基于智能反射面的設備間通信系統速率分析

符鳳婷 李莉

摘 ?要： 以通用形式對基于智能反射面（RIS）的設備到設備（D2D）通信系統進行建模，推導出用戶的可達速率，獲得系統的總速率.當發送方的發射功率足夠大時，進行系統的速率分析. 仿真實驗表明：在瑞利信道條件下，隨著用戶發射功率的增加，系統總速率近似值與理論值之間的誤差不超過3%.

關鍵詞： 智能反射面（RIS）; D2D通信; 速率分析

中圖分類號： TN 929.5 ?????文獻標志碼： A ???文章編號： 1000-5137（2021）01-0057-05

Abstract： In this paper，firstly the device-to-device （D2D） communication system model based on the reflective intelligent surface （RIS） was established in a general form，from which the users achievable rate was derived and the total rate of the system was obtained.Then the rate of the system was analysed when the transmitting power was high enough. The simulating experiments showed that with the increase of user transmit power，the error of the system total rate between the approximate value and the theoretical value did not exceed 3% under Rayleigh channel condition.

Key words： reflecting intelligent surfaces （RIS）; device-to-device （D2D） communication; rate analysis

0 ?引言

近年來，隨著移動設備和智能終端的普及，無線網絡中對數據業務的需求急劇增加.為了滿足數據流量快速增長的需求并實現無縫通信，設備到設備（D2D）通信技術被認為是一種有前途的技術[1].與物聯網中的機器到機器（M2M）通信的概念類似，D2D通信旨在使一定距離范圍內的用戶通信設備能夠直接通信，以降低對服務基站的負荷.D2D通信既可在基站控制下進行連接及資源分配，也可以在無網絡基礎設施的時候進行信息交互[2].最近，一種新的革命性器件——智能反射面（RIS）作為顯著提高無線通信性能的解決方案被提出 [3].RIS是由電磁材料制成的超表面，超表面由亞波長金屬或介電散射粒子的二維陣列構成，這些粒子以不同的方式轉換電磁波.通過超表面，可以將入射的無線電波轉換為反射的無線電波和透射或折射的無線電波[4]，從而可以有效地消除D2D通信的干擾，并滿足數據傳輸速率的要求.

目前已有一些D2D通信網絡吞吐量的相關研究工作.倪藝洋等[5]描述了基于放大轉發中繼下的D2D通信傳輸模型，分析了單向放大轉發中繼D2D通信系統可達速率;JIN等[6]在大規模多入多出（MIMO）系統中，對D2D通信用戶在雙向中繼場景中的通信方式進行建模，并對系統的可達速率進行討論;CAO等[7]研究了在RIS輔助的蜂窩網絡和D2D通信共存的場景下，通過采用功率優化的方法，減輕D2D通信用戶對蜂窩用戶的干擾，使得系統的總速率達到最大化，但忽略了D2D通信用戶對之間的干擾.本文作者在D2D通信用戶對之間存在干擾的RIS輔助的網絡環境下，研究D2D通信的速率性能.

1 ?系統模型

圖1所示為考慮一個基于RIS的D2D通信系統，其中有K對單天線用戶，分別表示為TAi和TBi，i=1，2，…，K.在配備有L個可重新配置反射器單元的RIS輔助下，K對D2D用戶相互交換信息.假設受陰影衰落的影響，用戶對TAi和TBi之間不存在直達鏈路.RIS位于二維空間中，將RIS中第l個可重新配置的反射器單元表示為Rl，l=1，2，…，L，所有用戶均以時分雙工模式運行.將TAi和反射面中第l個可重新配置的反射器單元間的信道表示為gl，i，TBi和反射面中第l個可重新配置的反射器單元間的信道表示為hl，i，可將TAi和RIS之間的信道系數矩陣表示為gi，gi=[g1，i，g2，i，…，gL，i]T，為L×1的列向量，RIS與TBi之間的信道可以表示為hi，hi=[h1，i，h2，i，…，hL，i]T，為L×1的列向量.假設信道gl，i和hl，i，l=1，2，…，L，i=1，2，…，K都是獨立的，且服從復高斯分布.假設同一個用戶到RIS的信道方差是一樣的，用戶TAi到RIS的信道gi方差均為，用戶TBi到RIS的信道hi方差均為.

2 ?仿真結果

采用蒙特卡羅模擬評估基于RIS的D2D通信系統的總數速率，并驗證了系統總速率簡化近似的合理性.

仿真實驗中，設置，，i=1，，RIS中可重新配置的元素個數L=128.其中用戶的發射功率從0 dBm增加到50 dBm.

3 ?結論

本文作者研究了基于RIS的D2D通信系統.通過在RIS配備L個可重新配置單元，以保證D2D通信用戶對的通信，并通過對用戶速率簡化近似表達式進一步的推導，得到用戶速率的近似值，從而得到系統總速率的近似值.根據系統總速率的近似表達，可以降低信道估計的復雜度.通過信道的統計量，在不建立精確信道測量的基礎上，得到接近系統總速率理論值的近似結果.

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（責任編輯：包震宇）