基于NOMA的RIS与DF中继对比研究*

李小双 ，刘秋妍 ，张忠皓 ，李福昌 ，李佳俊

(1.中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048；2.中国联通华盛通信有限公司，北京 100031)

0 引言

新一轮科技革命和产业变革在创造新的产品和服务供给的同时，也对加快新型基础设施建设提出新要求。中共中央政治局常务委员会召开会议提出，加快5G 网络、数据中心等新型基础设施建设进度。未来十年，移动通信网络将支持千倍容量增长和无处不在的无线连接。与此同时，高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为制约未来无线通信面临的关键问题[1]。

1 智能超表面技术

移动新业务对通信带宽和通信速率的需求也急速提升，充足的频带资源是保障更高速率的必要条件，高频频段有丰富的带宽资源，可以极大地提高通信速率，向毫米波、太赫兹等更高频段演进已经成为后5G(Beyond 5G，B5G)和未来6G 移动通信网络演进的必然趋势[2-3]。但是，高频信号最明显的特征就是路径损耗较大、小区半径较小，并且受障碍物遮挡、雨雪天气、环境吸收等的影响非常大，几乎所有的障碍物都会对无线信号造成至少几十dB的传播损耗，几乎所有的通信都无法保障[4-5]。在实际的无线通信环境中，人体、墙体等障碍物遮挡是无法避免的，因此，如何克服障碍物遮挡是高频通信亟待解决的关键问题。

智能超表面技术(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)通过可编程方式控制超材料单元的电磁特性，实现三维空间内无线信号传播特性的智能重构，突破了只能被动适应无线环境的局限[6-10]。智能超表面作为一种基础性创新技术，具有低成本、低功耗和易部署等商用前景[11-14]，在5G-Advanced、6G 等领域都具有很多潜在需求和应用价值，为保持我国无线通信新技术的全球领先提供一种自主创新的新方案。

2 系统模型

2.1 无辅助的NOMA 下行链路传输

考虑从基站端到用户端SISO 传输的通信。确定性平坦衰落信道用hsd1，hsd2∈C 表示，信道增益包含天线增益。目标用户接收的信号为：

其中，p 是发射功率，s 是单位功率信息信号，n～NC(0，σ2)是接收机噪声。SISO 信道的容量为：

2.2 RIS 辅助的NOMA 下行链路传输

如图1 所示，考虑下行链路单天线发射到单天线接收 RIS-NOMA 网络，其中实施了由N 反射元件组成的RIS，以协助基站(Base Station，BS)向单天线用户发送信号[10]。由于SIC 技术的解码复杂性，本文考虑用户数量为两个。从BS 到RIS的确定性信道用hsr∈CN表示，其中[hsr]n表示第n 个分量。RIS与目标用户之间的信道由hrd∈CN表示。每个元件的大小都小于波长，因此它能够在所有方向上以近似恒定的增益输入信号。RIS的性质表示为对角矩阵：

图1 网络安全概念示意图

其中，α∈(0，1]是固定的幅度反射系数，而θ1，…，θN是可以由RIS 优化的相移变量。系统用户的接收信号为：

其中，p、s 和n 在SISO 情况下定义。由于信道是确定性的，因此目标用户可以得到完整的信道状态信息，并且可以优化相移变量。不失一般性，假设

定理1RIS 辅助的NOMA 传输的信道容量为：

证明：任何给定的比率表达式(5)都是由加性高斯白噪声的信道容量获得的。同时，对于式(8)和式(9)，，j=1，2。当将相移选择为θn=arg(hsd)-arg([hsr]n[hrdj]n)，以使总和中的每个项与hsd处于相同相位时，将获得最大速率。

2.3 中继辅助的NOMA 下行链路传输

用一个半双工中继替代RIS，将其部署在与RIS 相同的位置。考虑经典的重复编码DF中继协议，其中传输被分为两个相等大小的阶段。在第一阶段，BS 分别以发射功率和向中继发送符号s1和s2，叠加信号表示为：

在第一阶段中，从基站端向中继进行传输，而在中继处的接收信号为：

两个用户接收到的信号分别为：

边坡稳定性评价和治理涉及到水利水电工程、铁道工程等诸多工程领域，边坡失稳形成滑坡、崩塌及地裂缝等地质灾害，轻则增加投资、延长工期，重则摧毁建筑物、造成人员伤亡，能否正确评价其稳定性常常是此类工程成败的关键，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。

3 性能比较分析

3.1 功率最小化比较

如果对用户的最小数据速率约束为Rmin，则可以使用式(3)、式(4)、式(8)、式(9)和式(15)中的速率表达式来推出两种辅助设置和无辅助的传输所需的发射功率。

3.2 能耗比较

根据式(3)、式(4)、式(8)、式(9)和式(15)，3种NOMA下行链路传输的数据速率和分别为：

因此，由传输所需要的总功率(P1+P2)可以得到无辅助NOMA 下行链路传输的能效表达式：

其中，e∈(0，1]是功率放大器的效率，而Ps和Pd分别为BS 处发射源和用户的硬件消耗的功率。在中继辅助的NOMA 下行链路传输情况下，由于中继为半双工传输，在t1、t2时隙中源的总能量消耗为PDF，因此在一个时隙中源的平均功率消耗为[12]，而且，基站处的平均功耗为，中继辅助的NOMA 传输能效表示为：

其中，Pr是中继硬件消耗的功率。在RIS 辅助的NOMA传输的情况下，RIS 需要利用电路实现自适应相移，用NPe表示N 个元件需要消耗的功率，RIS 辅助的NOMA传输能效表示为：

4 数值仿真与对比分析

本节将针对上文的分析内容进行仿真验证，首先介绍仿真环境和参数配置，然后给出具体的仿真图和相关分析。

4.1 仿真参数设置

考虑两个用户NOMA的下行传输场景，首先使用3GPP Release 9中对城市微小区(Urban Micro，UMi)的E-UTRA 物理层标准来建立信道模型。信道增益建模的载波频率为3 GHz，忽略阴影衰落，信道模型为确定性模型。可选择的信道有视距传输(Line-of-Sight，LOS)信道和非视距传输(Non-LOS，NLOS)信道，将基站端和用户端的天线增益(单位为dBi)分别表示为Gt和Gr(假设两个用户设备相同），信道增益与距离的关系可以表示为：

其中，d的单位为m。然后，将基站-RIS/中继及RIS/中继-用户之间设置为LOS 信道，另外假设基站-用户之间存在NLOS 信道。具体参数设置见表1。基于文献[14]中的RIS 物理距离模型，其中基站-RIS/DF中继的距离为80 m，RIS/DF-用户的最小距离设置为10 m。

表1 参数设置

4.2 数值仿真性能比较

在本节中，按照上一节中的仿真环境对传输的能效进行分析。在NOMA 下行链路传输中，首先讨论在数据速率约束下需要的最小发射功率的情况。在数据速率变化范围为0～10 bit/s/Hz 内，当用户在距RIS/中继半径70 m 随机分布时，如图2 所示，在R≤4.5 bit/s/Hz的情况下，在目标的所有考虑位置，SISO 情况要求的功率最高，而DF中继情况要求的功率最小。速率增加到R=8.2 bit/s/Hz，RIS 辅助NOMA 传输的方案变得更有竞争力。所以，当需要较高的数据速率时，采用RIS 辅助传输是较优的选择，而在中继可以满足数据速率的要求的时候，可以采用中继辅助传输。另外，中继由于受到半双工传输的限制，随着数据速率要求的提高，需要的发射功率增长速度增大，此时，RIS 优势非常明显。然后，为了比较用户不同分布的情况下数据速率约束和最小发射功率的关系，将用户与RIS/中继半径增加至两倍，如图3 所示。当目标远离基站，RIS 用户分布较远时，RIS曲线和DF中继曲线的交点后移，DF中继的可选范围增大。

图2 RIS与DF中继能效对比图(RIS/DF中继覆盖半径70 m)

图3 RIS与DF中继能效对比图(RIS/DF中继覆盖半径140 m)

5 结论

在通信信道中增加辅助设备是提能效的重要方法，本文比较了重复编码DF中继和有应用前景的RIS 在能效方面的优势。随着阵元数目的增大，相比于DF中继，RIS 方案的能效增益逐渐增大。这是因为RIS 能够弥补重复编码DF中继半双工传输的缺陷，即重复编码DF中继在高数据速率约束时，需要的发射功率较高。但是，本文中为了获得理想的数据速率，RIS 需要有源元件进行重新配置，RIS 硬件消耗的功率导致其能效降低。未来，需要综合考虑配置元件相移所需的功耗及元件数目设计元件相移配置方案。