CN114980140B - 一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统及信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统，该系统包括一个基站BS、两个智能反射面IRS l,l＝1,2、一个中继站R、一个远距离用户D₁和一个近距离用户D₂，智能反射面l部署N_l个智能反射单元l＝1,2；基站在智能反射面和中继站的辅助下，以非正交多址接入的方式向两个用户发送各自的有限长数据信号；还公开该系统的信息传输方法。本发明以绿色通信为研究背景，结合了智能反射面、中继站放大转发技术和非正交多址技术，考虑到了超可靠低时延，采用乘性路损和加性路损选择最优的一个智能反射面，操作简单且有利于降低接收机的复杂度，方案保证近距离用户通信的一定可靠性的前提下，最小化远距离用户的平均误块率性能，普遍适用于不同的应用场景。

Description

一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统及信息 传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统及信息传输方法。

背景技术

移动通信的快速发展、用户数量、设备的迅猛增加使得无线频谱资源越来越紧张。为提高移动通信网络的频谱效率，学者们提出了非正交多址接入技术(NOMA)。该技术可以在相同的时/频/码域等资源上将多个用户的多个信息流叠加传输，从而提高系统频谱利用率。在某些实时性要求高的应用场景，例如自动驾驶、工厂自动化、远程控制等，发射端通常发送有限长的数据包来降低传输时延。但是由于有限长数据包包长比较短，其传输可靠性比较差。

智能反射面(IRS)作为一项全新的革命性技术，可以大幅度提高数据传输的可靠性。它由大量低成本且可重新配置的无源反射元件构成，每个反射元件可对入射电磁波施加可控相移并将其反射至接收端，智能地配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。智能反射面将传统的通信系统被动地去适应电磁波传输环境的通信范式推进到联合调整电磁波的传输环境与通信系统的全新范式中。借助智能反射面，有限长数据包的传输可靠性可以得着显著改善。

发明内容

发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明第一目的是公开一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统；

第二目的是公开该下行通信系统的信息传输方法。

技术方案：本发明公开的基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统，该系统包括一个基站BS、两个智能反射面IRS l,l＝1,2、一个中继站R、一个远距离用户D₁和一个近距离用户D₂，智能反射面l部署N_l个智能反射单元l＝1,2；基站在智能反射面和中继站的辅助下，以非正交多址接入的方式向两个用户发送各自的有限长数据信号，一次信号的传输占用T时间，在前αT(0≤α≤1)时间内，基站发送导频信号，经由两个智能反射面的反射到达中继站，中继站接收的导频信号并放大转发给两个用户，中继站和用户获取基站到智能反射面l、智能反射面l到中继站以及中继站到用户D₁和D₂的链路参数，l＝1,2，并将各信道的链路参数估计结果通过反馈链路反馈给基站，基站根据获取的链路参数，计算两个用户的误块率，并与所定门限进行比较，从而选择相应的信息传输方式，在剩下的(1-α)T时间内，利用所选的信息传输方式，基站向两个用户发送有限长数据信号。

一种基于多智能反射面和中继站辅助的信息传输方法，采用上述下行通信系统，包括以下步骤：

步骤1：在信号传输之前，基站BS获取两个智能反射面IRS及中继站R的位置信息，从而获得基站到智能反射面l的距离d_BI,l，智能反射面l到中继站距离的距离d_IR,l，l＝1,2；

若d_BI,1×d_IR,1≠d_BI,2×d_IR,2，则

若d_BI,1×d_IR,1＝d_BI,2×d_IR,2，则

若d_BI,1×d_IR,1＝d_BI,2×d_IR,2且d_BI,1+d_IR,1＝d_BI,2+d_IR,2，则随机选择一个智能反射面l^*协助数据传输l^*∈{1,2}；

令基站处的功率分配系数a＝0.6，根据信道估计过程获取的链路参数，基站计算用户D₁处的平均误块率

和D₂处的平均误块率/>

若

且/>

其中γ_th1和γ_th2为特定的门限；则基站采用a^*＝a＝0.6来分配发送给用户1和用户2的有限长数据信号的发送功率，并借助智能反射面l^*和中继站的辅助，与两个用户通信；

若不满足

且/>

则转入步骤2；

步骤2：在保证

的前提下，以最小化/>

为目标，同时满足

优化功率分配系数a，其中/>

即建立如下优化问题：

满足

若存在满足式(1)的最优功率分配系数a^*，则所提系统的信息传输方式为：基站采用最优功率分配系数a^*分配发送功率，在智能反射面l^*和中继站R的辅助下和两个用户通信；

若不存在满足上述条件的最优功率分配系数a^*，转入步骤3；

步骤3：选用智能反射面1和2协助传输，在保证

的前提下，以最小化

为原则，同时满足/>

优化功率分配系数a，

其中

即建立如下优化问题：

满足

若存在满足式(2)的最优功率分配系数a^*，则所提系统的信息传输方式为：基站采用最优功率分配系数a^*分配发送功率，在两个智能反射面和中继站R的辅助下和两个用户通信；若不存在满足式(2)的最优功率分配系数a^*，转入步骤4；

步骤4：选用智能反射面1和2协助传输，以最小化和平均误块率

为原则，优化功率分配系数a，其中/>

即建立如下优化问题：

基站采用满足式(3)最优功率分配系数a^*分配发送功率，在两个智能反射面和中继站R的辅助下和两个用户通信。

其中，远距离用户D₁处的平均误块率具体为：

其中，

为远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比，

为高斯Q函数，

表示信道色散函数，B为待传输的有限长数据信息比特数，b为待传输的有限长数据的数据包包长。

近距离用户D₂处的平均误块率具体为：

其中，

为近距离用户D₂译码D₁接收信号的信噪比，/>

为近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比。

进一步的，在步骤1和2中，远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比为：

其中P_R为中继站的发射功率，

为智能反射面l^*部署的智能反射单元个数，ε为大尺度路径损耗指数，/>

为基站和智能反射面l^*之间的信道衰落系数，/>

为智能反射面l^*和中继站之间的信道衰落系数，/>

为智能反射面衰落系数，/>

表示第l^*个智能反射面中第n个反射元件的相移，h_di为中继站到用户D_i之间的信道衰落系数，d_di为中继站和用户D_i之间的距离{i＝1,2}，d_d1>d_d2，P_S为基站的发射功率，a为功率分配系数，/>

及/>

为零均值的加性高斯白噪声的噪声方差；

近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比：

其中G为放大转发系数，具体为：

进一步的，在步骤3和4中，远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比为：

其中N_l为智能反射面l部署的智能反射单元个数，ε为大尺度路径损耗指数，g_nl为基站和智能反射面l之间的信道衰落系数，h_nl为智能反射面l和中继站之间的信道衰落系数，ξ_nl∈(0,1]为智能反射面衰落系数，θ_nl∈(-π,π]表示第l个智能反射面中第n个反射元件的相移；

近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比：

其中G为放大转发系数，具体为：

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：以绿色通信为研究背景，结合了智能反射面、中继站放大转发技术和非正交多址技术，考虑到了超可靠低时延，采用乘性路损和加性路损选择最优的一个智能反射面，操作简单且有利于降低接收机的复杂度，方案保证近距离用户通信的一定可靠性的前提下，最小化远距离用户的平均误块率性能，普遍适用于不同的应用场景。

附图说明

图1为本发明系统模型图；

图2为本发明信息传输方法示意图；

图3为随着待传输的有限长数据信息比特数(B)的增大，本发明与无智能反射面辅助的NOMA系统的远距离用户平均误块率比较曲线；

图4为随着待传输的有限长数据信息比特数(B)的增大，本发明与无智能反射面辅助的NOMA系统的近距离用户平均误块率比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统，该系统包括一个基站BS、两个智能反射面IRS l,l＝1,2、一个中继站R、一个远距离用户D₁和一个近距离用户D₂，智能反射面l部署N_l个智能反射单元l＝1,2；基站在智能反射面和中继站的辅助下，以非正交多址接入的方式向两个用户发送各自的有限长数据信号，一次信号的传输占用T时间，在前αT(0≤α≤1)时间内，基站发送导频信号，经由两个智能反射面的反射到达中继站，中继站接收的导频信号并放大转发给两个用户，中继站和用户获取基站到智能反射面l、智能反射面l到中继站以及中继站到用户D₁和D₂的链路参数，l＝1,2，并将各信道的链路参数估计结果通过反馈链路反馈给基站，基站根据获取的链路参数，计算两个用户的误块率，并与所定门限进行比较，从而选择相应的信息传输方式，在剩下的(1-α)T时间内，利用所选的信息传输方式，基站向两个用户发送有限长数据信号。

如图2所示，上述下行通信系统的信息传输方法，包括以下步骤：

步骤1：在信号传输之前，基站BS获取两个智能反射面IRS及中继站R的位置信息，从而获得基站到智能反射面l的距离d_BI,l，智能反射面l到中继站距离的距离d_IR,l，l＝1,2；

若d_BI,1×d_IR,1≠d_BI,2×d_IR,2，则

若d_BI,1×d_IR,1＝d_BI,2×d_IR,2，则

若d_BI,1×d_IR,1＝d_BI,2×d_IR,2且d_BI,1+d_IR,1＝d_BI,2+d_IR,2，则随机选择一个智能反射面l^*协助数据传输l^*∈{1,2}；

令基站处的功率分配系数a＝0.6，根据信道估计过程获取的链路参数，基站计算用户D₁处的平均误块率

和D₂处的平均误块率/>

若

且/>

其中γ_th1和γ_th2为特定的门限；则基站采用a^*＝a＝0.6来分配发送给用户1和用户2的有限长数据信号的发送功率，并借助智能反射面l^*和中继站的辅助，与两个用户通信；

若不满足

且/>

则转入步骤2。

其中，远距离用户D₁处的平均误块率具体为：

其中，

为远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比，

为高斯Q函数，

表示信道色散函数，B为待传输的有限长数据信息比特数，b为待传输的有限长数据的数据包包长。

近距离用户D₂处的平均误块率具体为：

其中，

为近距离用户D₂译码D₁接收信号的信噪比，/>

为近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比。

步骤2：在保证

的前提下，以最小化/>

为目标，同时满足

优化功率分配系数a，其中/>

即建立如下优化问题：

满足

若存在满足式(1)的最优功率分配系数a^*，则所提系统的信息传输方式为：基站采用最优功率分配系数a^*分配发送功率，在智能反射面l^*和中继站R的辅助下和两个用户通信；

若不存在满足上述条件的最优功率分配系数a^*，转入步骤3。

步骤3：选用智能反射面1和2协助传输，在保证

的前提下，以最小化

为原则，同时满足/>

优化功率分配系数a，

其中

即建立如下优化问题：

满足

若存在满足式(2)的最优功率分配系数a^*，则所提系统的信息传输方式为：基站采用最优功率分配系数a^*分配发送功率，在两个智能反射面和中继站R的辅助下和两个用户通信；若不存在满足式(2)的最优功率分配系数a^*，转入步骤4。

步骤4：选用智能反射面1和2协助传输，以最小化和平均误块率

为原则，优化功率分配系数a，其中/>

即建立如下优化问题：

基站采用满足式(3)最优功率分配系数a^*分配发送功率，在两个智能反射面和中继站R的辅助下和两个用户通信。

在步骤1和2中，远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比为：

其中P_R为中继站的发射功率，

为智能反射面l^*部署的智能反射单元个数，ε为大尺度路径损耗指数，/>

为基站和智能反射面l^*之间的信道衰落系数，/>

为智能反射面l^*和中继站之间的信道衰落系数，/>

为智能反射面衰落系数，/>

表示第l^*个智能反射面中第n个反射元件的相移，h_di为中继站到用户D_i之间的信道衰落系数，d_di为中继站和用户D_i之间的距离{i＝1,2}，d_d1>d_d2，P_S为基站的发射功率，a为功率分配系数，/>

及/>

为零均值的加性高斯白噪声的噪声方差。

近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比：

其中G为放大转发系数，具体为：

在步骤3和4中，远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比为：

其中N_l为智能反射面l部署的智能反射单元个数，ε为大尺度路径损耗指数，g_nl为基站和智能反射面l之间的信道衰落系数，h_nl为智能反射面l和中继站之间的信道衰落系数，ξ_nl∈(0,1]为智能反射面衰落系数，θ_nl∈(-π,π]表示第l个智能反射面中第n个反射元件的相移；

近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比：

其中G为放大转发系数，具体为：

以下是本发明实施例的平均误块率的实验结果。

仿真实验的具体条件为：独立同分布的Nakagami-m衰落信道，两个智能反射面均配置N＝60个智能反射单元,待传输的有限长数据的数据包包长b＝600bit，基站的发射功率P_S＝2W，中继站的发射功率P_R＝5W，噪声方差

T＝1ms，α＝0.6，大尺度路径损耗指数ε＝1，d_BI,1＝5.831m，d_BI,2＝3.162m，d_IR,1＝3.162m，d_IR,1＝5m，d_d1＝3m，d_d2＝1m，预设平均误块率门限值γ_th1＝0.05，γ_th2＝0.7。

如图1所示，系统包括一个基站(BS)、两个智能反射面(IRS l,l＝1,2)、一个中继站(R)、一个远距离用户D₁和一个近距离用户D₂，智能反射面l部署N_l个智能反射单元(l＝1,2)；基站在智能反射面和中继站的辅助下，以非正交多址接入的方式向两个用户发送各自的有限长数据信号。一次信号的传输占用T时间，在前αT(0≤α≤1)时间内，基站发送导频信号，通过两个智能反射面的反射到达中继站，中继站采用放大转发策略，将接收到的导频信号转发给两个用户。中继站和用户获取基站到智能反射面l、智能反射面l到中继站以及中继站到用户D₁和D₂的链路参数(l＝1,2)，并将各信道的链路参数估计结果通过反馈链路反馈给基站。基站根据获取的链路参数，计算两个用户的误块率，并与所定门限进行比较，从而选择相应的信息传输方式。在剩下的(1-α)T时间内，利用所选的信息传输方式，基站向两个用户发送有限长数据信号。

图3和图4分别为本发明方法与无智能反射面辅助NOMA系统在不同待传输的数据比特数下的平均误块率的比较曲线。

从图3和图4可见：本发明在任意待传输的数据比特数下，用户(D_i)平均误块率明显低于无智能反射面辅助NOMA系统方案，例如：当待传输的数据比特数B＝50时，本方案中远距离用户(D₁)的平均误块率约为0.009728104216，无智能反射面辅助NOMA方案下远距离用户(D₁)的平均误块率约为0.626659125262646；本方案中近距离用户(D₂)的平均误块率约为0.002310896167，无智能反射面辅助NOMA方案下近距离用户(D₂)的平均误块率约为0.535371395406076。

Claims (4)

1.一种基于多智能反射面和中继站辅助的信息传输方法，其特征在于，采用一种基于多智能反射面和中继站辅助的下行通信系统，该系统包括一个基站BS、两个智能反射面IRSl,l＝1,2、一个中继站R、一个远距离用户D₁和一个近距离用户D₂，智能反射面l部署N_l个智能反射单元l＝1,2；基站在智能反射面和中继站的辅助下，以非正交多址接入的方式向两个用户发送各自的有限长数据信号，一次信号的传输占用T时间，在前αT(0≤α≤1)时间内，基站发送导频信号，经由两个智能反射面的反射到达中继站，中继站接收的导频信号并放大转发给两个用户，中继站和用户获取基站到智能反射面l、智能反射面l到中继站以及中继站到用户D₁和D₂的链路参数，l＝1,2，并将各信道的链路参数估计结果通过反馈链路反馈给基站，基站根据获取的链路参数，计算两个用户的误块率，并与所定门限进行比较，从而选择相应的信息传输方式，在剩下的(1-α)T时间内，利用所选的信息传输方式，基站向两个用户发送有限长数据信号；

包括以下步骤：

步骤1：在信号传输之前，基站BS获取两个智能反射面IRS及中继站R的位置信息，从而获得基站到智能反射面l的距离d_BI,l，智能反射面l到中继站距离的距离d_IR,l，l＝1,2；

若d_BI,1×d_IR,1≠d_BI,2×d_IR,2，则

若d_BI,1×d_IR,1＝d_BI,2×d_IR,2，则

若d_BI,1×d_IR,1＝d_BI,2×d_IR,2且d_BI,1+d_IR,1＝d_BI,2+d_IR,2，则随机选择一个智能反射面l^*协助数据传输l^*∈{1,2}；

令基站处的功率分配系数a＝0.6，根据信道估计过程获取的链路参数，基站计算用户D₁处的平均误块率

和D₂处的平均误块率/>

若

且/>

其中γ_th1和γ_th2为特定的门限；则基站采用a^*＝a＝0.6来分配发送给用户1和用户2的有限长数据信号的发送功率，并借助智能反射面l^*和中继站的辅助，与两个用户通信；

若不满足

且/>

则转入步骤2；

步骤2：在保证

的前提下，以最小化/>

为目标，同时满足/>

优化功率分配系数a，其中/>

即建立如下优化问题：

满足

若存在满足式(1)的最优功率分配系数a^*，则所提系统的信息传输方式为：基站采用最优功率分配系数a^*分配发送功率，在智能反射面l^*和中继站R的辅助下和两个用户通信；

若不存在满足上述条件的最优功率分配系数a^*，转入步骤3；

步骤3：选用智能反射面1和2协助传输，在保证

的前提下，以最小化/>

为原则，同时满足/>

优化功率分配系数a，

其中

即建立如下优化问题：

满足

若存在满足式(2)的最优功率分配系数a^*，则所提系统的信息传输方式为：基站采用最优功率分配系数a^*分配发送功率，在两个智能反射面和中继站R的辅助下和两个用户通信；若不存在满足式(2)的最优功率分配系数a^*，转入步骤4；

步骤4：选用智能反射面1和2协助传输，以最小化和平均误块率

为原则，优化功率分配系数a，其中/>

即建立如下优化问题：

基站采用满足式(3)最优功率分配系数a^*分配发送功率，在两个智能反射面和中继站R的辅助下和两个用户通信。

2.根据权利要求1所述的基于多智能反射面和中继站辅助的信息传输方法，其特征在于，远距离用户D₁处的平均误块率具体为：

其中，

为远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比，

为高斯Q函数，/>

表示信道色散函数，B为待传输的有限长数据信息比特数，b为待传输的有限长数据的数据包包长，

近距离用户D₂处的平均误块率具体为：

其中，

为近距离用户D₂译码D₁接收信号的信噪比，/>

为近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比。

3.根据权利要求2所述的基于多智能反射面和中继站辅助的信息传输方法，其特征在于，在步骤1和2中，远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比为：

其中P_R为中继站的发射功率，

为智能反射面l^*部署的智能反射单元个数，ε为大尺度路径损耗指数，/>

为基站和智能反射面l^*之间的信道衰落系数，/>

为智能反射面l^*和中继站之间的信道衰落系数，/>

为智能反射面衰落系数，/>

表示第l^*个智能反射面中第n个反射元件的相移，h_di为中继站到用户D_i之间的信道衰落系数，d_di为中继站和用户D_i之间的距离{i＝1,2}，d_d1>d_d2，P_S为基站的发射功率，a为功率分配系数，/>

及/>

为零均值的加性高斯白噪声的噪声方差；

近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比：

其中G为放大转发系数，具体为：

4.根据权利要求3所述的基于多智能反射面和中继站辅助的信息传输方法，其特征在于，在步骤3和4中，远距离用户D₁译码其自身接收信号的信噪比为：

其中N_l为智能反射面l部署的智能反射单元个数，ε为大尺度路径损耗指数，g_nl为基站和智能反射面l之间的信道衰落系数，h_nl为智能反射面l和中继站之间的信道衰落系数，ξ_nl∈(0,1]为智能反射面衰落系数，θ_nl∈(-π,π]表示第l个智能反射面中第n个反射元件的相移；

近距离用户D₂译码其自身接收信号的信噪比：

其中G为放大转发系数，具体为：

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