优化B5G中的IRS（干扰源定位系统）布置与元件配置：一种新型的协作混合通信系统

《Results in Engineering》：Optimizing IRS Placement and Element Configuration in B5G: A Novel Cooperative Hybrid Communication System

提出一种结合智能反射面（IRS）和中继协助的协作混合通信系统，通过两阶段传输优化信号路径，提升覆盖和能效。系统实现直接、IRS反射及中继辅助的三路径信号传输，并开发联合优化算法确定IRS位置与反射元配置，在MISO-NOMA和MISO-OMA场景下显著优于传统架构，在40 dBm发射功率下实现49.80 bits/s/Hz总和率及16.60 bits/Joule能效。

　　
本文提出了一种新型协作混合通信系统，通过整合智能反射面（IRS）和中继协作技术，旨在为下一代无线网络（B5G）提供超可靠、高容量和能效优化的解决方案。系统通过直接传输、IRS反射和中继辅助的三路径协同机制，显著提升信号覆盖和传输可靠性。研究重点包括多场景系统建模、联合优化算法设计以及性能对比分析。

### 研究背景与问题陈述
传统无线系统多采用单一技术路径，如纯中继辅助或仅依赖IRS反射，存在显著局限性：
1. **路径依赖性**：单一传输路径易受多径衰落和障碍物遮挡影响，导致信号质量不稳定
2. **资源利用效率低**：传统中继系统在功率分配和频谱复用方面存在优化空间
3. **能效瓶颈**：现有方案在能效转换（bits/Joule）方面表现不足，难以满足绿色通信需求

研究团队发现，将IRS的被动波束成形与中继的主动协作结合，可形成互补优势：
- **IRS反射路径**：利用毫米波频段（3GHz）实现低成本广域覆盖，反射效率达90%以上
- **中继协作路径**：通过半双工解码-转发机制，增强深度覆盖区域的信号穿透力
- **双模传输策略**：在NOMA（非正交多址）与OMA（正交多址）间动态切换，兼顾频谱效率和用户公平性

### 核心创新与技术路径
#### 系统架构设计
构建包含基站（A）、中继（R）、IRS（I）和移动用户（D）的四节点网络拓扑，通过以下传输路径实现多维度覆盖：
1. **直接路径**：基站→用户（A→D）
2. **IRS反射路径**：基站→IRS→用户（A→I→D）
3. **中继辅助路径**：基站→中继→用户（A→R→D）
4. **联合反射路径**：基站→IRS→中继→用户（A→I→R→D）

#### 优化算法突破
提出两种协同优化算法，解决传统系统存在的三大痛点：
1. **位置-配置联合优化算法（Algorithm 2）**
- **多目标优化**：同时优化IRS物理位置（经纬度）、反射单元数量（N_e）和相位调制策略
- **动态约束处理**：在固定速率阈值（R_min-R_max）下，通过遗传算法实现：
- IRS水平定位误差≤5%
- IRS垂直高度定位精度达±2m
- 反射单元数量动态调整范围：200-1600个
- **能效平衡机制**：采用动态功率分配策略，在保证速率达标的前提下，将总功耗降低至基准系统的35%-50%

2. **快速部署优化算法（Algorithm 1）**
- **快速定位技术**：基于网格搜索与梯度下降结合，定位时间缩短至传统算法的1/3
- **自适应反射配置**：通过预置相位矩阵（Φ）和幅度系数矩阵（η），实现反射波束的实时调优
- **硬件兼容性设计**：兼容现有4G/5G基站设备，仅需在IRS节点增加低成本反射芯片（每单元成本<50美元）

#### 多场景性能验证
在MISO-NOMA和MISO-OMA双场景中，通过仿真平台（含3种传输模式：SISO、MISO-NOMA、MISO-OMA）进行对比测试，关键发现包括：
1. **速率性能**
- **NOMA场景**：在40dBm发射功率下，新型系统达到49.80bits/s/Hz，较中继主导型提升24.7%
- **OMA场景**：通过正交时隙分配，用户峰值速率达18.5Gbps（理论极限值）
- **IRS单元数量效应**：每增加200个反射单元，速率提升约12-15%（当N_e>800时边际效应减弱）

2. **能效表现**
- **综合能效（EE）**：NOMA场景下达16.60bits/Joule，较传统中继系统提升5-8倍
- **动态能效调节**：在用户距离从50m增至500m时，通过智能功率分配系统保持EE波动≤15%
- **能效增益来源**：
- IRS反射路径减少30%的基站发射功率需求
- 中继协作降低40%的信号反射损耗
- 智能信道选择算法（基于用户分布动态调整）减少20%的干扰

3. **覆盖扩展性**
- **深度覆盖**：通过中继协作，实现1500m半径内的98%信号覆盖率
- **广域覆盖**：IRS反射路径使边缘用户（>500m）速率衰减仅15%，优于传统中继的40%衰减
- **垂直覆盖**：IRS垂直安装高度优化至200-500m区间，实现穿透建筑物（20-30m）场景的稳定通信

### 关键技术突破
1. **多路径协同机制**
- 独创三路径动态切换算法，在SISO场景下实现路径冗余度提升40%
- 中继与IRS协作时延降低至2ms（传统方案需8-12ms）

2. **智能反射优化**
- 开发相位-幅度联合优化矩阵（Φ, η），反射效率达92%
- 引入环境感知算法，根据障碍物分布动态调整反射相位（定位精度±0.5°）

3. **能效优化体系**
- 建立功率-速率-距离三维优化模型，在保证速率≥R_min的条件下：
- 峰值能效提升至18.7bits/Joule（在40dBm发射功率）
- 平均功耗降低至2.3W（传统系统需5.1W）

### 性能对比与产业价值
| 指标 | 新型系统 | 中继主导型 | 传统IRS方案 |
|---------------------|----------|------------|-------------|
| **峰值速率（MIMO-NOMA）** | 49.80 | 37.20 | 28.45 |
| **能效（bits/Joule）** | 16.60 | 11.32 | 7.85 |
| **覆盖半径（dBm）** | -85 | -72 | -63 |
| **部署成本（美元/km）** | 850 | 1200 | 950 |

### 应用前景与扩展方向
1. **智慧城市通信**
- 在高层建筑群中，通过IRS部署实现信号穿透率>85%
- 中继协作可减少30%的基站部署密度

2. **工业物联网（IIoT）**
- 支持多设备协同（>500节点同时连接）
- 紧急场景下通过中继路径保障通信连续性（中断时间<1s）

3. **未来研究方向**
- 多IRS协同优化：研究3-5个IRS组网时的性能边界
- AI驱动自适应：引入联邦学习实现跨基站协同优化
- 抗量子干扰：探索量子密钥分发（QKD）与现有架构融合

### 结论
本研究验证了IRS与中继协作的协同效应，通过位置-配置-功率三维优化模型，在保持设备兼容性的前提下：
- 速率性能提升：较传统系统最高达58%
- 能效优化：综合能效提升2.3倍
- 成本效益：部署成本降低28.3%

该系统已通过3GPP B5G验证测试，实测数据表明在典型城市环境中：
- 室内信号强度提升12dB（从-75dBm至-63dBm）
- 用户设备功耗降低45%（从2.1W至1.2W）
- 系统容量密度达1.8Tbps/km2

研究成果已申请7项国际专利，并在IEEE 802.21标准讨论会上形成技术提案，为B5G标准制定提供了重要参考。