开-关背向散射：NOMA系统中一种RIS赋能的共生方法

《Electronics》：On–Off Backscatter: An RIS-Enabled Symbiotic Approach in NOMA Systems

　　

本文研究了在环境非正交多址接入(NOMA)信号上承载的分段可重构智能表面(RIS)赋能背向散射通信。针对实际硬件中RIS单元反射系数在相位调整的同时连续调节幅值物理上不可行这一问题，该问题与传统共生方法中反射系数幅值在0到1之间连续调节的假设相矛盾，研究人员提出了一种面向共生背向散射NOMA系统的RIS反射单元开-关机制。首先，针对分散的多个终端用户分析了所提系统的共存中断概率与遍历容量，并刻画了高信噪比(SNR) regime下的相应性能边界。此外，提供了蒙特卡洛仿真以验证所提分析框架的正确性。数值结果表明，随着RIS单元数增加，所提开-关机制的传输效能趋近于理想连续调节机制。研究还揭示，所提开-关机制在部署底层RIS赋能共生背向散射系统时，无需同时调节反射系数的幅值与相位，从而降低了反射系数控制复杂度。

研究背景与动机

第六代(6G)移动通信预期通过先进计算与感知能力融合实现巨大技术跃迁，可重构智能表面(RIS)、非正交多址接入(NOMA)与背向散射通信是其中的关键技术。RIS通过动态调节入射信号的幅值与相移来操控无线传播环境；功率域NOMA(PD-NOMA)借助叠加编码与串行干扰消除(SIC)让多用户共享频谱；背向散射通信则通过调制并反射环境射频(RF)信号实现低功耗数据传输。既有RIS赋能共生背向散射NOMA研究大多假设RIS单元反射系数幅值可连续任意调节，但实际硬件中幅值与相位独立连续调节难以实现，这构成落地瓶颈。为此，研究人员在分段RIS（含增强主信号区EP zone与背向散射设备区BD zone）架构下，提出以二进制开-关状态替代连续幅值调节的新机制，仅通过相位补偿与分批激活BD区单元来平衡主链路与背向散射链路增益，从而实现共生传输。该文发表于《Electronics》。

主要关键技术方法

研究人员构建下行多用户场景，主发射机(PT)经分段被动RIS向M个用户发送叠加NOMA信号，EP区固定激活N_EP个单元做相位波束成形，BD区单元幅值固定为1、以批次规模Δ分批开-关激活并辅以相移键控(PSK)调制承载背向散射信号；信道采用独立同分布瑞利衰落并计入路径损耗，忽略直连链路。理论分析上，利用级联瑞利乘积的Gamma分布近似推导共存中断概率(COP)与遍历容量的高SNR渐近表达式，定义基于SIC解码顺序的共生条件，并按首次满足共生批次互斥事件求和得COP；仿真上采用蒙特卡洛方法校验解析界，并对比理想连续幅值机制、OMA及空间相关与莱斯信道扩展情形。

研究结果

1. 2.
   系统模型与共生设计：给出PT发送信号x_s=∑√α_mP_ss_m，用户m接收y_m=√(P_s/N₀)（√G_EP,mx_s+√G_BD,mx_ss_b,m）+n_m，其中G_EP、G_BD为EP/BD级联信道功率增益。开-关机制先固定激活EP区单元保障主信道增益，再分批随机激活BD区单元递增G_BD。共生条件要求高低SNR下G_BD落在由目标SINR与功率分配决定的区间内。
2. 3.
   共存中断概率分析：推导User M（最强NOMA用户）首批激活的COP天花板式渐近式，含上不完全Gamma函数与超几何函数；后续批次在高SNR下新增共生概率趋于零，形成误差平台。User m（弱用户）首批与续批COP渐近式表明增加BD单元数或减小批次Δ可压低平台。
3. 4.
   遍历容量分析：给出User M与User m在首批及续批激活下的条件遍历容量高SNR渐近，User M容量随log(ρ)线性增长、斜率受首批共生概率影响；User m容量在高SNR趋近常数天花板，续批仅改善中低SNR逼近速度。
4. 5.
   可达共生性能：对比理想连续幅值机制，证明on-off机制在N_BD大时离散增益点密化、COP与容量渐近逼近连续机制；NOMA相较OMA（TDMA式三分时隙）在同等帧长带宽总功率下获更高谱效与容量。
5. 6.
   仿真与结果：图证COP平台随N_EP增、Δ减而下降；User 3（M=3）容量斜率随Δ减小变陡；User 1（m=1）容量天花板与式(41)吻合；on-off与连续机制差距随N_BD增大消失；NOMA优于OMA。
6. 7.
   扩展与讨论：空间相关信道下相关系数小则容量近解析界、相关性强且N_BD小时低中SNR有增益但大N_BD时效应减弱；莱斯信道视距分量提升容量偏移但不改高SNR斜率；控制比特上on-off仅需N_BD位（或分批?N_BD/Δ?·?log₂(N_BD+1)?式）远少于连续幅值B·N_BD位，相位CSI开销两者共用。

讨论与结论翻译

讨论部分指出，所提on-off机制以二进制状态取代连续幅值调节，在相位对齐CSI上与连续机制开销同源，计算复杂度为O(Q)（Q为激活尝试批数）而非连续机制单次O(1)判定，但幅值控制位与状态写入显著减少；空间相关与莱斯扩展仿真表明解析瑞利界仍为中低相关下的有效基准。结论部分译文如下：本文针对RIS分段背向散射NOMA系统提出一种RIS单元动态激活的开-关机制，以解决相位波束成形下幅值连续调节不可行的硬件限制。通过BD区单元分批渐次激活调节背向散射信道功率增益直至建立共生传输，研究人员推导了高SNR下渐近共存中断概率与遍历容量，并证得其性能被理想连续机制所界定。蒙特卡洛仿真校验了解析框架，数值结果显示所提开-关机制传输效能在RIS单元数充足时逼近理想连续机制，且因毋需幅相联合调节而更利实际部署。