基于NOMA技术的RIS辅助集成传感、通信和能量传输通信系统的电源分配

《IEEE Journal of Microwaves》：Power Source Allocation for RIS-Aided Integrating Sensing, Communication, and Power Transfer Communication Systems Based on NOMA

　　

摘要：

传感、通信和能量传输的集成（ISCPT）已成为一种有前景的范式，用于实现高效能和频谱利用的6G网络。最近的研究表明，传感精度、可实现的速率和收集的能量之间存在相互冲突的设计要求，形成了一个非平凡的权衡区域。然而，现有的集成传感和通信（ISAC）以及同时无线信息和能量传输（SWIPT）方案通常最多只能优化其中两个功能，并且缺乏一个统一的资源分配框架，无法在严格的功率预算下灵活平衡这三个功能。针对这一差距，我们考虑了一种基于可重构智能表面（RIS）的ISCPT系统，该系统采用非正交多址接入（NOMA）来支持多用户连接。在所提出的设计中，RIS以节能的方式重塑无线传播环境，从而增强传感和能量传输性能，而NOMA则提供功率域复用来提高频谱效率和用户可扩展性。我们通过联合优化基站波束成形、RIS相位移动、功率分割（PS）比例以及NOMA解码顺序来构建一个总发射功率最小化问题，同时考虑服务质量（QoS）、基于Cramér–Rao界的传感精度和能量收集约束。由于设计变量之间的耦合，该问题具有高度非凸性。为了解决这个问题，我们开发了一种基于块坐标下降（BCD）的算法，该算法利用半定松弛（SDR）、连续凸逼近（SCA）和交替方向乘子法（ADMM）。仿真结果表明，所提出的RIS辅助NOMA-ISCPT框架显著降低了基站的发射功率，同时在通信可靠性、传感精度和能量传输效率之间实现了有利的权衡。

I. 引言

无线通信技术和物联网（IoT）的普及导致全球连接设备数量空前增长[1]、[2]、[3]。随着第六代（6G）无线网络的逐步形成，它们预计将同时满足超可靠低延迟通信（URLLC）、大规模机器类型通信（mMTC）和智能普适服务的严格要求。为了满足这些多方面的需求，仅仅将通信、传感和能量传输视为独立的功能已经不够了。相反，将它们紧密集成到一个统一的系统中已成为降低硬件成本、提高频谱效率以及实现低复杂度、可持续IoT部署的关键。集成传感、通信和能量传输（ISCPT）范式是一个有前景的解决方案，因为它能够在共同的硬件和波形基础上实现多种功能——环境传感、数据交换和无线能量传输[4]。这消除了对单独基础设施的需求，并允许跨任务进行资源协同优化。然而，这些功能的共存引入了独特的技术挑战，特别是在密集的IoT场景中，无线信道高度相关且空间自由度（DoF）有限，导致用户间干扰增加和系统性能下降[5]、[6]。为了解决这些挑战，引入了非正交多址接入（NOMA）作为关键的多址技术。与传统正交方案不同，NOMA允许多个用户通过功率域分离和连续干扰消除（SIC）共享相同的频谱资源，从而提高频谱利用率和用户连接性[7]、[8]。然而，在实际的ISCPT系统中，实现高性能仍然严重依赖于无线环境，这在静态场景中可能并不有利。虽然RIS已被广泛用于增强通信或仅雷达的ISAC链接，但之前的研究并未利用RIS来共同重塑ISCPT系统中的传感、通信和能量传输信道。现有的RIS-ISAC工作忽略了能量收集约束，而RIS-SWIPT工作则没有考虑基于CRB的传感精度。因此，它们都无法解决实际多设备IoT部署中出现的三维传感-速率-能量权衡问题。我们的工作通过使用RIS作为节能的空间域自由度来共同增强ISCPT信道，而不是孤立地优化每个子系统，从而填补了这一空白。重要的是，RIS提供了节能的环境控制能力，使其特别适合于需要低功耗和动态控制的ISCPT系统。根据理论上的ISCPT性能区域，RIS提供了额外的空间自由度来重塑联合传感-通信-能量传输信道，而不仅仅是优化基站的发射波形。尽管RIS辅助的链接受到双路径损耗的影响，且单静态传感回声会经历二次衰减，但在具有强视距（LoS）分量、适中的基站-RIS和RIS-用户距离以及足够大的RIS孔径的短至中等距离部署中，这些缺陷可以得到有效补偿。典型的应用场景包括室内工厂、购物中心、智能校园和路边单元，其中基站-RIS距离较短，RIS安装在墙上且包含多个元件，目标/IoT用户位于RIS数十米范围内。在这些情况下，级联阵列增益和可控反射超过了额外的路径损耗，使得RIS辅助的ISCPT在实际应用中既可行又具有很高的能效。总之，RIS、ISCPT和NOMA的联合集成不是随意的，而是相互促进的：NOMA通过功率域复用来实现频谱和用户可扩展性，RIS提供环境适应性和能效，而ISCPT将多种功能统一到一个共享框架中。它们的结合创建了一个实用的架构，可以在接近ISCPT权衡边界的情况下运行，同时满足未来6G网络的严格和多样化需求。