CN116156518A - 基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线网络通信领域，公开了一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统及方法。系统包括一个井下基站BS、一个井下用的小型智能反射面RIS、两个井下通信设备D_m和D_n以及两个井下工业WiFi接入点W₁和W₂；本发明首次考虑将基于智能反射面辅助的非正交多址接入技术应用于井下环境中，考虑实际环境中空间的限制、WiFi网络的干扰以及不同用户在不同巷道的情况，分析了井下用户中断性能，推导了中断概率的闭合表达式，并通过仿真进行了验证，证实了在综合考虑井下环境的实际情况下，本发明系统及方法的可靠性和正确性。可为实际井下通信系统运用智能反射面辅助通信方案提供参考，并对使用智能反射单元个数提供依据。

Description

基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统及方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信领域，特别是涉及一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统及方法。

背景技术

非正交多址接入技术有着极高的频谱效率，将非正交多址接入技术(NOMA)应用于井下巷道环境可以有效满足井下智慧矿山建设对高带宽、广连接和低时延的传输需求。现有的技术中，虽然对井下无线通信采用扩频通信或者中继协作通信技术的可靠性传输性能进行了研究。然而智慧矿山的建设中对频谱带宽的要求很大，并且井下环境中空间的局限性，设备的运行以及粉尘，还有巷道的分岔情况会严重降低通信传输性能。因此，如何在复杂情况下满足井下智慧矿山的通信要求是值得深入研究的课题。

发明内容

现有的技术中尚没有关于基于智能反射面辅助非正交多址接入网络在矿井环境下的可靠传输性能研究。因此，矿井环境条件下基于智能反射面辅助的非正交多址接入网络的可靠传输，成为井下通信领域技术人员亟需解决的技术问题。本发明的目的是提供一种井下环境条件下基于智能反射面的非正交多址接入通信系统，能够基于更实际井下环境条件提升无线通信系统的可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本发明提供一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统，所述系统适用于下行链路的井下环境条件，包括：一个井下基站BS、一个井下用的小型智能反射面RIS、两个井下通信设备D_m和D_n以及两个井下工业WiFi接入点W₁和W₂；其中：井下基站BS部署在主巷道的侧壁上；小型智能反射面RIS配备N个RUs，部署在主巷道与支巷道岔路口的侧壁上；井下通信设备D_m位于支巷道上，D_n位于主巷道上，D_n为近用户，D_m为远用户，基站BS与D_m和D_n不在一个视距链路上，依靠智能反射面RIS的多角度反射特性使信号在BS与D_m和D_n之间传递；工业WiFi接入点W₁部署在支巷道上，W₂部署在主巷道上。

本发明还提供一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、基站BS向智能反射面RIS发送叠加的混合信号；

步骤S2、智能反射面RIS向非正交多址接入用户转发信息；

步骤S3、基于非正交多址接入准则，通信设备根据用户信号功率从高到低依次进行解码；

步骤S4、根据井下巷道特征，分析瑞利衰落信道的参数设置。

进一步，所述步骤S1中基站BS向智能反射面RIS发送叠加的混合信号为：

/>

其中x_k表示用户D_k的信息，

P_s为BS发射功率，α_k代表D_k的功率分配系数，α_n＜α_m，α_m+α_n＝1。

进一步，所述步骤S2的具体过程为：

智能反射面向非正交多址接入用户转发信息，此时用户会收到来自WiFi接入点W₁和W₂的干扰信号造成信号干扰；假设所有节点均配备单天线，基站BS对第i个RU的通道系数、第i个RU对D_k的通道系数分别表示为h_si和g_ik，接入点W_q(q∈(1,2))对D_k的通道系数表示为h_wk；则设备D_k接收到的信息可以表示为：

其中，r_i＝β_iexp(jφ_i)代表i个反射单元的响应，j为虚数，β_i和φ_i分别代表第i个反射元的振幅和相移反射系数，在不丧失一般性的情况下，假设β_i＝1，

代表D_k处的AWGN，

在本文假设/>

是接入点W_q(q∈(1,2))的发射功率，x_W是干扰源发射的信息；

通过微控制器设置相应的电压，可以独立实现RIS元件的不同相移，假设RIS完全了解BS→RIS信道h_si的相位θ_i与RIS→D_k信道g_ik的相位ψ_i，则：

φ_i＝-(θ_i+ψ_i) (3)

则r_i可以进一步写成：

r_i＝exp(-j(θ_i+ψ_i)) (4)

然后将公式(4)带入到公式(2)得：

其中，

再将公式(1)带入公式(5)中得：

进一步，所述步骤S3的具体过程为：

SIC的基本原理是根据用户信号功率从高到低依次进行解码，在解码当前信号时，要将其他用户信号视为干扰；根据非正交多址接入准则，分配更多的功率给距离基站较远的用户D_m，因此D_n首先解调D_m的消息，由公式可得D_n检测x_m时的信号干扰噪声比SINR：

其中，

表示终端设备的信噪比，/>

表示干扰源W所发出的信噪比，

是BS→RIS→D_n的等价信道；/>

在D_n接收到的信号中，D_n先减去D_m的信号，然后再解码自身信号，因此，D_n解码自身信息时的SINR为：

当D_m解码自身信号时，此时信号强度较弱的D_n的信号将被视为干扰噪声，则D_m解码自身信号时的SINR可表示为：

其中，

是BS→RIS→D_m的等价信道。

进一步，所述步骤S4的具体过程为：

井下环境存在着矿车，矿工，大型机电设备等，在空间受限的巷道中，障碍物占据了相当的空间，阻碍着信号的传递，因其特殊性，我们考虑任意通信链路的信道均服从瑞利衰落信道，由于井下电磁波传播的特征，不能用固定的衰落参数描述瑞利衰落特征，本发明根据井下巷道特征，分析瑞利衰落信道的参数设置方法；

瑞利信道的参数由以下方法推导而出，后面的分析过程中，先用t表示发射节点，用r表示接收节点，h_tr表示从发射节点到接收节点链路的信道增益；

将隧道横截面看成是一个宽为2a，高为2b的矩形，ε_a、ε_h、ε_v分别表示隧道内空气的、水平墙壁的和垂直墙壁的相对介电常数，σ_a、σ_h、σ_v则分别是隧道内空气的、水平墙壁的和垂直墙壁的电导率，μ₀表示为电磁波渗透系数，f₀表示为电磁波的频率，m和n表示隧道内垂直分量和水平分量的波模阶数，由于隧道内不同反射点处波模阶数不同，m和n的取值组合个数表示为P，(m,n)的任意一种模态阶表示为p阶，相应的m和n对应表示为m_p和n_p；假设巷道内发射端到接收端之间存在M个移动物体，E_r,p,{p∈(1,…,P)}表示接收端r处p阶波模的场分布，与m、n、隧道的宽a和高b有关，表达式为公式(14)；C_t,p,{p∈(1,…,P)}表示发射端t处p阶波模的强度，与m、n、隧道的宽和高、以及发射端场强E₀有关，表达式为公式(15)；Γ_p＝α_p+jβ_p,{p∈(1,…,P)}表示p阶模式下电磁波的衰减系数，α_p和β_p分别为p阶波模的衰减系数和相移系数，可分别由f₀、m、n、a、b、ε_a、ε_h、ε_v、σ_a、σ_h、σ_v、μ₀这些物理量所表示，表达式为公式(16)和公式(17)，

表示第k个物体运动时引起的额外损耗，是均值为μ_p，方差为/>

的独立的随机变量；d_r为发射天线到接收天线之间的距离。故信道增益可以表示为：

其中，G_t和G_r分别为发射端和接收端的天线增益，E_r是在接收端位置的本征向量，

是发射端到接收端之间的传播矩阵，C_t是在发射端位置的模式强度向量，他们分别表示为：

E_r＝[E_r,1,E_r,2,…,E_r,P] (11)

C_t＝[C_t,1,C_t,2,…,C_t,P] (13)

式中，x和y表示横截面处以横截面中心为原点建立坐标系的位置坐标，

和/>

的值由m_p和n_p决定；具体的，当m_p为偶数时，/>

等于0，当m_p为奇数时，/>

等于π/2；当n_p为奇数时，

等于0，当n_p为偶数时，/>

等于π/2；k为电磁波的传播强度，与f₀、ε₀、σ₀、μ₀这些物理量有关，其表达式为公式(18)，k_v和k_h分别为隧道水平和竖直方向上的相对电气参数，可分别由f₀、ε_a、ε_h、ε_v、σ_a、σ_h、σ_v、ε₀这些物理量表示，其表达式为公式(19)和公式(20)：

为了得到随机变量|h_tr|²的均值，我们令

则|h_tr|²可以表示为：

其中，

X₁的均值和方差可以表示为：

式(22)(23)中P(M＝m)是移动物体数量M＝m的概率，其值为：

其中v为移动物体平均速率，λ为移动物体到达的平均速度(个/秒)，将(24)代入(22)可得：

式(23)中的最后子式可以进一步计算为：

将(24)和(26)代入到公式(23)得：

X₂的均值和方差与X₁的均值和方差获得过程相同，最后可得：

已知瑞利信道增益的平方服从指数分布，其概率密度函数可表示为：

其均值为

是瑞利衰落系数，将其与公式(28)联立可求出/>

表达式为：/>

基于同一发明构思，本申请还提供了一种上述通信系统的中断性能验证装置，包括：模型建立模块，用于确定所述井下通信系统的通信信道；第一构建模块，用于构建目标通信用户在该通信信道下的干扰信号模型和概率密度模型；第二构建模块，适于基于所述干扰信号模型和概率密度模型，构建目标通信用户的中断性能模型。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行上述基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明首次考虑将基于智能反射面辅助的非正交多址接入技术应用于井下环境中，考虑实际环境中空间的限制、WiFi网络的干扰以及不同用户在不同巷道的情况，分析了井下用户中断性能，推导了中断概率的闭合表达式，并通过仿真进行了验证，证实了在综合考虑井下环境的实际情况下，本发明系统及方法的可靠性和正确性。可为实际井下通信系统运用智能反射面辅助通信方案提供参考，并对使用智能反射单元个数提供依据。

本申请将6G智能反射面合理的部署在井下巷道中，可以在不增设中继基站的情况下有效提高井下环境中无线通信系统的抗干扰情况，进而提高传输性能。

附图说明

图1为矿井巷道环境下下行IRS辅助的非正交多址接入NOMA通信系统模型。

图2为NOMA用户的中断概率随发射端信噪比的变化情况图。

图3为NOMA用户的中断概率随发射端信噪比和干扰端信噪比的变化情况图。

图4为RIS-NOMA系统和NOMA系统随发射端信噪比的变化情况图。

图5 RIS-NOMA系统和RIS-OMA系统的系统吞吐量随发射端信噪比的变化情况图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例和附图，对本发明的技术方案进行具体、详细的说明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统，如图1所示，包括井下基站BS，井下用的小型智能反射面RIS，两个井下通信设备Dm和Dn，构成了矿井内下行链路通信系统，W₁和W₂为两个井下WiFi接入端；其中：井下基站BS部署在主巷道的侧壁上；小型智能反射面RIS配备N个RUs，部署在主巷道与支巷道岔路口的侧壁上；井下通信设备D_m位于支巷道上，D_n位于主巷道上，D_n为近用户，D_m为远用户，基站BS与D_m和D_n不在一个视距链路上，依靠智能反射面RIS的多角度反射特性使信号在BS与D_m和D_n之间传递；工业WiFi接入点W₁部署在支巷道上，W₂部署在主巷道上。在BS经过RIS向D_m和D_n通信时，接入端W₁会干扰D_m，接入端W₂会干扰D_n。BS发射的信号通过智能反射面相位抵消和补充，以使接收信号干扰噪声比(SINR)最大化。h代表两用户之间的信道增益。

我们假设所有节点均配备单天线。基站BS对第i个RU的通道系数、第i个RU对D_k{k∈(m,n)}的通道系数分别表示为h_si和g_ik，接入点(W_q(q∈(1,2)))对D_k的通道系数表示为h_wk。

在所提出的系统中，在第一阶段基站BS向智能反射面RIS发送叠加的混合信号，发送的信号为：

其中x_k表示用户D_k的信息，

Ps为BS发射功率，α_k代表D_k的功率分配系数，α_n＜α_m，α_m+α_n＝1。

在第二阶段，智能反射面RIS向非正交多址接入用户转发信息，此时WiFi接入点W₁和W₂会主动向用户发送干扰信息造成信号干扰；则设备D_k接收到的信息可以表示为：

其中，r_i＝β_iexp(jφ_i)代表i个反射单元的响应，j为虚数，β_i和φ_i分别代表第i个反射元的振幅和相移反射系数，在不丧失一般性的情况下，假设β_i＝1，

代表D_k处的AWGN，

在本文假设/>

是接入点W_q(q∈(1,2))的发射功率，x_W是干扰源发射的信息；

通过微控制器设置相应的电压，可以独立实现RIS元件的不同相移，假设RIS完全了解BS→RIS信道h_si的相位θ_i与RIS→D_k信道g_ik的相位ψ_i，则：

φ_i＝-(θ_i+ψ_i) (3)

则r_i可以进一步写成：

r_i＝exp(-j(θ_i+ψ_i)) (4)

然后将公式(4)带入到公式(2)得：

其中，

再将公式(1)带入公式(5)中得：

第三阶段，SIC的基本原理是根据用户信号功率从高到低依次进行解码，在解码当前信号时，要将其他用户信号视为干扰；根据非正交多址接入准则，分配更多的功率给距离基站较远的用户D_m，因此D_n首先解调D_m的消息，由公式可得D_n检测x_m时的信号干扰噪声比SINR：

其中，

表示终端设备的信噪比，/>

表示干扰源W所发出的信噪比，

是BS→RIS→D_n的等价信道；

在D_n接收到的信号中，D_n先减去D_m的信号，然后再解码自身信号，因此，D_n解码自身信息时的SINR为：

当D_m解码自身信号时，此时信号强度较弱的D_n的信号将被视为干扰噪声，则D_m解码自身信号时的SINR可表示为：

其中，

是BS→RIS→D_m的等价信道。

第四阶段，井下环境存在着矿车，矿工，大型机电设备等，在空间受限的巷道中，障碍物占据了相当的空间，阻碍着信号的传递，因其特殊性，我们考虑任意通信链路的信道均服从瑞利衰落信道。由于井下电磁波传播的特征，不能用固定的衰落参数描述瑞利衰落特征，本发明根据井下巷道特征，分析瑞利衰落信道的参数设置方法；

瑞利信道的参数由以下方法推导而出。后面的分析过程中，先用t表示发射节点，用r表示接收节点，h_tr表示从发射节点到接收节点链路的信道增益；

将隧道横截面看成是一个宽为2a，高为2b的矩形，ε_a、ε_h、ε_v分别表示隧道内空气的、水平墙壁的和垂直墙壁的相对介电常数，σ_a、σ_h、σ_v则分别是隧道内空气的、水平墙壁的和垂直墙壁的电导率，μ₀表示为电磁波渗透系数，f₀表示为电磁波的频率，m和n表示隧道内垂直分量和水平分量的波模阶数，由于隧道内不同反射点处波模阶数不同，m和n的取值组合个数表示为P，(m,n)的任意一种模态阶表示为p阶，相应的m和n对应表示为m_p和n_p；假设巷道内发射端到接收端之间存在M个移动物体，E_r,p,{p∈(1,…,P)}表示接收端r处p阶波模的场分布，与m、n、隧道的宽a和高b有关，表达式为公式(14)；C_t,p,{p∈(1,…,P)}表示发射端t处p阶波模的强度，与m、n、隧道的宽和高、以及发射端场强E₀有关，表达式为公式(15)；Γ_p＝α_p+jβ_p,{p∈(1,…,P)}表示p阶模式下电磁波的衰减系数，α_p和β_p分别为p阶波模的衰减系数和相移系数，可分别由f₀、m、n、a、b、ε_a、ε_h、ε_v、σ_a、σ_h、σ_v、μ₀这些物理量所表示，表达式为公式(16)和公式(17)，

表示第k个物体运动时引起的额外损耗，是均值为μ_p、方差为/>

的独立的随机变量；d_r为发射天线到接收天线之间的距离。故信道增益可以表示为：

其中，G_t和G_r分别为发射端和接收端的天线增益，E_r是在接收端位置的本征向量，

是发射端到接收端之间的传播矩阵，C_t是在发射端位置的模式强度向量，他们分别表示为：

E_r＝[E_r,1,E_r,2,…,E_r,P] (11)

C_t＝[C_t,1,C_t,2,…,C_t,P] (13)

式中，x和y表示横截面处以横截面中心为原点建立坐标系的位置坐标，

和/>

的值由m_p和n_p决定；具体的，当m_p为偶数时，/>

等于0，当m_p为奇数时，/>

等于π/2；当n_p为奇数时，/>

等于0，当n_p为偶数时，/>

等于π/2；k为电磁波的传播强度，与f₀、ε₀、σ₀、μ₀这些物理量有关，其表达式为公式(18)，k_v和k_h分别为隧道水平和竖直方向上的相对电气参数，可分别由f₀、ε_a、ε_h、ε_v、σ_a、σ_h、σ_v、ε₀这些物理量表示，其表达式为公式(19)和公式(20)：

为了得到随机变量|h_tr|²的均值，我们令

则|h_tr|²可以表示为：/>

其中，

X₁的均值和方差可以表示为：

式(22)、(23)中P(M＝m)是移动物体数量M＝m的概率，其值为：

其中v为移动物体平均速率，λ为移动物体到达的平均速度(个/秒)，将(24)代入(22)可得：

式(23)中的最后子式可以进一步计算为：

将(24)和(26)代入到公式(23)得：

X₂的均值和方差与X₁的均值和方差获得过程相同，最后可得：

已知瑞利信道增益的平方服从指数分布，其概率密度函数可表示为：

其均值为

是瑞利衰落系数，将其与公式(28)联立可求出/>

表达式为：

研究方法的可靠性，分析系统的中断性能：为了验证本申请系统及方法和可靠性、准确性，对上述方法进行理论分析和仿真验证。

(1)D_n端中断概率分析

当D_n端未成功解码信息x_m和信息x_n时D_n端将发生中断事件。所以D_n端中断概率可以表示为：

其中

R_k是解码x_k的目标速率阈值。当/>

即

时，原式为：

已知信道增益系数h_si，g_in均为瑞利衰落增益，则增益系数|h_si||g_in|服从双瑞利分布，信道系数

可以看成是N个独立且相同的双瑞利过程之和，|A_n|²的CDF可以写为：/>

其中

所以：

其中γ(·)和Γ()分别表示下不完全Gamma函数和Gamma函数，

为瑞利衰落信道的衰落系数，/>

将公式(34)带入到公式(32)得：

式中

为W₂的发射信噪比，当/>

取值非常大时，原式可写为：

令

所以原式为：

式中D_p(z)为抛物线圆柱函数。

(2)D_m端中断概率分析

跟分析D_n的中断概率过程一样，当D_m端解码信息x_m失败时，D_m端将发生中断事件，当

即/>

时，D_m端的中断概率可以表示为：/>

其中

式中γ(·)和Γ()分别表示不完全Gamma函数和Gamma函数，/>

为瑞利衰落信道的衰落系数，

将其带入公式(38)得：

式中

为W₁的发射信噪比，当/>

取值非常大时原式可写为：

令

则原式为:

式中D_p(z)为抛物线圆柱函数。

(3)系统验证：

图2为NOMA用户的中断概率随发射端信噪比的变化情况。从图2可以看出，在该通信系统中用户Dm的通信性能是要高于用户Dn的；从整体上看，用户的中断概率是随着发射端信噪比的增加而降低的；当发射端信噪比为-10dB时，随着RIS中参与响应元件数目的增加，用户的中断概率也随之而降低。因此可以通过增加发射端信噪比和增加RIS中参与响应元件的数目来改善系统的通信性能。

图3 NOMA用户的中断概率随发射端信噪比和干扰端信噪比的变化情况。在图3中可以明显看到在其他条件不变时，干扰端信噪比越大，用户的中断概率就越大。特殊的当发射端信噪比为-20dB且其他条件不变时，N＝8时的中断概率变化情况要大于N＝2时的中断概率变化情况，说明N值的增加确实可以减少干扰端的影响进而改善系统的性能。

图4 RIS-NOMA系统和NOMA系统随发射端信噪比的变化情况。从图4可以看出，在井下环境中当N＝1时，RIS辅助的NOMA系统性能在低信噪比情况下要比NOMA系统好，但在高信噪比情况下是比不上的。而随着N值的增加，可以很明显的看出RIS辅助的NOMA系统要全面的优于NOMA系统。

图5 RIS-NOMA系统和RIS-OMA系统的系统吞吐量随发射端信噪比的变化情况。从图5可以看出，无论发射端信噪比增加到多大，其系统的吞吐量最终会确定为某一个定值，而N值的大小只会改变起点的大小而对最终值不会产生任何影响。还可以看出，RIS-NOMA系统要比RIS-OMA系统的吞吐量要好。

上述实验结果共同证明了本发明系统和技术方案的可靠性、正确性。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述实施例方法相对应的，本申请还提供了一种上述通信系统的中断性能验证装置，包括：模型建立模块，用于确定所述井下通信系统的通信信道；第一构建模块，用于构建目标通信用户在该通信信道下的干扰信号模型和概率密度模型；第二构建模块，适于基于所述干扰信号模型和概率密度模型，构建目标通信用户的中断性能模型。上述针对本申请通信系统提出的中断性能验证装置，进一步保证了通信系统的有效性与可靠性，能够满足用户的服务质量需求。

基于同一发明构思，与上述实施例方法相对应的，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法。

基于同一发明构思，与上述实施例方法相对应的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行上述基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法。

尽管上述实施例对已对本申请进行了详细的描述，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统，其特征在于：所述系统适用于下行链路的井下环境条件，包括：一个井下基站BS、一个井下用的小型智能反射面RIS、两个井下通信设备D_m和D_n以及两个井下工业WiFi接入点W₁和W₂；其中：井下基站BS部署在主巷道的侧壁上；小型智能反射面RIS配备N个RUs，部署在主巷道与支巷道岔路口的侧壁上；井下通信设备D_m位于支巷道上，D_n位于主巷道上，D_n为近用户，D_m为远用户，基站BS与D_m和D_n不在一个视距链路上，依靠智能反射面RIS的多角度反射特性使信号在BS与D_m和D_n之间传递；工业WiFi接入点W₁部署在支巷道上，W₂部署在主巷道上。

2.一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤S1、基站BS向智能反射面RIS发送叠加的混合信号；

步骤S2、智能反射面RIS向非正交多址接入用户转发信息；

步骤S3、基于非正交多址接入准则，通信设备根据用户信号功率从高到低依次进行解码；

步骤S4、根据井下巷道特征，分析瑞利衰落信道的参数设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法，其特征在于：所述步骤S1中基站BS向智能反射面RIS发送叠加的混合信号为：

其中x_k表示用户D_k的信息，

P_s为BS发射功率，α_k代表D_k的功率分配系数，α_n＜α_m，α_m+α_n＝1。

4.根据权利要求2所述的一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程为：

智能反射面RIS向非正交多址接入用户转发信息，此时用户会收到来自WiFi接入点W₁和W₂的干扰信号造成信号干扰；假设所有节点均配备单天线，基站BS对第i个RU的通道系数、第i个RU对D_k的通道系数分别表示为h_si和g_ik，接入点W_q(q∈(1,2))对D_k的通道系数表示为h_wk；则设备D_k接收到的信息可以表示为：

其中，r_i＝β_iexp(jφ_i)代表i个反射单元的响应，j为虚数，β_i和φ_i分别代表第i个反射元的振幅和相移反射系数，在不丧失一般性的情况下，假设β_i＝1，

代表D_k处的AWGN，

在本文假设/>

是接入点W_q(q∈(1,2))的发射功率，x_W是干扰源发射的信息；

通过微控制器设置相应的电压，可以独立实现智能反射面RIS元件的不同相移，假设智能反射面RIS完全了解BS→RIS信道h_si的相位θ_i与RIS→D_k信道g_ik的相位ψ_i，则：

φ_i＝-(θ_i+ψ_i)(3)

则r_i可以进一步写成：

r_i＝exp(-j(θ_i+ψ_i))(4)

然后将公式(4)带入到公式(2)得：

其中，

再将公式(1)带入公式(5)中得：

5.根据权利要求2所述的一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程为：

SIC的基本原理是根据用户信号功率从高到低依次进行解码，在解码当前信号时，要将其他用户信号视为干扰；根据非正交多址接入准则，分配更多的功率给距离基站较远的用户D_m，因此D_n首先解调D_m的消息，由公式可得D_n检测x_m时的信号干扰噪声比SINR：

其中，

表示终端设备的信噪比，/>

表示干扰源W所发出的信噪比，

是BS→RIS→D_n的等价信道；

在D_n接收到的信号中，D_n先减去D_m的信号，然后再解码自身信号，因此，D_n解码自身信息时的SINR为：

当D_m解码自身信号时，此时信号强度较弱的D_n的信号将被视为干扰噪声，则D_m解码自身信号时的SINR可表示为：

其中，

是BS→RIS→D_m的等价信道。

6.根据权利要求2所述的一种基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程为：

井下环境存在着矿车，矿工，大型机电设备，在空间受限的巷道中，障碍物占据了相当的空间，阻碍着信号的传递，因其特殊性，我们考虑任意通信链路的信道均服从瑞利衰落信道，由于井下电磁波传播的特征，不能用固定的衰落参数描述瑞利衰落特征，本发明根据井下巷道特征，分析瑞利衰落信道的参数设置方法；

瑞利信道的参数由以下方法推导而出，后面的分析过程中，先用t表示发射节点，用r表示接收节点，h_tr表示从发射节点到接收节点链路的信道增益；

将隧道横截面看成是一个宽为2a，高为2b的矩形，ε_a、ε_h、ε_v分别表示隧道内空气的、水平墙壁的和垂直墙壁的相对介电常数，σ_a、σ_h、σ_v则分别是隧道内空气的、水平墙壁的和垂直墙壁的电导率，μ₀表示为电磁波渗透系数，f₀表示为电磁波的频率，m和n表示隧道内垂直分量和水平分量的波模阶数，由于隧道内不同反射点处波模阶数不同，m和n的取值组合个数表示为P，(m,n)的任意一种模态阶表示为p阶，相应的m和n对应表示为m_p和n_p；假设巷道内发射端到接收端之间存在M个移动物体，E_r,p,{p∈(1,…,P)}表示接收端r处p阶波模的场分布，与m、n、隧道的宽a和高b有关，表达式为公式(14)；C_t,p,{p∈(1,…,P)}表示发射端t处p阶波模的强度，与m、n、隧道的宽和高、以及发射端场强E₀有关，表达式为公式(15)；Γ_p＝α_p+jβ_p,{p∈(1,…,P)}表示p阶模式下电磁波的衰减系数，α_p和β_p分别为p阶波模的衰减系数和相移系数，可分别由f₀、m、n、a、b、ε_a、ε_h、ε_v、σ_a、σ_h、σ_v、μ₀这些物理量所表示，表达式为公式(16)和公式(17)，

表示第k个物体运动时引起的额外损耗，是均值为μ_p，方差为/>

的独立的随机变量；d_r为发射天线到接收天线之间的距离，故信道增益可以表示为：

其中，G_t和G_r分别为发射端和接收端的天线增益，E_r是在接收端位置的本征向量，

是发射端到接收端之间的传播矩阵，C_t是在发射端位置的模式强度向量，他们分别表示为：

E_r＝[E_r,1,E_r,2,…,E_r,P] (11)

式中，x和y表示横截面处以横截面中心为原点建立坐标系的位置坐标，

和/>

的值由m_p和n_p决定；具体的，当m_p为偶数时，/>

等于0，当m_p为奇数时，/>

等于π/2；当n_p为奇数时，/>

等于0，当n_p为偶数时，/>

等于π/2；k为电磁波的传播强度，与f₀、ε₀、σ₀、μ₀这些物理量有关，其表达式为公式(18)，k_v和k_h分别为隧道水平和竖直方向上的相对电气参数，可分别由f₀、ε_a、ε_h、ε_v、σ_a、σ_h、σ_v、ε₀这些物理量表示，其表达式为公式(19)和公式(20)：

为了得到随机变量h_tr ²的均值，我们令

则h_tr ²可以表示为：

其中，

X₁的均值和方差可以表示为：

式(22)、(23)中P(M＝m)是移动物体数量M＝m的概率，其值为：

其中v为移动物体平均速率，λ为移动物体到达的平均速度，将(24)代入(22)可得：

式(23)中的最后子式可以进一步计算为：

将(24)和(26)代入到公式(23)得：

X₂的均值和方差与X₁的均值和方差获得过程相同，最后可得：

已知瑞利信道增益的平方服从指数分布，其概率密度函数可表示为：

其均值为

是瑞利衰落系数，将其与公式(28)联立可求出/>

表达式为：

7.一种权利要求1所述通信系统的中断性能验证装置，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于确定所述井下通信系统的通信信道；

第一构建模块，用于构建目标通信用户在该通信信道下的干扰信号模型和概率密度模型；

第二构建模块，适于基于所述干扰信号模型和概率密度模型，构建目标通信用户的中断性能模型。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现如权利要求2-6任意一项所述的方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，其特征在于：所述计算机指令用于使计算机执行权利要求2-6任一项所述的方法。

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