一种基于RIS辅助的认知无线网络中断性能预测方法及系统

一种基于ris辅助的认知无线网络中断性能预测方法及系统
技术领域
1.本发明属于领域无线通信领域，特别涉及一种基于ris辅助认知无线网络中断性能预测方法。


背景技术：

2.随着无线通信产业的蓬勃发展，激增的移动用户数和无线宽带业务需求面临着频谱资源分配殆尽、设备成本高和能耗高等问题，制约着无线通信产业的持续发展。认知无线电技术被认为是解决频谱资源短缺问题的一项有效技术。认知无线网络中，主次用户可以采用重叠模式或覆盖模式来共享频谱。在重叠模式下，次用户可接入主用户的频谱，只要其对主用户的干扰低于预设的门限值。由于干扰门限和信道衰落的影响，次用户的服务质量往往难于满足。如何保障次用户链路的通信质量，是认知无线技术实用化需要考虑的关键问题。
3.智能反射面(ris)技术由于其具有全双工全频带工作、无需射频单元、不会放大噪声、低成本、低能耗和易布置等优点获得了学术界和工业界的广泛关注。ris是一个由大量低成本的无源反射单元所构成的超表面。每个单元都可独立地对入射信号的幅度和相位进行调节。通过各单元的协作，ris可让各反射信号在接收端相干叠加或相干抵消，从而达到改变信道环境、提升系统性能的目的。ris为恶劣信道环境下的无线通信提速提供了新思路。
4.为提升次用户系统性能，ris技术被引入认知无线网络中。然而现有对ris辅助的认知无线网络的研究，往往假设所有用户都处于ris覆盖范围内。在此假设下，ris被同时用于增强次用户信号和抑制主用户处的干扰。然而，在实际网络中，当ris布置于主用户接收机附近，而又远离次用户发射机时，由于路径损耗的影响，ris覆盖范围有限。此时，ris只能用于消除次用户对主用户的干扰，对其性能的预测是现实网络需要解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于ris辅助的认知无线网络中断性能预测方法，与传统分析忽视ris覆盖范围不同，本发明考虑在ris覆盖范围的限制下，采用ris来消除次用户对主用户的干扰，以提升次用户系统性能，导出的次用户中断概率封闭表达式可以精确预测实际系统性能，分析还表明采用适当大地反射单元数就可以显著提升系统性能，且相比于忽视ris覆盖范围的网络，本发明网络可以工作在更低干扰噪声比环境下，这为实际网络设计与优化提供了理论指导。
6.一方面，本发明通过如下技术方案实现，提供一种基于ris辅助的认知无线网络中断性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.s1，对通信系统构建基于ris辅助的认知无线网络模型，写出次用户接收机的接收信号表达式；
8.s2，导出各反射单元的相位取值，并得到此时的接收信噪比表达式；
9.s3，获取ris各反射单元的幅度取值，导出对应的接收信噪比表达式；
10.s4，定义中断概率事件，推导出次用户中断概率理论表达式；
11.s5，通过蒙特卡洛对s4所述次用户中断概率理论表达式进行仿真及理论分析验证。
12.优选的，所述步骤s1所述通信系统还包括单天线主用户接收机、单天线次用户发射机、单天线次用户接收机和具有n个反射单元的ris所组成，主用户发射机位于ris覆盖范围内，而次用户发射机位于ris覆盖范围之外。
13.更优的，所述的通信系统，其特征在于，还包括单天线主用户接收机数量为1，单天线次用户发射机数量为1，单天线次用户接收机数量为1，ris数量为1。
14.优选的，所述方法还包括：把ris的第i个反射单元记为用h
sd
、h
sp
、h
si
和h
ip
分别表示s
→
d链路、s
→
p链路、s
→ri
链路和ri→
p链路的复信道系数，用d
sd
、d
sp
、d
sr
和d
rp
分别表示上述对应链路节点间间距；
15.所有链路信道系数：服从均值为0，方差为1的复高斯随机分布，其中|h
mn
|和∠h
mn
分别是信道h
mn
的幅度和相位，e为常数，j2＝-1为虚数，写出次用户接收机的接收信号表达式：
[0016][0017]
其中，ps是发射功率，x是能量归一化发射信号，n是均值为0，方差为n0的加性高斯白噪声；
[0018]
在最大发射功率约束q和干扰功率约束i
p
下，次用户发射功率表示为：
[0019][0020]
其中，β是路径损耗因子，θi是第i个反射单元的调节相位，α∈(0，1]是第i个反射单元的调节幅度。
[0021]
优选的，所述步骤s2中反射单元的相位取值为：
[0022][0023]
次用户接收机处的信噪比表示为：
[0024][0025]
其中，为平均信噪比，为平均干扰噪声比，报从瑞利分布，服从指数分布，用伽马分布对x2进行近似，x2的概率密度函数表示为：
[0026]
[0027]
其中，γ(
·
)为伽马函数，ρ＝nπ2/(16-π2)为形状参数，为逆尺度参数。
[0028]
优选的，所述步骤s3中，在各反射单元的幅度取值范围内为使得次用户接收机处的信噪比最大，反射单元的调节幅度取值表示为：
[0029][0030]
其中，
①
对应于次用户对主用户的干扰可完全消除的情形，
②
和
③
对应于次用户对主用户的干扰不能完全消除的情形。
[0031]
优选的，所述步骤s4中次用户中断概率定义为瞬时传输速率低于预定速率r的概率，次用户中断概率表示为：
[0032][0033]
其中，pr[
·
]表示事件发生的概率，γ
th
＝2
r-1为信噪比中断门限值，p1对应于次用户以最大发射功率q发射信号，但次用户接收机不能正确解码的情形；p2对应于次用户不能以最大发射功率q发射信号，且次用户接收机不能正确解码的情形，
[0034]
把x1、x2和x3的概率密度函数代入公式(7)中，得到p1表达式：
[0035][0036]
其中，dp(
·
)为抛物柱面函数，
[0037]
把公式(5)代入公式(7)中，得到p2表达式：
[0038][0039]
其中
[0040][0041]
其中，其中，是高斯q函数，
[0042]
把高斯q函数的近似表达式代入公式(10)，可以得到i1的封闭表达式：
[0043][0044]
其中，τ
2i
＝2bic2c3+v，
[0045]
把公式(8)-(11)代入公式(7)，得到最终次用户中断概率封闭表达式。
[0046]
优选的，所述步骤s5蒙特卡洛仿真验算的输入参数包括二维平面网络拓扑、主用户接收机、次用户发射机、ris和次用户接收机的归一化坐标。
[0047]
另一方面，本发明还提供了一种基于ris辅助的认知无线网络中断性能预测系统，其特征在于，包括：模型构建模块，相位导出模块，ris获取模块，中断概率事件定义模块，仿真及理论分析验证模块。
[0048]
优选的，所述模型构建模块用于对通信系统构建基于ris辅助的认知无线网络模型。
[0049]
优选的，所述ris获取模块用于获取ris各反射单元的幅度取值。
[0050]
优选的，所述中断概率事件定义模块用于推导得到最终次用户中断概率封闭表达式。
[0051]
优选的，所述仿真及理论分析验证模块通过蒙特卡洛对次用户中断概率理论表达式进行仿真及理论分析验证。
附图说明
[0052]
图1为本发明流程图。
[0053]
图2为本发明ris覆盖范围内各设备关系图；
[0054]
图3为本发明考虑网络与无ris网络中断概率随信噪比变化性能对比图；
[0055]
图4为本发明考虑网络与无ris网络中断概率随反射单元数性能对比图；
[0056]
图5为本发明考虑网络与其它网络性能对比图。
具体实施方式
[0057]
为了使本领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，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。应该理解，这些描述只是示例性的，并非用于限定本发明的范围。基于本发明的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0058]
如图2所示，所述通信系统由一个单天线主用户接收机(p)、一个单天线次用户发射机(s)、一个单天线次用户接收机(d)和一个具有n个反射单元的ris所组成。主用户发射机位于ris覆盖范围内，而次用户发射机位于ris覆盖范围之外。
[0059]
一方面，如图1所示，一种基于ris辅助的认知无线网络中断性能预测方法，具体包括以下步骤：
[0060]
步骤s1：考虑ris覆盖范围限制，构建基于ris辅助的认知无线网络模型，写出次用
户接收机的接收信号表达式；
[0061]
步骤s2：当ris用于消除次用户对主用户的干扰时，导出各反射单元的相位取值，并得到此时的接收信噪比表达式；
[0062]
步骤s3：讨论ris各反射单元的幅度取值，导出对应的接收信噪比表达式；
[0063]
步骤s4：定义中断概率事件，推导出次用户中断概率理论表达式；
[0064]
步骤s5：通过蒙特卡洛进行仿真，进行理论分析验证。
[0065]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s1中采用ris来消除次用户对主用户的干扰。把ris的第i个反射单元记为记h
sd
、h
sp
、h
si
和h
ip
分别为s
→
d链路、s
→
p链路、s
→ri
链路和ri→
p链路的复信道系数，记d
sd
、d
sp
、d
sr
和d
rp
分别为上述对应链路节点间间距。所有链路信道系数：间距。所有链路信道系数：服从均值为0，方差为1的复高斯随机分布，其中|h
mn
|和∠h
mn
分别是信道h
mn
的幅度和相位，e为常数，j2＝-1为虚数；
[0066]
次用户接收机处的接收信号可表示为：
[0067][0068]
其中，ps是发射功率，x是能量归一化发射信号，n是均值为0，方差为n0的加性高斯白噪声，
[0069]
在最大发射功率约束q和干扰功率约束i
p
下，次用户发射功率可表示为：
[0070][0071]
其中，β是路径损耗因子，θi是第i个反射单元的调节相位，α∈(0，1]是第i个反射单元的调节幅度。
[0072]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s2中为消除次用户对主用户的干扰，反射单元的相位取值需为：
[0073][0074]
此时，次用户接收机处的信噪比可表示为：
[0075][0076]
其中，是平均信噪比，是平均干扰噪声比，报从瑞利分布，报从指数分布，对于x2用伽马分布进行近似，x2的概率密度函数可表示为：
[0077]
[0078]
其中，γ(
·
)为伽马函数，ρ＝nπ2/(16-π2)为形状参数，为逆尺度参数。
[0079]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s3中，为使得次用户接收机处的信噪比最大，反射单元的调节幅度取值可表示为：
[0080][0081]
其中，第一种情况对应于次用户对主用户的干扰可完全消除的情形，其它两种情况对应于次用户对主用户的干扰不能完全消除的情形。
[0082]
作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中次用户中断概率定义为瞬时传输速率低于预定速率r的概率。合并公式(6)中的第一和第二种情况，次用户中断概率可表示为：
[0083][0084]
其中，pr[
·
]表示事件发生的概率，γ
th
＝2
r-1为信噪比中断门限值，p1对应于次用户以最大发射功率q发射信号，但次用户接收机不能正确解码的情形；p2对应于次用户不能以最大发射功率q发射信号，且次用户接收机不能正确解码的情形；
[0085]
把x1、x2和x3的概率密度函数代入公式{7)中，可以得到p1表达式：
[0086][0087]
其中，d
p
(
·
)为抛物柱面函数，
[0088]
把公式(5)代入公式(7)中，可以得到p2表达式：
[0089][0090]
其中，
[0091]
其中，其中，是高斯q函数，
[0092]
把高斯q函数的近似表达式代入公式(10)，可以得到i1的封闭表达式为：
[0093][0094]
其中，τ
2i
＝2bic2c3+v，
[0095]
把公式(8)-(11)代入公式(7)，可以得到最终次用户中断概率封闭表达式。
[0096]
对本发明所导出的次用户中断概率理论表达式进行仿真验证，仿真参数设置如下：考虑一个二维平面网络拓扑，主用户接收机、次用户发射机、ris和次用户接收机归一化坐标分别为(-0.5，0)、(0，0)、(-0.4，0.5)和(1，0)，路径损耗因子β＝2.2，r＝2bps/hz。
[0097]
图3为本发明考虑网络与无ris网络中断概率随信噪比变化性能对比图。从图中可以发现，理论值与仿真值完美匹配，证明了本发明理论表达式的正确性和精确性。此外，还可以看出，本发明考虑网络性能优于无ris网络的性能，这是因为通过采用ris来消除次用户对主用户的干扰，本发明考虑网络中的次用户总是能以更高的功率进行信息传输。
[0098]
图4为本发明考虑网络与无ris网络中断概率随反射单元数性能对比图。从图中可看出，当信噪比γq固定时，随着irs反射单元数n的增加，次用户中断性能开始得到改善，而后随着n的进一步增加(例如，n≥10)，其中断概率趋于一个固定值。其解释如下：当n不太大时，随着n的增加，ris可以消除次用户对主用户的干扰也越来越多，此时，次用户可以采用更大的功率进行信息发送，进而使得其中断性能得到不断改善；然而，随着n的进一步增加，次用户对主用户的干扰可被ris完全消除，次用户将以最大功率q进行信息传输，继续增加n并不能带来次用户性能的提升。
[0099]
图5为本发明考虑网络与其它网络性能对比图。从图中不难发现，当干扰噪声比γi逐渐减小时(对应于系统信道环境不断恶化情况，如，深度衰落、同频干扰严重等)，其它网络性能将急剧衰减至无法通信情况，而本发明考虑网络中断性能却始终保持在可正常工作下的恒定值。这是因为，通过采用ris来消除次用户对主用户的干扰，次用户始终能以最大发射功率q进行信息传输，而其它网络皆不能。对比忽视ris覆盖范围网络的情形，证明了本发明所考虑ris覆盖范围的必要性。
[0100]
另一方面，本发明还提供了一种基于ris辅助的认知无线网络中断性能预测系统，其特征在于，包括：模型构建模块，相位导出模块，ris获取模块，中断概率事件定义模块，仿真及理论分析验证模块。
[0101]
优选的，所述模型构建模块用于对通信系统构建基于ris辅助的认知无线网络模型。
[0102]
优选的，所述ris获取模块用于获取ris各反射单元的幅度取值。
[0103]
优选的，所述中断概率事件定义模块用于推导得到最终次用户中断概率封闭表达式。
[0104]
优选的，所述仿真及理论分析验证模块通过蒙特卡洛对次用户中断概率理论表达式进行仿真及理论分析验证。
[0105]
以上结合附图对本技术的实施方式作了详细说明，但本技术不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本技术原理和精神的情况下，对这些实施方式
进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本技术的保护范围内。