CN115396912A - 基于双irs辅助的隧道无线中继通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，在信号发送端和接收端均配备单根天线，在隧道空间中部署两个智能反射面，记为IRS1和IRS2，且每个智能反射面配置的无源反射元件数为N个，N为正整数；其中，IRS1靠近发送端，IRS2靠近接收端；信号从发送端发出，依次经过IRS1与IRS2反射后到达接收端。本发明针对单输入单输出的无线通信系统推导了二进制相移键控调制信号在隧道环境中进行中继传输时误码率的闭式表达式。随后提出了一种基于搜索的算法对IRS的相移矩阵进行优化，该算法以最小化SER为目标，获得了IRS的最佳相位配置，提高隧道环境下无源IRS反射中继的通信性能。

Description

基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统。

背景技术

因为隧道区域相对封闭，在隧道中基站信号会发生严重衰减甚至消失。为了确保隧道内的通信质量，目前应用于隧道中的通信方式主要有分布式天线和漏泄电缆。但采用分布式天线时，用户在移动过程中与特定天线间可能会受到遮挡，导致覆盖效果差，无法根据用户需求进行自适应调节。漏缆的挂设高度偏高，且维护成本过高。因此亟需一种低成本、低功耗、高效率的隧道无线通信系统。

智能反射面技术(Intelligent Reflecting Surface，IRS)近年来成为第六代移动通信技术中的热门研究，它在改善隧道电磁波信号覆盖方面极具潜力，具有部署方便，支持全双工、全频带通信，耗能少、电磁污染小，低成本、易实现等特点。即使在视距链路不畅通的情况下，使用IRS技术重构无线通信环境，也能显著提升无线网络的传输性能。

目前已有研究提出在隧道中部署IRS来改善隧道无线通信的质量，但仅针对的是短距离弯曲隧道的情况。如中国专利，申请号：2022104211453，名称：一种基于IRS的隧道无线通信中继系统，只在隧道弯道上设置了一个智能反射板IRS，该无线通信中继系统只适合设置一个IRS的短距离弯曲隧道。而实际中的隧道一般是长直型和弯曲型的结合，并且基站设置在隧道以外，仅设置单个IRS还不足以将信号传输的更远，信号在拐角处容易受到墙壁的遮挡而衰减甚至消失。

发明内容

本发明提供了一种基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，解决现有技术中隧道无线通信覆盖效果差，信号在拐角处容易受到墙壁的遮挡而衰减的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，在信号发送端和接收端均配备单根天线，在隧道空间中部署两个智能反射面，记为IRS1和IRS2，且每个智能反射面配置的无源反射元件数为N个，N为正整数；其中，IRS1靠近发送端，IRS2靠近接收端；信号从发送端发出，依次经过IRS1与IRS2反射后到达接收端；

所述接收端的接收到的信号表示为：

其中，

表示第i个 IRS的相移矩阵，i＝1，2；θ_in∈[0，2π]，表示相移；α_in∈(0，1]表示固定振幅反射系数,n＝1，2，…，N；

设定IRS进行无损耗反射，则

(·)^H为复共轭算符；h₁为发送端与IRS1间的信道增益,S为IRS1与IRS2间的信道增益，h₂表示IRS2与接收端间的信道增益；x为传输的数据符号，

表示加性高斯白噪声；

设定信道增益h₁,h₂以及S是相互独立的，且不失一般性，则根据IRS1和 IRS2的相关矩阵R₁，R₂，表示为：

I_N为N×N的单位矩阵；β₁，β₂，β₁₂为各信道的路径损耗，令β＝β₁β₂β₁₂，则将接收端处的接收信号重新表示为：

进一步优化，设定发送端采用BPSK调制传输数据符号x∈{±A}，接收端采用最大似然准则来检测数据符号；f(y|h₁,h₂,S,x)表示接收信号y以 h₁，h₂，S，x为条件的条件概率密度函数，则最佳接收机为：

简化为：

其中

表示取实部运算。

进一步优化，根据最佳接收机准则，推导出系统误码率SER为：

其中，

由此得到P_e在g₁，g₂，g_s条件下表示为：

其中，Q(·)表示高斯Q函数；

用

来表示期望算子，则:

其中，Γ_avg＝β²Υ_avg，

表示单个符号的平均信噪比，

分别表示h₁，h₂，S的方差；

由于指数项的辐角为

的展开项，其中 t是一个复随机变量，且

(·)^*为复共轭算子；

得到如下等式：

则将SER表达式重新表示为：

引入了脉冲函数δ(·),将上式中的

和t^*t分开，那么系统误码率 SER的表达式简化为：

其中，det(·)表示行列式算子,且:

式中，ζ_k表示R_g的第k个不同的特征值，

表示不同特征值的总数，μ_k表示第k个不同的特征值的重数，C_k，j表示R_g的特征系数；

其中

表示所有自然数的集合，最后得到系统误码率SER的闭式表达式为：

式中，

表示超几何函数。

进一步优化，针对多进制调制，系统误码率SER闭式表达式为：

其中，

表示M元调制的第

个符号，

进一步优化，以最小化系统误码率SER为目标，采用基于搜索的算法分别对IRS1和IRS2的反射元件的相位进行优化，得到最佳相位配置。

进一步优化，所述基于搜索的算法，包括以下步骤：

步骤一，优化智能反射面IRS2的相移矩阵Φ₂：

S1：初始化Φ₂＝0，

S2：将相位区间[0，2π]均匀划分为P个子区间P₁，P₂，Φ，P_P；

S3：为每个IRS反射元件随机分配一个子区间P_n；

S4：从子区间P_n中均匀随机选取相位

S5：根据下式求解得到新的误率:

S6：判断

是否成立：

若成立，将

的值赋给

并将S4中选择的相位赋给Φ₂；反之进入下一步；

S7：判断ξ≤0是否成立，若成立，则进入下一步；反之则令ξ＝ξ-1，并转到S4；

S8：判断η≤0是否成立，若成立则结束循环，输出Φ₂与

反之则令η＝η-1，并转到S3；

步骤二，确定S8输出的Φ₂，采用与步骤一中同样的方法对Φ₁进行优化，最后得到系统误码率SER最小时的最佳相位配置。

本申请所述的基于双IRS辅助的隧道无线通信中继系统，首先推导了发射机采用二进制相移键控调制方法进行数据传输时，误码率的闭式表达式。随后提出了一种基于搜索的算法对反射相位进行优化，该算法以最小化SER为目标，获得了IRS的最佳相位配置，提高了通信系统性能。如果在隧道同一个地方增设多块IRS等同于增加单个IRS的元件数量，对于增强信号是有帮助的；如果只是为了传播信号，覆盖通信死角，过多的IRS会增大成本，并且实际上在给定功率下信号经过两跳后已经衰减很多，不能够再继续反射。因此本发明中在隧道中设置两个IRS。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

1、通过在隧道中设置两个IRS，利用两个选定的IRS对信号进行连续反射，在发射端和接收端之间建立多跳级联的视距链路，在没有IRS或单个 IRS无法将信号传输到接收端的情况下，双IRS能够显著提高链路质量,提高覆盖率，增加反射信道的冗余，降低信号被阻挡的概率。

2、本申请中所提出的基于搜索的算法能够在未获取信道状态信息的条件下对IRS的反射相位进行优化，降低了SER，提高了系统性能。

附图说明

图1为本发明所述双IRS辅助的隧道无线中继通信系统模型示意图；

图2为每个IRS反射元件数N＝25，64，100时，在不同信噪比下SER 的对比图；

图3为每个IRS反射元件数N＝64时，采用随机相位配置与最佳相位配置在不同信噪比下的SER对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于双IRS辅助的隧道无线通信中继系统，在信号发送端和接收端均配备单根天线，并在空间中部署智能反射面IRS1和IRS2，且每个IRS配置的无源反射元件数为N个。其中IRS1靠近发送端，IRS2靠近接收端。信号从发送端发出，经过IRS1与IRS2的两次反射后到达接收端后，表示为：

其中

为第i(i＝1，2) 个IRS的相移矩阵，θ_in∈[0，2π]表示相移，α_in∈(0，1]表示固定振幅反射系数,n＝1，…，N。假设IRS进行无损耗反射，则

(·)^H为复共轭算符。h₁为发送端与IRS1间的信道增益,S为IRS1与IRS2间的信道增益， h₂表示IRS2与接收端间的信道增益。x为传输的数据符号，

表示加性高斯白噪声。

假设信道增益h₁,h₂以及S是相互独立的，且不失一般性，则可根据IRS1 和IRS2的相关矩阵R₁，R₂表示为

I_N为N×N的单位矩阵。Β₁，β₂，β₁₂为各信道的路径损耗，因此可以将接收端处的接收信号重新表示为：

其中β＝β₁β₂β₁₂，假设发送端采用BPSK调制传输数据符号x∈{±A}，接收端采用最大似然准则来检测数据符号。F(y|h₁,h₂,S,x)表示接收信号y以 h₁，h₂，S，x为条件的条件概率密度函数，则最佳接收机为：

进一步简化为：

其中

表示取实部运算。

根据最佳接收机准则，推导出系统误码率(Symbol Error Rate，SER)为：

其中

由此得到P_e在g₁，g₂，g_s条件下表示为：

其中Q(·)表示高斯Q函数。若用E来表示期望算子，则:

其中Γ_avg＝β²Υ_avg，

表示单个符号的平均信噪比，

分别表示h₁，h₂，S的方差。

由于指数项的辐角为

的展开项，其中t是一个复随机变量且

(·)^*为复共轭算子。

得到如下等式：

则将SER表达式重新表示为：

为了将上式中的

和t^*t分开，引入了脉冲函数δ(·),那么SER的表达式简化为：

其中det(·)表示行列式算子,且:

式中ζ_k表示R_g的第k个不同的特征值，

表示不同特征值的总数，μ_k表示第 k个不同的特征值的重数，C_k，j表示R_g的特征系数。

其中

表示所有自然数的集合，最后得到SER的闭式表达式为：

式中

表示超几何函数。该闭式表达式还可以推广到多进制 (M进制)调制的计算中：

其中

表示M元调制的第

个符号，

以最小化SER为目标，采用一种基于搜索的算法分别对IRS1和IRS2的反射相位进行优化。假设我们固定Φ₁，先对Φ₂进行优化，具体步骤如下：

S1：初始化Φ₂＝0，

S2：将相位区间[0，2π]均匀划分为P个子区间P₁，P₂，Φ，P_P；

S3：为每个IRS反射元件随机分配一个子区间P_n；

S4：从子区间P_n中均匀随机选取相位

S5：根据下式求解得到新的误码率

S6：判断

是否成立，若成立，将

的值赋给

并将S4中选择的相位赋给Φ₂；反之进入下一步；

S7：判断ξ≤0是否成立，若成立，则进入下一步，反之则令ξ＝ξ-1，并转到S4；

S8：判断η≤0是否成立，若成立则结束循环，输出Φ₂与

反之则令η＝η-1，并转到S3。

接下来将得到的Φ₂固定，采用同样的方法对Φ₁进行优化，最后即可得到 SER最小时的最佳相位配置。

现对所得结果通过Matlab软件进行数值验证：假设IRS上的每个方形反射元件的边长d与发射信号的波长λ_t的比值为0.125，且各信道为瑞利衰落信道，相关矩阵R_i的第

个元素为：

其中

与u_υ表示位置矢量:

N_H为IRS每一行的元件个数，发送端与IRS1距离设定为15米，IRS1与IRS2相距100米，IRS2与接收端距离设定为15米。路径损耗指数β₁＝β₂＝ 2.2，β₁₂＝3，载波频率为3GHz，系统带宽为10MHz，发送功率为45dBm，噪声方差为-94dBm。在基于搜索算法中，子区间数P＝16，循环次数ξ＝η＝100，IRS的随机相位在[0，2π]中随机选取，为了分析不同信噪比下的误码率，将平均每个符号的信噪比设置为0～10dB，考虑到测试的准确性，每个信噪比下均做100次蒙特卡罗模拟实验。

图2展示了双IRS系统中每个IRS反射元件数N＝25，64，100时，在不同信噪比下的SER，并且与单个IRS系统的SER进行了对比。从图2 中可以明显看出，系统SER随着IRS反射元件数量的增加而降低，并且当每个IRS反射元件数量相等时双IRS的系统性能优于单IRS系统，由于推导的SER闭式表达式更加接近系统的实际平均误码率，因此略高于通过蒙特卡罗模拟得到的仿真误码率。

图3展示了IRS反射元件数N＝64时，采用随机相位配置与最佳相位配置在不同信噪比下的SER对比，图中IRS的三个随机相位矩阵元素在[0,2π]中均匀随机选取。从图3中可以看出基于搜索算法所得到的最佳相位配置优于随机相位配置。

可见，通过增加IRS反射元件的数量以及采用搜索算法进行相位优化能够有效降低系统SER，提高系统的通信性能。

在本发明中，通过将IRS技术引入到隧道无线中继通信系统中，重构了无线信道，利用两个选定的IRS在发送端和接收端之间建立多跳级联的视距链路，在没有IRS或者单个IRS无法将信号传输到接收端的情况下，双IRS能够显著提高链路质量,提高覆盖率，增加反射信道的冗余，降低信号被阻挡的概率。推导了系统SER的闭式表达式，所提出的一种基于搜索的算法以最小化 SER为目标，获得了IRS的最佳相位配置，提高了系统性能。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，其特征在于，在信号发送端和接收端均配备单根天线，在隧道空间中部署两个智能反射面，记为IRS1和IRS2，且每个智能反射面配置的无源反射元件数为N个，N为正整数；其中，IRS1靠近发送端，IRS2靠近接收端；信号从发送端发出，依次经过IRS1与IRS2反射后到达接收端；

所述接收端的接收到的信号表示为：

其中，

表示第i个IRS的相移矩阵，i＝1，2；θ_in∈[0，2π]，表示相移；α_in∈(0，1]表示固定振幅反射系数,n＝1，2，…，N；

设定IRS进行无损耗反射，则α_in＝1，

n；(·)^H为复共轭算符；h₁为发送端与IRS1间的信道增益,S为IRS1与IRS2间的信道增益，h₂表示IRS2与接收端间的信道增益；x为传输的数据符号，

表示加性高斯白噪声；

设定信道增益h₁,h₂以及S是相互独立的，且不失一般性，则根据IRS1和IRS2的相关矩阵R₁，R₂，表示为：

I_N为N×N的单位矩阵；β₁，β₂，β₁₂为各信道的路径损耗，令β＝β₁β₂β₁₂，则将接收端处的接收信号重新表示为：

2.根据权利要求1所述的基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，其特征在于，设定发送端采用BPSK调制传输数据符号x∈{±A}，接收端采用最大似然准则来检测数据符号；f(y|h₁,h₂,S,x)表示接收信号y以h₁，h₂，S，x为条件的条件概率密度函数，则最佳接收机为：

简化为：

其中

表示取实部运算。

3.根据权利要求2所述的基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，其特征在于，根据最佳接收机准则，推导出系统误码率SER为：

其中，

由此得到P_e在g₁，g₂，g_s条件下表示为：

其中，Q(·)表示高斯Q函数；

用

来表示期望算子，则:

其中，Γ_avg＝β²Υ_avg，

表示单个符号的平均信噪比，

分别表示h₁，h₂，S的方差；

由于指数项的辐角为

的展开项，其中t是一个复随机变量，且

(·)^*为复共轭算子；

得到如下等式：

则将系统误码率SER表达式重新表示为：

引入了脉冲函数δ(·),将上式中的

和t^*t分开，那么系统误码率SER的表达式简化为：

其中，det(·)表示行列式算子,且:

式中，ζ_k表示R_g的第k个不同的特征值，

示不同特征值的总数，μ_k表示第k个不同的特征值的重数，C_k，j表示R_g的特征系数；

其中

表示所有自然数的集合，最后得到系统误码率SER的闭式表达式为：

式中，

表示超几何函数。

4.根据权利要求3所述的基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，其特征在于，其特征在于，针对多进制调制，系统误码率SER闭式表达式为：

其中，

表示M元调制的第

个符号，

5.根据权利要求3所述的基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，其特征在于，以最小化系统误码率SER为目标，采用基于搜索的算法分别对IRS1和IRS2的反射元件的相位进行优化，得到最佳相位配置。

6.根据权利要求5所述的基于双IRS辅助的隧道无线中继通信系统，其特征在于，所述基于搜索的算法，包括以下步骤：

步骤一，优化智能反射面IRS2的相移矩阵Φ₂：

S1：初始化Φ₂＝0，

ξ，η；

S2：将相位区间[0，2π]均匀划分为P个子区间P₁，P₂，…，P_P；

S3：为每个IRS反射元件随机分配一个子区间P_n；

S4：从子区间P_n中均匀随机选取相位

S5：根据下式求解得到新的误码率

S6：判断

是否成立：

若成立，将

的值赋给

并将S4中选择的相位赋给Φ₂；反之直接进入下一步；

S7：判断ξ≤0是否成立：

若成立，则进入下一步；反之则令ξ＝ξ-1，并转到S4；

S8：判断η≤0是否成立，若成立则结束循环，输出Φ₂与

反之则令η＝η-1，并转到S3；

步骤二，确定S8输出的Φ₂，采用与步骤一中同样的方法对Φ₁进行优化，最后得到系统误码率SER最小时的最佳相位配置。

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