一种混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络的最优中继选择方法

摘要

本发明公开了一种混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络的最优中继选择方法，利用中继选择来减少RIS辅助网络中的信号损失，提高通信系统的性能和容量。该方法包括：目的节点D和RIS获取每个中继到自己的信道状态信息；计算每个中继节点的信噪比；利用传统最大最小中继选择方案选择中继；重构中继选择策略；从所有中继节点中选择出距离RIS最近的最优中继节点进行辅助通信。本发明提供的中继选择策略解决了混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络的中继选择问题，提高了信号的传输效率以及信道容量，具有低成本和覆盖范围广的优点，可用于具有多中继的RIS辅助通信系统。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络的最优中继选择方法。

背景技术

随着人工电磁材料的发展，可重构智能表面(RIS)已被公认为是改善无线传播环境的一种节能且具有成本效益的技术。RIS由许多无源反射元件组成，这些元件的特性允许每个元件主动和独立地控制其反射信号的叠加或相减，以增加所需的信号功率或抑制同信道干扰，从而显着提高通信性能。与众所周知的大规模多输入多输出系统等其他技术不同，RIS不需要射频链。相反，它只是在其平面上反射具有特定幅度或相移的入射信号，使得反射信号在接收器侧针对性地组合，可以提供经济高效、可靠且节能的通信。

此外，协作中继网络作为一种有吸引力的技术，可以提高无线通信的性能。有许多研究工作比较了RIS和中继技术之间的差异，虽然RIS和中继都用来提高系统性能，但中继会主动处理接收到的信号，而RIS仅反射入射信号，没有任何有源发射模块。E.Bjornson等对解码转发(DF)中继和RIS辅助传输在能效方面进行了比较，结果表明，在RIS使用数百个反射元件时，可实现中继的性能。此外，X.Ying等提出了一种全双工中继辅助系统，该系统包括两个喇叭天线和两个非常靠近中继的RIS，并阐明即使使用少量反射元件也可以提高可达速率。

应用中继选择来减少RIS辅助网络中的信号损失是有价值的研究方向。与仅RIS和仅中继传输相比，I.Yildirim等提出了两种混合中继和RIS的辅助传输方案，以实现更好的中断性能和可达速率。为了结合中继和RIS辅助网络的优势，Z.Abdullah等研究了混合中继与具有连续相移和固定反射幅度的RIS网络以提高可达速率，研究表明在低信噪比(SNR)情况下，使用单中继的效果优于具有大量反射元件的RIS，而对于高SNR，RIS辅助传输是首选。为了进一步提高可达速率，Z.Abdullah等提出了对混合中继与具有连续相移和固定反射幅度的RIS的优化方法。此外，M.Sami等证明了中继选择是一种在辅助通信中获得分集增益的有效方式。

因此，在具有多中继的RIS辅助通信系统模型下，考虑只能获得统计信道状态信息的情况，如何通过中继位置选择可以最小化插入损耗的中继进行辅助传输，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络的最优中继选择方法，以使信道容量最大化，提高传输效率。

本发明采用的技术方案包括以下步骤；

(1)目的节点D和RIS分别获取各节点到自己的信道状态信息，包括：

(2)基于目的节点D的接收信号，可以计算出每个中继节点R

(3)基于目的节点D的接收信号，可以计算出目的节点D处的接收信噪比为

(4)通过传统最大-最小中继选择方案选择插入损耗最小的中继

(5)采用最佳相移，根据NLOS分量相互独立，可得

(6)中继选择策略可以进一步表示为

根据本发明提供的具体实施例，本发明具有以下有益效果：

本发明通过利用混合多中继与智能反射面通信模型，为信号提供多条辅助链路，保证了目的节点与发射源间的通信质量，提高了传输效率与信道容量。基于传统的最大-最小中继选择方案给出了本发明模型结构下的最优中继选择策略，为未来在无线通信领域中应用多个中继与智能反射面同时辅助通信增加了可能性，具有较好的可行性和实用性。

附图说明

图1混合多中继与RIS辅助通信模型结构示意图；

图2最优中继选择策略的流程框图；

图3三种辅助通信方式的信噪比与信道容量关系。

具体实施方式

为使本发明的目的和特征更加易懂，下面结合附图对本发明提出的混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络最优中继选择方法的具体实施进行详细说明。本发明所构建的系统模型如图1所示，考虑一个由发射源(S)、RIS(I)、K个中继

其中，θ表示信号的到达角(AoA)。同样地，反射阵列的响应表示为：

其中，θ表示信号的离开角(AoD)。

如图1所示，各节点分布在一个三维空间中，其中x-y平面表示地面，z轴表示高度。节点S和D被假定位于固定的位置，而中继则被假定为随机定位在某一区域。具体来说，S位于y-z平面内，坐标为(0，y

参照图2，本发明混合多中继与智能反射面辅助无线通信网络的最优中继选择方法，其实现如下。

对于RIS辅助的下行链路传输，S-I-D级联通道建模为：

其中β

其中G

其中λ为波长，d为RIS的天线间距，

S→D，S→I和I→D通道增益分别用

其中

其中

其中，P是S处的发射功率，x

基于D处的接收信号表达式，在R

其中，

同样，根据D处的接收信号表达式，在D处的接收信噪比可以表示为：

其中，

通过独立管理和协调S和RIS的控制器，RIS可以访问统计CSI。有了统计CSI，RIS并不能通过设计θ

在统计CSI的情况下，中继选择策略的目的是最小化插入损耗的影响，即通过所在位置选择一个可以最小化插入损耗的中继进行辅助传输。在这种情况下，传统的最大-最小中继选择指标是选择中继

其中，

由于式(9)和NLOS分量是相互独立的，可得：

如果采用最佳相移，其中Γ

同样地，根据式(11)，可得：

其中Γ

从式(14)和式(16)中可以观察到

因此，式(13)中的中继选择策略可以近似地表示为：

回顾β

其中

该中继选择策略意味着选择离RIS最近的中继进行辅助通信。这是合理的，因为与RIS相关的相应插入损耗对于从S到中继和从中继到D的传输影响都是最小的。

下面通过仿真实验对本发明的中继选择策略进行性能验证。

本发明通过MATLAB仿真软件，将本发明的最优中继选择策略与随机中继选择策略、仅RIS辅助通信方案的信道容量随目的节点信噪比变化的曲线进行对比，结果如图3所示。

仿真采用图1中存在多中继的RIS辅助通信模型，中继的个数为5，半圆盘的半径为5m，源节点和目标节点之间的距离为20m，发射功率均设为0.1W，噪声功率

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均应在本发明要求的保护范围。