年来迅速激增的无线通信业务，有限的频谱资源愈发十分紧张，全球无线数据流量的爆炸性增长也加速了无线网络的能耗，而以往相对传统的频谱资源分配方法对于现代移动通信业务来说也不再适用。因此，频谱和节能设计引起了广泛的讨论。可重构智能表面(RIS)作为一种近来有效的硬件技术，以较低的功耗提高频谱效率，已被视为超越5G的潜在技术，被认为是设计频谱和能量高效的无线通信系统的一种有前景的解决方案，越来越受到人们的关注。具体而言，RIS是一种人造超材料，由大量具有可重新配置参数的低成本，无源的反射单元组成，可以视作一个大规模无源天线阵列，具有实现空间调制的天然优势，空间调制属于索引调制范畴，具有高频谱效率和高能量效率。它具有智能调整反射信号的相位以实现某些通信目标的能力，例如增加接收信号的能量，扩大覆盖范围，减轻干扰，有效提高空间分集增益等。
目前，针对新兴的通信系统对超高可靠性的需求，可靠重传机制也逐渐成为国内外的研究热点，相关学者对其展开了广泛而深入地研究。为了满足用户的多种需求以及相关技术的蓬勃发展对通信系统的服务质量有更高的要求，这就需要在通信系统中使用可靠的重传机制，这其中具有代表性的就是混合自动重发请求 (HARQ)机制，也是被认为一种十分有前景和非常有效的手段，在提高数据传输速率和减小传输时延等方面都能发挥显著地作用，实现信息的可靠传输。
传统的扩展通信范围的方法主要是依赖于中继，当基站功率不够时，通过中继把信号转发给远端链路，但中继存在放大噪声或者解码复杂度高导致时延长的缺点，如中国专利公开号：CN107852280A，公开日：2018-03-27，公开了用于在极低信噪比下工作的方法和装置，在通信网络的一个或多个链路中使用，沿着这一个或多个链路在极低的SNR条件下交换通信。所述方法包括发射扩展通信帧的步骤，该扩展通信帧包括多个基本帧，其中扩展帧中包括的多个基本帧中的每一个都包括与该多个基本帧中包括的所有其他基本帧相同的有效载荷。
而通过可重构智能表面来反射信号，和传统的方式相比，路径损耗相对小，并且不会反射噪声和低时延。由于在城市当中由于地形建筑等因素总会存在很多阻挡物，这些都会对信号传输造成很大影响，因此通过RIS将信号反射至接收端的方式也是6G中新的热点研究方向。
发明内容
本发明为了解决传统的频谱资源分配方法存在频谱资源紧张、能耗大的问题，提供了一种基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其旨在提高频谱效率和降低中断概率。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于HARQ辅助多RIS 系统的通信方法，所述的通信方法包括以下步骤：
S1：设计混合自动重传请求技术辅助可重构智能表面的信号传输模型；
S2：根据在接收节点处累积的互信息
小于传输速率R的事件的概率，推导出信号传输模型的中断概率；
S3：利用中断概率在高信噪比下的渐进行为，并通过渐进结果展开对相移优化、调制和编码增益、分集阶数几种分析；
S4：利用S3得到的分析结果进行无线资源配置。
优选地，步骤S1，具体地，首先在莱斯衰落模型和相移取决于LoS分量的情况下，基站将信号发送到接收节点的方式包括直接链路h(s,d)，和通过RIS的反射链路
其中，反射链路通过包括K个RIS且每个RIS都有N个反射单元的无源元件以辅助直接链路间的通信；
所述的基站与第k个RIS的第n个反射单元间的链路
中占主导地位的是 LoS分量，信道表示为：
其中，
表示基站与第k个RIS的第n个反射单元间的路径损耗；
表示基站与第k个RIS的第n个反射单元间的归一化的确定性LoS分量；
所述的基站到接收节点的链路包括LoS和NLoS分量，其信道表示为：
所述的第k个RIS的第n个反射单元到接收节点的链路包括LoS和NLoS 分量，其信道表示为：
式中，β(s,d)表示基站到接收节点间的路径损耗；
表示第k个RIS的第n 个反射单元到接收节点间的路径损耗；
表示基站到接收节点间的归一化的确定性LoS分量；
表示第k个RIS的第n个反射单元到接收节点间；
对应于均值为0和方差为1的归一化NLoS分量，κ(s,d),
表示莱斯因子。
进一步地，为提高RIS辅助无线通信系统的传输可靠性，考虑两种类型的 HARQ方案，即Type-I HARQ方案和HARQ-CC方案；
在Type-I HARQ中，接收节点根据接收到的数据包来解码信息，错误接收的报文将被直接丢弃，重发的报文将被独立解码；
在HARQ-CC中，先前失败的信息被存储下来并与当前接收的信息包合并。
再进一步地，所述的Type-I HARQ的中断概率的表达式如下：
式中，M表示HARQ最大允许的重传次数；ξ表示一种比例因子，其值
其中
表示等效信道的LoS分量的功率，表达式如下：
ψ无实际的物理意义，表达式为
其中，R表示信息传输速率，ρ表示平均信噪比；
函数γ(u,v)表示下不完全伽马函数；Γ(t)表示伽马函数，在数学上定义为
和Γ(t)＝(t-1)！。
再进一步地，所述的HARQ-CC的中断概率的表达式如下：
再进一步地，步骤S3，所述的Type-I HARQ在高信噪比下的渐进表达式，如下：
所述的HARQ-CC在高信噪比下的渐进表达式如下：
其中，ο(·)表示高阶项；
当处于高信噪比的情况下时，即ρ→∞，渐进中断概率统一表示为：
Pout,∞＝ωLoS,NLoS(G(R)ρ)-d+ο(ρ-d)，
式中，ωLoS,NLoS和G(R)表达式如下：
GType-I(R)＝(2R-1)-1
式中，ωLoS,NLoS量化了相移、LoS和NLoS分量的影响；G(R)表示调制和编码增益，d代表分集阶数。
再进一步地，根据ωLoS,NLoS的表达式发现，相移通过
项来影响Type-IHARQ和HARQ-CC的渐近中断概率，且都是相对于
单调递减，因此关于相移θ的中断概率优化问题的数学形式可表示成：
subject to
0≤θk,n≤2π。
再进一步地，当重传次数M大于1时，优先使用HARQ-CC方案实现相同的中断要求。
再进一步地，所述的分集阶数d为HARQ允许的最大重传次数M，即 dType-I＝dCC＝M。
再进一步地，步骤S4，具体地，通过比较反射单元数和重传次数的改变对中断概率的影响来为系统实际布局提供参考依据，通过最优的相移θ*选择设计方案和进行无线资源的高效配置。
本发明的有益效果如下：
本发明利用步骤S3中得到的结果分析系统相关参数的设置对中断性能的影响以便更好地进行无线资源配置，为提高频谱效率同时保证可靠性传输。
本发明为直接链路和反射链路在最优性能下的关系以及改变反射面个数、反射单元数、相移对系统中断性能的影响从而更好地进行无线网络资源的配置提供了非常有意义的应用指导和参考价值。
附图说明
图1是本实施例所述的通信方法的应用模型。
图2是本实施例基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
可重构智能表面(RIS)作为近年来一种有效地以低功耗提高通信系统性能的硬件技术，已被视为超越5G的潜在技术，被认为是设计频谱和能量高效的无线通信系统的一种有前景的解决方案。传统的扩展通信范围的方法主要是依赖于中继，当基站功率不够时，通过中继把信号转发给远端链路，但中继存在放大噪声或者解码复杂度高导致时延长的缺点。而通过可重构智能表面来反射信号，和传统的方式相比，路径损耗相对小，并且不会反射噪声和低时延。由于在城市当中由于地形建筑等因素总会存在很多阻挡物，这些都会对信号传输造成很大影响，因此通过RIS将信号反射至接收端的方式也是6G中新的热点研究方向。同时，在这些场景下，为了保证在传输距离比较远时，该通信系统仍能保持较好的性能，可采用一些重传机制比如HARQ，通过多次重发以提高通信系统的可靠性。不失一般性，本实施例专注于一个基站通过安装在高建筑物上的多个RIS结合 HARQ与用户进行通信，如图1所示。这里假设用户接收到的信号路径包括直接链路和反射链路，并且相移只取决于视线分量，接收端考虑限制多用户之间的干扰水平，降低硬件成本和满足低时延处理，这种假设也在研究和实际应用中被广泛采用。
如图2所示，一种基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，所述的通信方法包括以下步骤：
步骤S1：设计混合自动重传请求技术(HARQ)辅助可重构智能表面(RIS) 的信号传输模型，首先在莱斯衰落模型和相移取决于LoS分量的情况下，基站(S) 将信号发送到接收节点(D)的方式包括直接链路h(s,d)，和通过RIS的反射链路
其中，反射链路通过包括K个RIS且每个RIS都有N个反射单元的无源元件以辅助直接链路间的通信。RIS安装在高层建筑物的墙壁上，因此基站S与第k个RIS的第n个反射单元间的链路
中占主导地位的是LoS分量，信道表示为：
其中，
表示基站与第k个RIS的第n个反射单元间的路径损耗；
表示基站与第k个RIS的第n个反射单元间的归一化的确定性LoS分量；
所述的基站到接收节点的链路包括LoS和NLoS分量，其信道表示为：
所述的第k个RIS的第n个反射单元到接收节点的链路包括LoS和NLoS 分量，其信道表示为：
式中，β(s,d)表示基站到接收节点间的路径损耗；
表示第k个RIS的第n个反射单元到接收节点间的路径损耗；
表示基站到接收节点间的归一化的确定性LoS分量；
表示第k个RIS的第n个反射单元到接收节点间；
对应于均值为0和方差为1的归一化NLoS分量，κ(s,d),
表示莱斯因子。
为提高RIS辅助无线通信系统的传输可靠性，考虑两种类型的HARQ方案，即Type-IHARQ型和HARQ-CC。当解码失败时要求基站S重新发送信息，直至接收节点D解码成功或者达到最大允许的传输次数，因此，在第m个HARQ回合中D处接收到的信号ym表示为：
式中，P表示发射功率；x表示发送的信息；
表示加性高斯白噪声(AWGN)；αk，n∈(0，1]表示振幅反射系数；θk，n∈[0，2π]表示反射后的相移；hm表示基站S与接收节点D之间的等效信道。
为了简化分析，假设在RIS处有完美的反射，即αk,n＝1，并且相移θk,n仅取决于LoS分量，与瞬时NLoS分量无关。距离相关的路径损耗建模为
其中，α表示路径损耗指数，di表示通信距离，d0表示参考距离。
步骤S2：根据中断概率的定义推导出信号传输模型的中断概率；
在Type-I HARQ中，接收端D根据刚收到的数据包来解码信息，错误接收的报文将被直接丢弃，重发的报文将被独立解码。那么，Type-I HARQ经过M 轮HARQ后获得的累积互信息可以表示为：
在HARQ-CC中，先前失败的信息被存储下来并与当前接收的信息包合并，由此得到M轮HARQ后HARQ-CC累积的互信息为：
其中，
表示平均信噪比(SNR)，系统中断概率的定义是根据在接收节点处累积的互信息
小于传输速率R的事件的概率，可表示为：
下面分别分析Type-I HARQ和HARQ-CC的具体中断概率计算表达式，为进行Type-IHARQ的中断概率的分析，需要确定|hm|2的分布，而第m次HARQ 轮信道增益的累积分布函数可表示为：
因此，由累积分布函数可得到Type-I HARQ方案中断概率的表达式如下：
可以看出
在推导HARQ-CC的中断概率具体表达式中起着关键的作用。但由于这是难以处理的多个随机变量之和，也没有现成的结果，因此对于 HARQ-CC的中断概率具体表达式求解考虑借助于针对非中心卡方分布的密度函数，可以得出L的累积分布函数表达式：
所以，使用HARQ-CC方案下的多RIS通信系统的中断概率具体表达式为：
式中，M表示HARQ最大允许的重传次数；ξ表示一种比例因子，其值
其中
表示等效信道的LoS分量的功率，表达式如下：
ψ无实际的物理意义，表达式为
其中，R表示信息传输速率，ρ表示平均信噪比；
函数γ(u,v)表示下不完全伽马函数；Γ(t)表示伽马函数，在数学上定义为
和Γ(t)＝(t-1)！。
步骤S3：根据步骤S2可知中断概率的表达式在形式和计算上都相对比较复杂，因此可以利用中断概率在高信噪比下的渐进行为，并通过渐进结果展开对相移优化、调制和编码增益及分集阶数几种简要分析。
当SNR趋于无穷时，Type-I HARQ和HARQ-CC的中断概率的渐进表达式
和
分别表示为：
其中，ο(·)表示高阶项，可看出两种HARQ方案的渐进表达式有很大的相似之处，当处于高SNR时，即ρ→∞，渐进中断概率可统一表示为：
Pout,∞＝ωLoS,NLoS(G(R)ρ)-d+ο(ρ-d)
其中，ωLoS,NLoS和G(R)表达式如下：
GType-I(R)＝(2R-1)-1
ωLoS,NLoS量化了相移、LoS和NLoS分量的影响，G(R)表示调制和编码增益，d代表分集阶数。
从ωLoS,NLoS的表达式可发现，相移仅通过
项来影响Type-I HARQ和 HARQ-CC的渐近中断概率，且都是相对于
单调递减，因此关于相移θ的中断概率优化问题的数学形式可表示成：
subject to
0≤θk,n≤2π,
G(R)量化了达到相同中断概率条件下所需SNR的降低量，通过表达式对比可以发现当重传次数M大于1时，HARQ-CC的调制和编码增益始终大于Type-I HARQ。因此，通过与Type-I HARQ方案进行比较，优先使用HARQ-CC方案可以以较低的SNR实现相同的中断要求。
所述的分集阶数d是表征通信系统自由度的基本的渐近可靠性度量，也是一个衡量通信系统性能的重要指标，分集阶数越高，可以获得的最大分集增益越大，对系统的性能改善就越多。具体来说，对数/对数的尺度下，分集阶数描述了中断概率随SNR变化的比例缩放。在该系统中，两种HARQ方案都可实现完全分集，且分集阶数d为HARQ允许的最大重传次数M，即dType-I＝dCC＝M。
步骤S4：由于各种无线资源有限，在进行远距离大规模传输等应用时可能会受周围环境或地形的干扰导致通信系统的性能恶化，如频谱效率下降和中断概率上升。为提高频谱效率同时保证可靠性传输。利用步骤S2和步骤S3中得到的结果分析系统相关参数的设置对中断性能的影响以便更好地进行无线资源配置，具体如下：通过比较反射单元数和重传次数的改变对中断概率的影响来为系统实际布局提供参考依据，通过最优的相移θ*来选择合理的设计方案和进行无线资源的高效配置。
为了进一步验证本实施例所述的方法的技术效果，通过仿真和数值结果显示，本实施例所述的方法所提供的基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法比未考虑使用RIS系统在中断概率上平均降低了3个数量级，且随着信噪比的增加下降得更多。此外，应用HARQ-CC方案比应用HARQ-I型方案在中断概率上平均下降了4个数量级，并且随着相关参数如信噪比、RIS个数、反射单元数、相位等的变化而可使性能更加优越。在大规模使用RIS网络应用时，本实施例所述的方法为直接链路和反射链路在最优性能下的关系以及改变反射面个数、反射单元数、相移对系统中断性能的影响从而更好地进行无线网络资源的配置提供了非常有意义的应用指导和参考价值。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其特征在于：所述的通信方法包括以下步骤：
S1：设计混合自动重传请求技术辅助可重构智能表面的信号传输模型；
S2：根据在接收节点处累积的互信息
小于传输速率R的事件的概率，推导出信号传输模型的中断概率；
S3：利用中断概率在高信噪比下的渐进行为，并通过渐进结果展开对相移优化、调制和编码增益、分集阶数几种分析；
S4：利用S3得到的分析结果进行无线资源配置；
步骤S1，具体地，首先在莱斯衰落模型和相移取决于LoS分量的情况下，基站将信号发送到接收节点的方式包括直接链路h(s,d)，和通过RIS的反射链路
其中，反射链路通过包括k个RIS且每个RIS都有n个反射单元的无源元件以辅助直接链路间的通信；LoS表示直射波；
所述的基站与第k个RIS的第n个反射单元间的链路
中占主导地位的是LoS分量，信道表示为：
其中，
表示基站与第k个RIS的第n个反射单元间的路径损耗；
表示基站与第k个RIS的第n个反射单元间的归一化的确定性LoS分量；
所述的基站到接收节点的链路包括LoS和NLoS分量，其信道表示为：
所述的第k个RIS的第n个反射单元到接收节点的链路包括LoS和NLoS分量，其信道表示为：
式中，β(s,d)表示基站到接收节点间的路径损耗；
表示第k个RIS的第n个反射单元到接收节点间的路径损耗；
表示基站到接收节点间的归一化的确定性LoS分量；
表示第k个RIS的第n个反射单元到接收节点间；
对应于均值为0和方差为1的归一化NLoS分量，
表示莱斯因子；NLoS表示反射波；
为提高RIS辅助无线通信系统的传输可靠性，考虑两种类型的HARQ方案，即Type-IHARQ方案和HARQ-CC方案；Type-I HARQ表示一种混合自动重发请求机制；HARQ-CC表示另一种混合自动重发请求机制；
在Type-I HARQ中，接收节点根据接收到的数据包来解码信息，错误接收的报文将被直接丢弃，重发的报文将被独立解码；
在HARQ-CC中，先前失败的信息被存储下来并与当前接收的信息包合并；
所述的Type-I HARQ的中断概率的表达式如下：
式中，M表示HARQ最大允许的重传次数；ξ表示一种比例因子，其值
其中
表示等效信道的LoS分量的功率，表达式如下：
ψ无实际的物理意义，表达式为
其中，R表示信息传输速率，ρ表示平均信噪比；
函数γ(u,v)表示下不完全伽马函数；Γ(t)表示伽马函数，在数学上定义为
和Γ(t)＝(t-1)！；
所述的HARQ-CC的中断概率的表达式如下：
2.根据权利要求1所述的基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其特征在于：步骤S3，所述的Type-I HARQ在高信噪比下的渐进表达式，如下：
所述的HARQ-CC在高信噪比下的渐进表达式如下：
其中，ο(·)表示高阶项；
当处于高信噪比的情况下时，即ρ→∞，渐进中断概率统一表示为：
Pout,∞＝ωLoS,NLoS(G(R)ρ)-d+ο(ρ-d)，
式中，ωLoS,NLoS和G(R)表达式如下：
GType-I(R)＝(2R-1)-1
式中，ωLoS,NLoS量化了相移、LoS和NLoS分量的影响；G(R)表示调制和编码增益，d代表分集阶数。
3.根据权利要求2所述的基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其特征在于：根据ωLoS,NLoS的表达式发现，相移通过
项来影响Type-I HARQ和HARQ-CC的渐近中断概率，且都是相对于
单调递减，因此关于相移θ的中断概率优化问题的数学形式可表示成：
0≤θk,n≤2π。
4.根据权利要求2所述的基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其特征在于：当重传次数M大于1时，优先使用HARQ-CC方案实现相同的中断要求。
5.根据权利要求2所述的基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其特征在于：所述的分集阶数d为HARQ允许的最大重传次数M，即dType-I＝dCC＝M。
6.根据权利要求2所述的基于HARQ辅助多RIS系统的通信方法，其特征在于：步骤S4，具体地，通过比较反射单元数和重传次数的改变对中断概率的影响来为系统实际布局提供参考依据，通过最优的相移θ*选择设计方案和进行无线资源的高效配置。
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