智能反射面辅助的全双工协作NOMA系统在Nakagami-m信道下的性能分析与覆盖增强研究

本文针对第六代无线网络中小区边缘用户覆盖难的问题，创新性地将智能反射面(IRS)技术与非正交多址接入(NOMA)和协作全双工中继(CFR)相结合，提出了一种下行IRS辅助的CFR-NOMA方案。研究团队在Nakagami-m衰落信道下，通过理论推导得出了该方案中断概率(OP)的闭合表达式和渐近性能，发现增加IRS反射单元数量可显著降低边缘用户中断概率，提升网络覆盖。该工作为未来无线网络的高可靠传输提供了新的技术路径。

在第六代(6G)无线网络蓬勃发展的今天，如何有效扩展网络覆盖范围并提升边缘用户的通信质量，成为制约未来通信技术发展的核心难题之一。传统蜂窝网络中，位于小区边缘的用户设备(UD)由于距离基站(BS)较远、信号衰减严重，常常面临通信质量差、数据传输不可靠的困境。尽管协作中继和新型多址技术已被广泛研究，但频谱效率低、硬件复杂度高、能量消耗大等问题依然突出，迫切需要一种能同时兼顾高可靠性、高能效和高谱效的创新解决方案。

近年来，智能反射面(IRS)技术犹如一匹黑马，为无线通信领域带来了革命性的想象空间。这种由大量被动反射元件组成的智能超表面，能够通过软件动态调控电磁波的相位和幅度，从而智能地重构无线传播环境。与需要主动放大信号的传统中继相比，IRS以无源的方式工作，几乎不引入额外的硬件成本和能量消耗，并且可以天然地工作在全双工(FD)模式而无需处理复杂的自干扰(SI)消除问题。另一方面，非正交多址接入(NOMA)技术允许不同用户共享相同的时频资源块，通过功率域复用显著提升频谱效率。将协作中继概念引入NOMA系统形成的协作NOMA(CR-NOMA)，让信道条件较好的小区中心用户充当解码转发(DF)中继来协助边缘用户，进一步增强了系统的分集增益和公平性。然而，现有的IRS辅助CR-NOMA研究多集中于半双工(HD)或带外FD模式，未能充分发挥IBFD的频谱潜力，且对系统传输可靠性的理论分析，特别是在通用的Nakagami-m衰落信道下的性能评估，尚属空白。

为了解决上述问题，发表在《IEICE Transactions on Communications》上的这项研究，深入探讨了一种下行链路IRS辅助的协作全双工NOMA(CFR-NOMA)方案。该研究最大的创新点在于，它将IRS的智能波束成形能力、NOMA的频谱高效特性以及IBFD中继的“同时同频收发”优势三者深度融合。研究团队设定了一个典型的通信场景：基站与一个小区中心用户(N)之间存在直接链路，而一个小区边缘用户(F)则因距离过远或物理遮挡，无法与基站及用户N直接通信。在此场景下，用户N作为一个采用单天线共享结构的IBFD中继，在接收基站发送的叠加信号的同时，将解码后的边缘用户信号通过IRS转发给用户F。IRS则通过优化其每个反射单元的相移，将用户N发送的信号能量精准地聚焦到用户F方向，从而极大地增强了边缘链路的信号质量。

为了评估所提方案的可靠性，研究人员开展了一系列严谨的理论推导和仿真验证。他们首先分析了IRS参与链路的信道统计特性，进而精确推导出了小区中心用户N和边缘用户F的中断概率(OP)闭合表达式。为了更深入地理解系统在高信噪比(SNR)下的极限性能，研究还进行了渐近分析，并得到了分集阶数这一关键指标。理论分析揭示了一个重要现象：当基站发射功率P足够大时，边缘用户F的中断概率会收敛于一个错误平台（即不再随功率增加而下降），这个平台值主要受IRS单元数量K、中继用户N的发射功率P₁以及Nakagami衰落参数的影响。此外，分析表明，增加IRS的反射单元数量能够显著降低中断概率，尤其是在高SNR区域，这对扩展网络覆盖范围具有至关重要的意义。

本研究主要采用了系统建模与性能分析、理论推导（包括中断概率闭合表达式和渐近分析）以及蒙特卡洛仿真验证等关键技术方法。所有通信链路均假设经历Nakagami-m衰落，以模拟更一般的传播条件。通过优化IRS相移实现波束成形，并考虑了IBFD中继存在的残余自干扰。

系统模型与传输方案

研究考虑了一个由基站、IRS以及一对用户（小区中心用户N和小区边缘用户F）组成的下行链路系统。用户N作为IBFD解码转发中继，在接收基站信号的同时，将解码后的用户F信号通过IRS转发。IRS由K个反射单元构成，通过优化相移矩阵Θ来增强到达用户F的信号。基站采用NOMA协议广播叠加信号，用户N首先通过串行干扰消除(SIC)解码用户F的信号，然后再解码自身信号。

性能分析

信道统计：研究首先分析了经过IRS优化波束成形后的N-IRS-F复合链路的信道统计特性，推导了其信噪比(γ_F)的累积分布函数(CDF)在低信噪比和高信噪比下的近似表达式，为后续中断概率分析奠定了基础。

中断概率：基于NOMA协议和DF中继模式，分别推导了用户N和用户F中断概率的精确闭合表达式。用户N发生中断的条件是无法成功解码用户F的信号或无法成功解码自身信号。用户F发生中断的条件是用户N解码F的信号失败，或用户F自身解码失败。

渐近中断概率：在高SNR区域对中断概率进行了渐近近似，并分析了分集阶数。分析结果表明，用户N的分集阶数为m_N（BS-N链路的Nakagami参数），而用户F的分集阶数为零，其OP在高SNR下趋于一个由IRS单元数K、中继功率P₁等参数决定的常数下限。

数值结果

仿真结果与理论分析高度吻合，验证了推导的正确性。

OP与发射功率P的关系：如图2所示，用户N的OP随P增加持续下降，而用户F的OP在低SNR时下降，但在高SNR时趋于一个稳定值（错误平台），这与理论分析一致。增加IRS单元数K能显著降低用户F的OP及其错误平台。

高SNR近似验证：如图3所示，在高SNR下，理论分析得到的中断概率渐近曲线与仿真结果紧密吻合，验证了渐近分析的正确性，并直观展示了用户N的分集阶数为1，用户F的分集阶数为0。

Nakagami参数m的影响：如图4所示，增加m值（意味着信道条件更好）能改善系统性能，但对用户F的高SNR性能平台无影响，因为该平台主要由N-IRS-F链路决定。

IRS单元数K和相位偏移优化：如图5所示，用户N的OP不受K影响。用户F的OP随K增加而降低，但增长到一定程度后收益减弱。IRS采用最优相位偏移相比随机相位偏移能带来显著的性能增益。所提方案在多数情况下优于传统的正交多址(OMA)方案。

非理想因素影响：图6和图7分别分析了残余自干扰(SI)和信道状态信息(CSI)不完善的影响。SI越严重，用户N和F的OP性能越差，但SI对用户F的影响在高P时减弱。信道估计误差会降低系统性能，对用户F的影响尤为明显。

与现有方案对比：如图8所示，将所提IRS辅助CFR-NOMA方案与常规CFR-NOMA方案（依赖直接链路）对比，用户N性能相当，而用户F的性能随着IRS单元数增加，可以达到甚至超过常规方案中具有直接链路的性能，证明了该方案在覆盖盲区用户方面的巨大潜力。

综上所述，这项研究通过严谨的理论分析和充分的仿真验证，系统地评估了IRS辅助CFR-NOMA系统在Nakagami-m衰落信道下的可靠性性能。研究结论明确指出，通过智能地融合IRS、IBFD中继和NOMA技术，可以有效地扩展对小区边缘用户的覆盖，提升其服务质量和传输可靠性。特别是在高基站发射功率下，即使直接链路不可用，通过部署足够多单元的IRS，也能为边缘用户提供稳定的通信保障。该工作不仅为未来无线网络的设计提供了重要的理论依据和性能评估框架，也揭示了智能反射面在构建高可靠、高谱效、广覆盖的6G通信系统方面的巨大应用潜力。研究成果对推动B5G/6G关键技术发展，特别是在解决远距离通信和盲区覆盖等实际工程问题方面，具有重要的指导意义。