智能反射面辅助的反向散射通信信道的传播模拟.pdf
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1、智能反射面辅助的反向散射通信信道的传播模拟余洪鑫冯菊*杜伟廖成(西南交通大学电磁场与微波技术研究所成都610031)摘要:为了解决引入智能反射面(IRS)后反向散射通信(BackCom)信道的传播模拟问题,该文提出一种基于抛物方程(PE)和矩量法(MoM)的高效混合数值方法。该方法将电大场景下IRS辅助信道的传播建模问题分解为电波传播与电磁散射两个子问题,分别采用PE和MoM进行求解。通过对视距和非视距场景下IRS辅助的信道进行模拟,探讨了PE-MoM混合求解技术的高效性。仿真结果表明,与MoM相比,所提算法的计算速度提升了6.46倍,计算资源消耗也下降了81%,且相对均方根误差仅为3.89%
2、。对比结果表明所提出的PE-MoM方法能够在兼顾计算精度和计算效率的同时,实现IRS辅助的BackCom信道的传播模拟。关键词:反向散射通信;智能反射面;信道建模;电波传播;抛物方程中图分类号:TN011;TN914文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)07-2317-08DOI:10.11999/JEIT221195Propagation Modeling of Backscatter Communication Channels Assistedby Intelligent Reflecting SurfaceYUHongxinFENGJuDUWeiLIAOCheng(In
3、stitute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:TomodeltheradiowavepropagationwithinchannelsofBackscatterCommunication(BackCom)systemswithIntelligentReflectingSurface(IRS)included,anefficienthybridmethodbasedontheParabolicEquation(PE)methodandMethodofMoment(Mo
4、M)isproposedinthispaper.ThepropagationmodelingofIRS-assistedchannelsinelectrically-largescenariosisconsideredinthismethodthroughaspectsofradiowavepropagationandelectromagneticscattering.ThetwoaspectsarethennumericallysolvedbythePEmethodandMoM,respectively.ThroughsimulationsofIRS-assistedchannelsinli
5、ne-of-sightaswellasnon-line-of-sightscenario,theefficiencyofthePE-MoMhybridmethodisdemonstrated.Simulationresultsshowthatthecomputationalspeedoftheproposedalgorithmis6.46timesfasterthanthatofMoM.Meanwhile,thecomputationalresourceconsumptionisalsoreducedby81%withtherelativerootmeansquareerrormaintain
6、edas3.89%.ThecomparisonofresultsshowsthattheproposedPE-MoMhybridmethodcanrealizethepropagationsimulationoftheIRS-assistedBackComchannelswithabettertradeoffbetweenthecomputationalaccuracyandcomputationalefficiencyachieved.Key words:BackscatterCommunication(BackCom);IntelligentReflectingSurface(IRS);C
7、hannelmodeling;Radiowavepropagation;ParabolicEquation(PE)1 引言反向散射通信(BackscatterCommunication,BackCom)作为物联网无线设备可持续问题的潜在解决方案,自1948年Stockman1首次提出Back-Com概念以来,已受到越来越多的关注与重视2。BackCom常应用于射频识别系统,受双重路径损耗的影响,其有效通信距离短,且需要配置特定射频源3。后来学者又提出了双站反向散射(BistaticBackscatterCommunication,BBC)、环境反向散射(AmbientBackscatterCo
8、mmunication,AmBC)等新型反向散射通信技术4,5。其中BBC通过在标签附近放置载波发生器以减少路径损耗进而扩大通信范围,AmBC则利用周围环境中已有的射频(RadioFrequency,RF)信号(电视信号、Wi-Fi信号等)来触发通信。然而,在实际的应用场景中,收稿日期:2022-09-14;改回日期:2022-11-24;网络出版:2022-11-28*通信作者:冯菊fengju-基金项目:国家自然科学基金(62271416),四川省自然科学基金(2022NSFSC0494)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundation
9、ofChina(62271416),TheNaturalScienceFoundationofSichuanProvince(2022NSFSC0494)第45卷第7期电子与信息学报Vol.45No.72023年7月JournalofElectronics&InformationTechnologyJul.2023往往存在强烈的直接干扰(Direct-LinkInterfe-rence,DLI)、障碍物的阻挡以及未知信道信息等各种环境影响因素,使得BackCom系统的信号覆盖和检测性能提高方面仍然受到了极大的限制。智能反射面(IntelligentReflectingSurface,IRS)的
10、出现为提升未来无线系统的能效及改善通信性能提供了一种全新的经济有效的解决方案6。在无线传播环境中,IRS可以通过控制部署的大量无源单元,使电波入射IRS后可获得预期的反射、透射波,以优化无线通信。IRS可以灵活部署于无人机、灯杆、标牌、建筑物等表面,有助于减弱障碍物遮挡造成的阴影效应,消除RF信号的覆盖盲区,增强BackCom设备与标签间的链路信道增益。此外,还可通过无源波束赋形技术实现无线信道的精确调控,抑制DLI和用户间干扰,有效提高接收端信干比7。与此同时,IRS的引入也给BackCom信道的传播建模带来了新的挑战。近年来,已有学者对基于IRS辅助的通信信道建模技术进行了一些工作。基于远
11、场假设,文献8提出了采用物理光学法的路径损耗模型,证明了多个独立漫散射体组成的IRS可以在期望方向上进行波束形成。文献9则将IRS单元划分为若干子集,通过求解电场和磁场积分方程解析子集对无线信道的影响。Zhou等人10提出了一种双路径传播模型,同时考虑了从源至接收机的直接路径和由IRS建立的辅助路径的电波传播问题。Sarkar等人11采用矩量法(MethodofMoment,MoM)对包含IRS在内的自由空间通信链路的路径损耗进行计算和分析。然而在实际的应用场景中,空间电磁波将受到地面、障碍物等环境因素的扰动而产生反射、散射和绕射效应,这使得IRS处入射场变得极为复杂,无法通过简单的平面波或方
12、向图源进行表述,上述基于自由空间假设的信道建模方法不再适用。文献12为实现实际场景传播链路分析,以传统射线追踪模型为基础,通过为每个反射单元配置期望的反射角及相位来实现IRS反射场的计算。然而,IRS单元对入射电磁波并非单独响应,单元间互耦将对IRS通信信道传播模型产生重大影响13。因此,现有文献中多采用电磁全波算法对IRS完整散射特性进行分析,进而创建可考虑耦合效应的IRS辅助通信信道传播模型11,14。然而,对于包含建筑物在内的电大尺度通信场景,全波分析方法将耗费极其庞大的计算资源,在很多实际应用中甚至无法实现。因此,为了满足IRS辅助的BackCom信道建模精度的同时保证计算效率,本文提
13、出一种基于抛物方程(ParabolicEquation,PE)法和矩量法结合的信道传播模型15,16。本方法将电波传播问题与电磁散射问题相互融合,分别采用抛物方程法和矩量法进行求解。抛物方程法计算速度快且资源消耗少,适合电大尺度场景电磁模拟,在诸如城市、郊区、山区等电大场景的电波传播计算问题上已取得丰硕的研究成果1719;而矩量法属于全波分析方法,通用性强,计算精度高,适合如IRS等“设备级”电磁求解。两者相互结合后,能够兼顾计算效率与精度,实现城市小区等电大尺度场景中通信信道传播建模。本文第2节对所提混合方法及其实现进行介绍;第3节仿真分析了视距与非视距情况下的IRS辅助通信问题,首先在视距
14、无障碍物场景算例中与MoM进行对比,验证了所提方法的正确性;再以非视距场景算例在计算速度、计算精度、计算资源消耗情况等方面探讨了本文所提传播模型的高效性;第4节总结全文。2 传播模型如图1所示,本文所提混合算法将整个计算空间划分为环境区域(PE区)和设备区域(MoM区),分别采用双向抛物方程和MoM进行建模与电波解算,并在两个区域的交接面实现两种方法的数据交换。双向矢量抛物方程负责含电大、超电大尺寸障碍物环境的建模19;MoM区内含于PE区中,采用基于RWG(Rao-Wilton-Glisson)基函数的MoM算法对IRS等进行精确建模16。以图1所示场景为例,PE-MoM传播模型的具体的仿真
15、流程如图2所示,其主要过程为:(1)当初始场给定后,应用抛物方程法前向步进至交接面2处,并得到交接面1处的场分布,若遇见障碍物,则需计算并保存后向场,待抛物方程后向步进至该位置处时将其叠加至后向步进场19;(2)将上一步保存的交接面1上的场通过亚网格技术步进至交接面220,获得MoM区电磁场的精细分布,继而将电磁场数据传递至MoM算法,利用MoM完成IRS的电磁散射求解;图1PE-MoM传播模型3维几何示意图2318电子与信息学报第45卷(3)将MoM算法结果传递至两个交接面,输入PE算法中,作为前向和后向PE的初始场,分别步进计算至前后向接收端。至此,即可得到整个计算空间的电磁场分布,进而可
16、以获取相应的信道信息。值得注意的是,在PE经过MoM区时均假定MoM区内无任何物体。在PE-MoM算法运行时,关键在于抛物方程法与矩量法间的耦合过程。该过程主要分为前向PE到MoM和MoM到双向PE两部分,且分别在MoM区和两个交接面上完成过渡。但是,由于PE算法采用均匀矩形网格对计算空间进行离散,而MoM需对目标进行表面三角面元剖分。故需解决两个区域间的网格不匹配及数值兼容性问题,网格剖分方案如图3所示。两个算法数据传递过程为:(1)假设MoM区无任何目标,应用前向PE计算至交接面2处,并得到整个MoM区内入射场分布。在MoM区内采用三线性插值技术获得目标表面入射场,并将其传递给MoM算法,
17、实现PE到MoM的转换。(2)由MoM解算得到目标散射场,确定两个交接面上的散射场分布,将其传递给PE算法,完成MoM至PE的转换。其中,在交接面1处生成后向PE初始场,使其后向步进至交接面1左侧接收端;而在交接面2处需将目标散射场与原入射场叠加以实现PE前向场的修正,再用修正后的场继续前向步进至交界面2右侧接收端。其中,考虑到PE-MoM算法的计算精度与效率,需要注意以下4个方面。(a)PE和MoM同属频域算法,且MoM结果为电磁场值,故在整个PE区中模拟的实体为电场和磁场分量,PE无需进行场与矢量位间的转换19。PE和MoM通过传递电磁场值直接通信。(b)PE网格为矩形,为了考虑大角度电磁
18、场分量,通常需设置步进面网格边长为半波长。MoM网格为三角形,为保证算法精度,RWG-MoM算法的面元边长通常需小于0.1个波长。这就使得两种算法间的网格难以匹配。故本文采用了亚网格技术实现目标表面入射场的精确求解20。如图3所示,当步进至MoM区时,PE算法将在MoM区采用更加精细的亚网格,其网格步长为0.1个波长,并收缩步进步长至0.1个波长。待获取精细的电磁场分布后,通过三线性插值获得目标表面入射场。如图4所示,三线性插值可通过在x,y,z方向上共进行7次线性插值实现,线性插值公式为图2PE-MoM传播模型仿真流程图图3网格剖分示意图图4三线性插值示意图第7期余洪鑫等:智能反射面辅助的反
19、向散射通信信道的传播模拟2319f(x)=f(x0)+(x x0)f(x1)f(x0)x1 x0=f(x0)(x1 x)+f(x1)(x x0)x1 x0(1)先在x方向上对4条棱边进行4次线性插值,得到每条边上的4个点的值u00,u01,u10,u11,然后在y方向上对这4个点进行插值得到中间两点的值u0,u1,最后于z方向上插值得到待求点(x,y,z)处场值u。3个方向相应的插值公式分别为x:u=u0(1 x x0 x)+u1x x0 x,=00,01,10,11y:u=u0(1 y y0y)+u1y y0y,=0,1z:u=u0(1 z z0z)+u1z z0z(2)x=x1 x0,y=
20、y1 y0,z=z1 z0其中,为PE网格步长。(c)由于MoM区处于近地位置,这里可以采用镜像原理考虑地面对目标散射场的影响。(d)MoM到PE的转换中,由于MoM可将计算出来的表面电流密度代入积分方程,求出任意空间位置上的散射场,故可直接获得交接面任意格点上的目标散射场,无需插值操作即可完成转换。另外,为了避免交接面的边界截断造成PE后续计算中出现电磁波的非物理反射,需在交接面的边界上加载吸收窗。为方便起见,这里选择和PE相同的Hamming窗。3 数值算例3.1 视距无阻挡场景IRS信道本文首先应用PE-MoM混合传播模型对图5所示几何进行建模,该算例假设仅存在IRS,信道没有任何墙壁或
21、障碍物的阻挡。并将仿真结果与MoM(全波方法)结果进行对比,以验证所提传播模型的正确性。算例1设置:信道模拟频率为2.45GHz;IRS垂直放置于地面上方,与x或y轴呈45夹角,其几何中心位于(1.5m,1.5m,0.5m),IRS由88个正方形贴片单元和大小为0.548m0.548m的地板组成,阵元周期68.5mm,贴片单元边长由左至右为(0.45,0.517,0.1,0.267,0.35,0.372,0.387,0.4)个z=y=0.05 mx=0.1 mx=y=z=0.01 m波长,其呈梯度分布(如图5(b)所示);辐射源以全向偶极子为代表,如图5红色箭头所示,位置矢量为(2m,1m,2
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