RIS辅助无线通信系统中重传协议影响的物理层性能分析

沙特国王大学学报采用重传协议的RIS辅助无线通信系统物理层性能分析盛浩a，b，c，张虎银ba华中师范大学计算机科学学院b中国武汉大学计算机科学学院国家语言资源监测与网络媒体研究中心阿提奇莱因福奥文章历史记录：接收日期：2022年2022年4月16日修订2022年6月12日接受2022年6月17日在线提供保留字：可重构智能水面（RIS）无线通信（WLC）系统物理层重传协议性能分析A B S T R A C T可重构智能表面（RIS）是构建第六代无线网络最有前途的技术之一。它具有控制电磁响应的能力，从而提高通信性能。目前对RIS辅助WLC系统物理层分析的研究忽略了重传协议的影响此外，RIS辅助的WLC系统没有考虑业务速率和有限的传输缓冲区对分组传输和能量消耗的影响。针对上述问题，本文提出了一个分析RIS辅助WLC系统中重传协议物理层性能的模型在建模过程中，我们首先为RIS辅助WLC系统提供了一个E2E（端到端）传输模型。综合考虑了自动重传请求（ARQ）和混合ARQ（HARQ）等典型重传协议、信道衰落类型、帧持续时间等因素对数据传输然后，通过分析发送端在有限缓冲区和有限业务速率下的排队状态，建立了一个精确的基于上述两个模型，我们推导出了考虑重传协议影响的RIS辅助WLC系统的物理层度量的闭式表达式此外，我们还分析了覆盖范围的约束性能和期望的功率效率的RIS辅助WLC系统的重传协议。最后，我们评估了RIS辅助WLC系统在不同重传协议和系统参数下的性能，并验证了所提出的理论模型。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍随着未来无线通信（WLC）对数据业务速率和方便连接的需求的迅速增加，近年来出现了各种类型的新技术。其中，RIS（可重构智能表面）是最有前途和革命性的解决方案之一，以提高系统的性能。*通讯作者：华中师范大学计算机科学学院，中国.E-mail地址：mikeshao@ccnu.edu.cn，809023460@qq.com（S. Hao）。q 本 工 作 得 到 了 国 家 自 然 科 学 基 金 （ No.61772386 ） 、 国 家 重 点 研 发 项 目（No.2018YFB1305001）和中央高校基础研究基金（No.2018YFB1305001）的资助。KJ02072021-0119）。WLC 的作用（Wang等人，2020; Sena和Nardelli，2020; Lu等人， 2020 年 ; Yu 等人 ， 2020; Zhang 等人 ， 2020; Wijewardena例如， 2021年）。 RIS由电磁材料制成，其可以智能地调节入射波的反射/散射特征以改善接收器处的信号质量，从而实现性能增强（Yu等人，2020;Zhang等人，2020; Wijewardena等人， 2021年 ） 。受 益 于 低 复 杂 性 硬 件 和 友 好 的 成 本 控 制 的 特 性（Wijewardena等人，2021; Wu和Zhang，2020），RIS已被用于第六代（6 G）和第五代（B5 G）WLC的不同领域，包括同时无线信息和功率传输（SWIPT）、无小区（CF）网络构建、UAV（无人机）辅助传输、多输入多输出（MIMO）和非正交多址（NOMA）技术（Wang等人，2020; Sena和Nardelli，2020; Lu等人，2020年;Yu等人，2020; Zhang等人，2020; Wijewardena等人，2021; Yu等人，2019; Wu和Zhang，2020; Huang等人，2020年; Chen等人，2021年; Zeng等人，二零二一年;https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2022.06.0061319-1578/©2022作者。由爱思唯尔公司出版代表沙特国王大学这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。制作和主办：Elsevier可在ScienceDirect上获得目录列表沙特国王大学学报杂志首页：www.sciencedirect.comS. Hao和H. 张沙特国王大学学报5389-Hua等人，2021; Araujo等人，2021年; Cheng等人，2021; Yu等人，2020年）。在WLC系统中，重传协议通常被引入到它们的物理（PHY）层中以增强通信可靠性（Hosseini等人，2020; Ali和Jamshidi，2019）。它允许源站多次发送一个数据包，以提高最终接收的可能性（Hao和Zhang，2020;Hao和Zhang，2021）。然而，回顾目前关于RIS辅助WLC系统的研究（Wang等人，2020; Sena和Nardelli，2020; Lu等人，2020年; Yu等人，2020; Zhang等人，2020;Wijewardena等人，2021; Yu等人，2019; Wu和Zhang，2020;Huang等人，2020年; Chen等人， 2021年; Zeng等人， 2021; Hua等人，2021; Araujo等人，2021年; Cheng等人，2021; Yu等人，2020年; Yang等人，2020年;Yang等人，2020年; Yang等人，2021;Selimis等人，2021年; Ibrahim等人，2021; Cao等人， 2021;Yildirim等人，2021年; Cui等人，2021年; Hu等人，2021;费雷拉例如，2020; Trigui等人，2021; Trigui等人，2021; Lyu和Zhang，2021; Mu等人，2021年; Yang等人，2021;Fu等人， 2021;Nagarajan和Balakrishnan，2021; Kong等人，2021年; Xu等人，2021; Padhan等人，2021; Abdelhady等人，2021年; Naj等人， 2021），他们没有考虑重传协议如何影响传输行为和性能。此外，在这些现有的工作中，没有研究的实际配置，如数据流量率，缓冲区大小和时间帧持续时间的分组传输和能量消耗的RIS辅助WLC系统的影响。在实际应用中，RIS能够放大和转发输入信号，而不需要功率放大器，并且与使用传统中继收发器相比，它可以降低能耗。此外，由于非常低的硬件占用面积，很容易将RIS组件与其他通信设备集成（Wang等人，2020; Sena和Nardelli，2020; Lu等人，2020年; Yu等人，2020; Zhang等人，2020;Wijewardena等人，2021年）。鉴于上述局限性和现实情况，提出一个具有独创性和深刻见解的分析模型，精确测量RIS辅助WLC系统重传协议的物理层性能，指导6G的建设仍然是必要的和有意义的物联网（IoT）系统。1.1. 贡献该文件的核心贡献如下：我们提出了一个有见地的分析模型的物理层性能的RIS辅助WLC系统与重传协议。建模过程分为两个步骤。首先，我们建立了一个端到端（E2E）传输模型的RIS辅助WLC系统使用重传协议。在建模过程中，综合考虑了两种典型的物理层重传协议ARQ（自动请求重传）和HARQ（混合自动请求重传）、同构和异构无线环境下不同的信道衰落类型（包括双Rayleigh（DR）、双Nakagami（DN）和广义级联jl1（Cjl）然后，详细分析了在缓冲区容量和业务速率有限的情况下，发送端的等待状态，并在此基础上提出了一个精确的能量消耗模型，用于评估RIS辅助WLC系统在考虑重传协议影响的情况下根据该模型，我们推导出RIS辅助WLC系统物理层度量1j-l分布一直被用来描述一种广义的信道特征，用于异构无线环境。重传协议，包括丢包率、E2 E有效吞吐量、一个传输周期的期望持续时间、每比特消耗的能量、溢出概率等;我们研究了覆盖范围的约束性能和期望的功率效率的RIS辅助WLC系统与重传协议;我们进行了大量的仿真实验，以验证所提出的分析模型RIS辅助WLC系统在不同的参数设置和重传协议。1.2. 文件纲要本文的其余部分组织如下。在第2节中给出了ARQ和HARQ协议的简要概述。相关工作在第3节中进行了审查。第4节提出了系统模型。第5节分析了边界性能。我们通过第6节中的模拟来验证分析模型。最后，第7节总结了结论。2. 重传协议概述：ARQ和HARQWLC系统的PHY层在ARQ方案中，接收器仅使用在当前尝试中接收的分组，并且丢弃该分组的所有错误接收的副本。错误接收的副本意味着该分组副本是在中断中接收的，即，尝试时间内的信噪比（SNR）小于成功解码所需的最小SNR（Hosseini等人，2020; Ali和Jamshidi，2019）。在HARQ方案中，通过将分组与相同分组的所有先前接收的副本进行最大比组合（MRC），在当前尝试中将成功地接收分组，即，预测的SNR（从第一次尝试到当前尝试）大于所需的最小SNR通常，假设数据分组被发送至多M次。在每次尝试之后，如果分组被错误地接收，则发送器接收确认（ACK）帧，否则接收否定ACK（NACK）帧。如果在最后期限之前没有成功接收到分组，则分组将被丢弃（图1和图2分别示出了使用ARQ和HARQ协议的传输过程3. 相关工作3.1. 传统RIS辅助WLC系统近三年来，研究RIS特性对WLC系统的影响已经成为一项重要的工作。典型地，在Araujo等人（2021）中，作者通过基于信道估计的张量建模方法解决了RIS辅助MIMO系统的接收机设计。在Yang等人（2020）中，Yang等人提出了一个RIS辅助WLC系统的分析模型。利用中心极限定理（CLT），推导出了中断概率和信噪比增益的近似封闭表达式。为了克服CLT的局限性，作者进一步用K-G分布对RIS辅助WLC系统进行了分析（Yang例如，2020年）。该模型能够准确地计算中断概率和信道容量.此外，作者还研究了多个RIS对WLC系统性能的影响（Yang等人，2021年）。在Selimis等人（2021）中，构建了一个理论模型来分析RIS对Nakagami-m衰落下WLC系统的影响。利用逆定理，给出了遍历容量的近似表达式。在Ibrahim等人（2021）中，Ibrahim等人对具有Nakagami-m衰落的RIS进行了精确的覆盖范围分析，其中，●●●●S. Hao和H. 张沙特国王大学学报5390--提出了增强RIS的功率分配和相移的方法。在Fu et al. （2021）中，采用逐次凸逼近方法，使RIS辅助系统中多个单天线用户间的最小传输速率最大化。此外，为了增强分析模型的通用性，作者分别建立了广 义 级 联 j l 和 al 通 道 下 的 RIS 辅 助 WLC 系 统 评 估 模 型（Nagarajan和Balakrishnan，2021; Kong等人， 2021年）。3.2. 其他RIS辅助的IoT系统Fig. 1.采用ARQ协议进行数据传输的情况。图二、使用HARQ协议的数据传输的情况在建模过程中引入了母函数法Cao等人通过添加协商机制来设计用于无线IoT系统的RIS修改的介质访问控制（MAC）协议（Cao等人，2021年）。该MAC协议可以降低客户端的传输功率，提高能量效率。Yildirim等人 为RIS辅助次6GHz无线网络建立通用系统模型（Yildirim等人， 2021），综合考虑了RIS选择策略、路径损耗模式、室内/室外环境和Racian衰落等因素。在Cui et al. （2021），Cui等人利用矩匹配方法为小规模RIS辅助WLC系统提供高精度SNR覆盖分析，其中考虑了实际路径损耗模型。 在Hu et al. （2021），Hu et al. 考虑角度域RIS系统，其中估计有效角度，然后设计BS波束和RIS相移 在Ferreira et al. （2020），作者评估了Nakagami衰落信道上具有不完美相移的大规模RIS辅助WLC系统的性能。在瑞利衰落和保密场景下RIS的相位误差问题也在Trigui等人（2021）中进行了理论描述; Trigui等人（2021）。在Lyu和Zhang（2021）中，作者利用随机几何理论研究了RIS辅助的混合有源/无源无线网络，其中考虑了基站和用户的不规则分布在Cheng et al. （2021），Mu et al.（2021），Yang et al.（2021）傅等人（2021），研究了如何将RIS与多址技术相结合。Cheng等人分析了多个RIS对具有离散相移的NOMA网络的影响Cheng等人，2021年 在Mu等人的研究中， 2021年，作者使用单调优化在三种不同的多址接入协议上部署RIS。 在Yang et al. （2021），基于组合信道强度的用户排序方案同时，一些有意义的研究工作也关注了其他具有RIS的物联网系统（Xu et al.，2021; Padhan等人，2021; Abdelhady等人，2021年; Naj等人，2021年）。在徐等人（2021），作者比较了三维可见光通信（VLC）环境中RIS和DF（解码然后转发）中继之间的性能差异。在Padhan et al. （2021），Padhan et al. 从理论上分析了 RIS 对 基 于 电 力 线 通 信 （ PLC ） 的 智 能 电 网 系 统 的 影 响 在Abdelhady等人（2021）中，作者研究了使用超表面结构和反射镜阵列结构的RIS辅助VLC系统的性能 在Najalan et al. （2021）中，作者对几何和未对准损耗进行了建模，并表征了自由空间光通信系统中RIS的物理参数的影响。如前所述，上述研究没有考虑PHY层重传协议的影响。此外，流量率，中转缓冲区大小和时间帧设置的影响对于RIS辅助的WLC系统，不讨论分组传输和能量消耗。4. 系统模型在这一部分中，我们建立了RIS辅助的WLC系统中重传协议的物理层性能的分析模型（主要结果的符号在表1中给出）。整个建模过程分为两个步骤：（1）建立E2 E传输模型，描述重传协议影响下的传输过程;（2）提供能耗模型，测量重传协议传输1比特所消耗的功率。为了便于分析，该模型依赖于以下假设：(1) RIS辅助的WLC系统具有反射阵列）并且它应用OPS（最佳相移）方案（Yang等人， 2020年）;(2) 发送器T和接收器R之间的直接通信（即，不使用RIS）不会由于堵塞而发生（Yang等人，2020; Ferreira等人， 2020年）（见图3。此外，信道状态信息（CSI）是完美的。(3) 发送器T具有有限的缓冲区大小（表示为K），并且它基于平均速率为k的泊松过程生成数据包（Hao和Zhang，2019; Hao和Zhang，2020）。而且，重传协议所需的数据包副本被立即转发，而不使用T 2的额外缓冲空间。4.1. E2E传输模型4.1.1. E2E渠道模型2通常，生成数据包副本的时间可以忽略不计。S. Hao和H. 张沙特国王大学学报5391--1/1R2¼·：2fg-ΣΣðxÞ¼·x·exp-lð1þjÞxl-1-（--h<$daeii1/1我我我我我f;nuRIS的功率增益和累积功率增益pj在缓冲区中有j个数据包的概率，22我我：不¼·½]½]的一种. Σ我我iDR412不表1与理论模型相关的符号列表。符号定义RIS的元素编号M一个周期的传输尝试次数pT的传输功率N0高斯白噪声的平均噪声功率N<$0;N0<$h所需的最小SNR由方程式2，ai和bi表示信道增益的相应幅度，#i和/i表示信道增益的相位，d1和d2表示TRIS链路和RISR链路的距离（米），v表示路径损失指数。然后，R的瞬时SNRc被导出为（由于OPS方案，我们具有wi-λi-λi/20）jPN a·b·e½jwi-#i-/i]j2·pV VpDR=DN=Cjl双瑞利/双Nakagami/级联j-1衰落类型N2½DR;DN;Cjl]Xi的衰落类型记法（Xi<$ai·bi）¼N0d1d2N0d1d2v ·jPNai·bij2ð3Þr1;r2ai和bi遵循瑞利的尺度参数分布m1;X1m2;X2服从Nakagami分布的ai和bi的尺度参数设Xiai bi，平均EXi 和方差变量Xi 可以代表-怨恨，（E½X]<$E½a]·E½b]x2 fARQ;HARQg指定的重传协议类型Var½Xi]<$Ea2·Eb2-E2½ai]·E2½bi]辅助WLC系统Pxu使用u次尝试的PDPx一个传输周期使用l成功传输的持续时间尝试次数Tf传输故障持续时间E½T]预期一个传输周期T和R之间的Gp有效吞吐量在预期持续时间内，j个数据包到达站点首先，我们考虑RIS辅助的WLC系统在同构无线环境中操作的情况（Mirza等人，2009年），即，A1和B1同时遵循一种典型的衰落类型，例如，Rayleigh或Nakagami分布3.如果Xiaibi遵循双瑞利（DR）衰落，则等式4可以进一步表示为8E½Xi]DR¼p·r1·r2传输周期[Var½X]1/4。4-p2π·r2·r2ð5Þ出发缓冲区中j个数据包的稳定概率E½QL]T的平均队列长度其中r1 和r2 表示a i的尺度参数 和B1，分别如果X¼a·b采用双Nakagami（DN）衰落，则我们有E½W]数据包的平均等待时间POF溢出概率我我我>8Y2.00：052Iu∈：Iu阶第一类修正贝塞尔函数1F1;;汇合超几何函数Marcum-Q函数>>E½Xi]DN¼Cm t0：5XtCðmtÞmt¼1“#ð6Þ>Var½X]我的意思是，我的意思是，我的意思是，Xt-YCmt0：5。Xt0：5iDNt1/2金Mtt1/2CðmtÞmt其中m t和Xt（t1; 2）是i的尺度参数 和Bi。其 次 ， 如 果 RIS 辅 助 的WLC 系 统 在 异 质 无 线 环 境 中 操 作（Yacoub，2007），则ai和bi应该被建模为广义信道衰落类型，因此我们引入了j l分布（Nagarajan和Balakrishnan，2021;Mirza等人，2009; Yacoub，2007）及其概率密度函数（PDF）fj-1 可以写成：2l21fj-ll1jL2J2 expjl·Il-1h2lpjj1xi7图三. RIS辅助WLC系统。设h（或g）是T（或R）与RIS的第i个反射元件之间的衰落系数R处的入射信号可以写为“XN#¼·i·i·我þð Þ其中Il-1是第一类和第1阶的修正贝塞尔函数（Yacoub，2007）。基 于 j l 分 布 的 性 质 ， 我 们 有 j 阶 矩 生 成 函 数 （ MGF ）（Yacoub，2007）E x j ai的 BiE.x j± 1° C。lt 00：5 j exp. -jtltF. l0： 5j;l;jl;tClt11ypHG 公司简介1t. 2019年01月05日星期一tt不不1/1其中wi表示RIS的第i个反射元件引起的相移，n表示服从高斯分布的加性噪声2f1;2g18g其中，jt和lt是ai和bi的尺度参数，1F1;;汇合超几何函数。N0;N0（N0为平均噪声功率），hi和gi分别为：有了这个，E½Xi] CJL（1/2）CJL（C，jl表示级联的j-10： 5vj#i1g¼d-0：5vbe-j/i衰落）可以分别表示为ð2Þi2i3莱斯分布也适合描述均匀无线环境。c¼j1;l1j2;l2ai和bi服从j-l分布的尺度参数4ÞS. Hao和H. 张沙特国王大学学报2>ANVar-nuNPucuð½[[英语泛读材料INp一个人 ->：Var½Xi]@2ININfN1F4@XiNNvar½Xi]NexpfNE½Xi]N2NVar½Xi]NN.NE½Xi]NΣ2pf2我我MMFff1-Q1@pNVarnu@0的情况。½[i]NVar½X]N8岁。ΣiCjl不.歼-29fnnnu2·1/2Xi]N 你好1/2Nvar1/2Xi]N·E½X]¼Ex1N.101nu4>Y2h。Σ- 是的2002年1月1日ðÞ0qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi2ffi1.2Σð14 Þ备注1. J1分布是在异质无线环境中使用的广义物理衰落模型（Mirza等人，因此，nu的CDFFNn：n相应地表示为：2009; Yacoub，2007）。它适用于没有典型分布似乎充分拟合实验数据的情况。此外，委员会认为，它包括，作为特殊情况，莱斯，单侧高斯，威布尔，霍伊特，FN. 努努quNEX21/4-Qu@pNVarX] ;ppnu1A15对数正态分布和其他分布（Yacoub，2007）。换句话说，可以采用级联j -1分布来对ai和bi具有不同衰落类型的情况进行建模（仅调整j和l的值）。基于中心极限定理（CLT）的知识，PN很容易找到Eqs。11，12可以被视为特殊形式的方程。十四十五让cu 是来自第一次传输以企图破坏此传输尝试，即，uj。为第1页使用HARQ协议，通过（应用以下结论）给出pHARQ时延：（Kullback，1959; Hannan，1979），分布，即，N1/1Xi（N（1）高斯等式（十五）五HARQYR不不不XXi~N。NE1/2Xi]N;NVar1/2Xi]N; N2fDR;DN;Cjlg10pru第1页Prbcj-16h·Prbcu>h¼1/1u20q qqq qq q q qq qq qqqqqqqqqqqqq-p13因此，我们认为，的PDFfNNDR DNCjl的功率增益Y41-j-1hN0d1d2dvPN2f：j2f;;g第1页QJ12pNVar;pNVar½Xi]pð16Þf¼i¼1Xi可以近似表示为（N1）（应用0q1非中心X平方分布（NCCS）Horgan和Murphy，2013）：2uNEXQu@p;phN0d1d2vA.-12NVar½Xi]NNVar½Xi]Npf=f/2NVar/½Xi]N·0qfNE[X]-[X.不12ðÞuA5·CJL¼t1/2E x2- E xtIu-1nuuNE½Xi]N½Xi]N·exp-nuuNE½Xi]N2NVar½Xi]N我-0：5S. Hao和H. 张沙特国王大学学报半]作为PDP（x2 fARQ;HARQg），即，MFpIN012第1页2ININ·2Σð11Þ如果一个周期的所有传输尝试失败，则分组将被R丢弃，概率相应地被定义为XPDPARQ1/4-XpARQ1/4PMPr bfcu6hgS. Hao和H. 张沙特国王大学学报RRNð Þ第1进一步整合Eq. 11、累积分布函数NS. Hao和H. 张沙特国王大学学报ELZx Fx dx20R第1页S. Hao和H. 张沙特国王大学学报第1页S. Hao和H. 张沙特国王大学学报(CDF)功率增益f的功率增益f可以推导为：0q11/4FN. hN0d1d2vMð17ÞN NPDPHARQ1/41-XpHARQ1/4YPrbnc6hoS. Hao和H. 张沙特国王大学学报其中Q表示Marcum-Q函数（Kapinas等人，二 ○ ○九年;Mihos等人，2008年;Shnidman，1989年; SimonS. Hao和H. 张沙特国王大学学报和Alouini，2000年）。R第1页S. Hao和H. 张沙特国王大学学报YM2第1页我知道了。ffiffiffiNffiffiffiEffiffi½ffiffiXffiffiffiffiffi]ffiffiffiffiΣffiffi2ffiffiS. Hao和H. 张沙特国王大学学报uqNddv13S. Hao和H. 张沙特国王大学学报当T开始发送其行首（HoL）分组时，4.1.2. 使用重传协议的S. Hao和H. 张沙特国王大学学报¼41-Qu@pNVarS. Hao和H. 张沙特国王大学学报将执行重传协议之一（ARQ或HARQ）在PHY层。设h为保证1的所需最小SNRS. Hao和H. 张沙特国王大学学报成功的传输尝试，并且pxHARQ（x2fARQ;HARQg）是在R处成功接收数据需要u的概率S. Hao和H. 张沙特国王大学学报（u2½1;M]）传输尝试次数。S. Hao和H. 张沙特国王大学学报令T_ACK是ACK帧的持续时间，T_NACK是ACK帧的持续时间。E D是预期的分组持续时间，并且Dt是统计的分组持续时间。