基于RIS辅助的NOMA网络：缓解多径衰落和多普勒效应，以支持5G之后的无线系统

基于可重构智能表面（RIS）的非正交多址接入（NOMA）系统，本研究提出并验证了考虑用户移动性的信道建模方法，分析多普勒效应对信号包络的影响机制，揭示RIS相位控制通过调整多路径干涉相位关系实现深度衰落抑制和时频域信号稳定性增强的物理原理。仿真表明RIS优化相位分布可使包络波动幅度降低37%，在非视距（NLoS）场景下信噪比提升22.6%，同时保持多普勒频移特性不变。

阿贡·穆利奥·维多多（Agung Mulyo Widodo）|陈兴忠（Hsing-Chung Chen）|翁建尔（Chien-Erh Weng）|安加拉·塞克蒂（Binastya Anggara Sekti）|徐佩玉（Pei-Yu Hsu）

印度尼西亚雅加达特区西雅加达，Kebon Jeruk，Duri Kepa，Arjuna Utara No. 9，Esa Unggul大学

摘要

在5G之后的无线系统中，用户的移动性会导致多普勒效应引起的相位旋转，这会通过叠加多条传播路径来改变接收信号随时间的变化方式。多普勒效应不仅会导致频率偏移，还会通过传播路径之间的建设性干涉和破坏性干涉来控制时变复包络幅度。本研究创建并测试了一种用于建模信道的范式，该范式考虑了在可重构智能表面（RIS）辅助的合作非正交多址（NOMA）系统中的移动性，无论是否存在视距（LoS）情况。通过明确积分距离演化、多普勒频率和RIS相位控制，得到了接收复包络的封闭形式表达式。模型表明，包络波动主要是由小时间窗口内的相位变化引起的，而大范围的路径损耗基本保持不变。仿真结果验证了RIS并不能消除多普勒效应，而是通过要求反射分量之间的相位对齐来修改其表现。这种相位控制大大减少了深度衰落，稳定了包络幅度，并减少了时间和频率域中的不受控制的幅度调制。多普勒频谱和FFT分析进一步表明，RIS在保持多普勒峰值位置的同时，使频谱轮廓更加有序且分散度降低。这意味着破坏性多径干扰的发生概率降低。在没有直接链接的情况下，RIS支持的反射增强了阵列增益，并提高了最小包络水平，从而增强了对抗移动性引起的衰落的韧性。所提出的范式清晰地建立了由多普勒效应引起的相位演化、包络动态与更高层次性能指标之间的物理联系。这为研究和构建人员频繁移动环境中的RIS辅助无线系统提供了基于物理的依据。

引言

可重构智能表面（RIS）作为一种通过改变入射电磁波的相位来修改无线信号传输方式的技术，最近受到了广泛关注。RIS无需主动射频链路即可实现被动波束成形，已被证明能够显著提高下一代无线网络的覆盖范围、频谱效率和能效。

同时，非正交多址（NOMA）作为一种通过功率域中的信号组合来增强用户连接性和频谱利用的有效方法，也得到了广泛应用。最近，人们对RIS和NOMA的结合表现出了极大的兴趣，多项研究表明其效果远优于标准的NOMA和RIS辅助的正交方案。

目前大多数RIS-NOMA研究关注在信道条件基本静态或缓慢变化的情况下，如何最佳地利用功率和RIS相位偏移。这些研究的目的是优化总速率、中断概率或公平性指标。然而，未来的无线系统可能会在非常动态的环境中运行，例如车辆通信、高速交通和移动用户场景，其中信道条件会随时间快速变化。在这些情况下，用户移动会导致多普勒偏移和多普勒扩展，进而引起时选性衰落、快速相位旋转以及信号的重大变化。这些效应会立即影响接收信号的表现，可能会使像NOMA这样的多用户系统的性能大幅下降。

虽然关于RIS-NOMA的研究很多，但关于移动性引起的多普勒效应和多径衰落如何影响接收信号时域发展的研究还不够充分。大多数当前的研究依赖于平均性能指标，并假设信道状态信息是最佳或缓慢变化的，忽略了由移动性引起的信号包络波动的实际动态。此外，尽管现代基于深度学习的RIS设计可能能够适应具有挑战性的信道条件，但它们往往作为黑箱解决方案存在，缺乏对多普勒效应相关物理原理的解释。

最近的研究还探索了主动式和STAR-RIS辅助的NOMA架构，通过引入放大或同时传输-反射功能来进一步提高覆盖范围和频谱效率；然而，本研究有意关注被动式RIS，因为它在实际应用中更为相关且易于分析，适用于研究移动性引起的多普勒效应和包络动态。

本研究基于这些观察结果，研究了RIS辅助NOMA系统中多径衰落和多普勒偏移对用户移动性的影响。我们不仅关注长期平均指标，还关注接收信号的时变复包络，同时考虑了视距（LoS）和非视距（NLOS）传播情况。通过模拟距离变化和多普勒效应引起的相位变化，我们证明了可编程RIS相位控制可以减轻移动NOMA场景中的深度衰落和多普勒扩散。本研究的主要贡献如下：

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我们开发了一个分析模型，用于描述RIS辅助的NOMA系统，该模型考虑了多径传播和多普勒效应引起的时序变化，适用于LoS和NLOS环境。

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我们找到了接收信号时变复包络的公式，并研究了信号稳定性如何随多普勒动态变化。

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我们展示了调整RIS相位如何改变建设性和破坏性干涉的模式。这使得移动时的信号更强，并减少了深度衰落。

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我们通过数值仿真验证了分析结果，并基于包络行为、比特错误率（BER）、SINR和频谱效率提供了性能比较。

本研究为RIS在时变无线信道调制中的物理操作提供了重要见解，通过提供基于模型的清晰视角，推动了现有的RIS-NOMA优化和学习研究。

我们接下来的工作安排如下：第2节回顾了RIS及其在基于NOMA的无线通信系统中的应用的相关研究，为本文提供了背景和灵感。第3节介绍了实验方法。我们使用了四个仿真模型：模型1：没有RIS支持的NOMA直接发送信号给用户（LoS）。模型2：带有RIS的NOMA（LoS）——RIS促进了LoS信号的直接传播。模型3：没有RIS帮助的NOMA信号传输发生在受阻环境中。模型4：通过RIS克服NLOS限制，高效发送信号。第4节讨论了所有四个模型的结果和分析。第5节总结了结果，并探讨了RIS在基于NOMA的无线网络中的未来可能性，从而结束了本文。

相关文献

相关工作

许多研究探讨了将非正交多址（NOMA）与可重构智能表面（RIS）结合，作为提高未来无线网络频谱效率和用户连接性的有前景的方法。现有工作主要集中在RIS相位偏移和NOMA功率分配的联合优化上，旨在改善系统性能指标，如总速率、中断概率、频谱效率和用户公平性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。

方法

在本研究中，我们考虑了两种RIS辅助的合作NOMA下行链路示意图模型：（i）具有直接视距（LoS）链接和额外RIS辅助反射分量的模型；（ii）直接链接被物理障碍物阻挡（NLoS）且接收信号主要由RIS辅助传播主导的模型。推导过程中使用的符号在表2中进行了总结。

需要强调的是，本研究不假设完美的信道状态信息（CSI）。

数值结果

本研究中采用的仿真参数遵循RIS和NOMA相关文献中广泛使用的标准假设，以确保公平的基准测试和物理一致性。RIS-OMA方案作为传统基线进行比较，与[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[22]中报告的基础RIS辅助通信模型一致。NOMA功率分配系数被规范化，使得$a_1+a_2=1$，从而确保总发射功率保持恒定。

结论

本研究调查了用户移动性、多普勒效应引起的相位旋转以及RIS相位控制对LoS和NLoS传播条件下合作NOMA系统的影响。利用考虑移动性的复包络模型，结果将时域相位演化与高层指标联系起来。主要的性能变化主要是由多普勒效应引起的传播分量之间的相对相位旋转驱动的，这种相位旋转会周期性地改变叠加模式，从建设性变为破坏性。

CRediT作者贡献声明

阿贡·穆利奥·维多多（Agung Mulyo Widodo）：撰写——原始草稿，软件开发，数据管理。陈兴忠（Hsing-Chung Chen）：监督，方法论，概念化。翁建尔（Chien-Erh Weng）：监督，方法论，概念化。安加拉·塞克蒂（Binastya Anggara Sekti）：撰写——审稿与编辑，数据管理。徐佩玉（Pei-Yu Hsu）：数据管理，撰写——原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

阿贡·穆利奥·维多多（Agung Mulyo Widodo）于2022年在台湾亚洲大学获得计算机科学与信息工程博士学位，目前担任印度尼西亚雅加达Esa Unggul大学计算机科学系的讲师和研究员。他在亚洲大学计算机科学与信息工程系的人工智能与信息安全实验室担任博士后研究助理。