用于工业物联网（IIoT）驱动的智能工厂的高效、无需授权的上行链路NOMA技术：结合多IRS（Intra-Relay Set）和旁路中继

《Journal of Web Engineering》：Efficient Grant-Free Uplink NOMA With Multi-IRS and Sidelink Relays for IIoT-Driven Smart Factories

本文提出一种融合智能反射面（IRS）、无 cognition 非正交多址接入（GF-NOMA）和全双工侧链中继（FD-SRs）的工业5.0通信系统模型，采用动态惩罚粒子群优化方法实现多IRS的联合功率与相位调制，在 Nakagami-m 衰落下最大化系统速率，并通过Boeing工厂的实测布局验证，分析IRS位置对工业物联网（IIoT）覆盖与干扰的影响，较传统方案实现最高70%的速率增益。

　　

摘要：

工业5.0需要先进的通信系统来实现智能工厂。这些系统必须确保无缝且可靠的通信，同时实现高效的资源管理。为了解决这个问题，我们提出了一个系统模型，该模型结合了智能反射表面（IRSs）、免授权非正交多址接入（GF-NOMA）和全双工（FD）侧链路中继，以提高可靠性、连接性和频谱效率。在Nakagami-m衰落条件下，采用了一种基于动态惩罚的粒子群优化（DYN-P-PSO）方法来分配多个IRSs的功率和相位偏移，旨在最大化所有设备的总速率。该研究还探讨了IRS定位对改进工业物联网（IIoT）部署中低能力（RedCap）设备通信的影响。结果表明，与传统和可比方案相比，所提出的方法总速率提升了约70%。

引言

向工业5.0的转型强调了需要具备弹性通信能力以支持智能和自主的智能工厂。私有第五代（5G）网络实现了信息物理制造，但未来的工业应用要求更高的可靠性和可扩展性。免授权非正交多址接入（GF-NOMA）[1]允许多个设备通过接收端的连续干扰消除（SIC）共享相同的时间/频率资源。智能反射表面（IRSs）[2]可以动态增强覆盖范围、减轻干扰并提高频谱效率。3GPP Release-17引入了侧链路通信[3]，促进了设备间的通信和多跳连接。全双工（FD）中继[4]通过同时发送和接收来提高频谱效率。此外，低能力（RedCap）设备[5]为工业物联网环境提供了低成本、可靠的连接性。先前的研究[6],[7],[8]分别独立研究了NOMA和IRS在上行链路物联网环境中的应用。将GF-NOMA、多个IRSs和FD-SRs结合起来用于智能制造的研究尚未展开[10]，这为提高功率效率、减少干扰和在密集工业环境中的增强覆盖范围提供了潜力。本工作的主要贡献包括：(i) 开发了一种新的GF上行链路系统模型，整合了多个IRSs和FD-SRs；(ii) 制定了一个同时考虑功率和相位偏移优化的总速率最大化问题；(iii) 结合了3GPP Release-18室内工厂（InF）路径损耗模型[11]和类似波音埃弗雷特工厂[12]的工厂布局进行实际评估；(iv) 分析了IRS和中继放置的影响，并与半双工（HD）和OMA基线进行了比较。