基于RIS 相位一致性算法的数据通信时延分布建模与最优调控.docx

中国科学:信息科学2025年第55卷第2期:388–400

SCIENTIASINICAInformationis

论文

论文

《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS

crossMark

基于RIS相位一致性算法的数据通信时延分布建模与最优调控

刘辉1,代学武1*,秦飞2,肖玉聪2,赵晓华3

1.东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室,沈阳110819

2.中国科学院大学电子与通信工程学院,北京101408

3.清能华控科技有限公司,天津300308

*通信作者.E-mail:daixuewu@

收稿日期:2024–03–03;修回日期:2024–09–13;接受日期:2024–12–10;网络出版日期:2024–01–22

科技创新2030—“新一代人工智能”重大项目(批准号:2022ZD0115402)、国家自然科学基金项目(批准号:和黑龙江省“百千万”工程科技重大专项(批准号:2020ZX03A02)资助

摘要本文针对工业环境中无线莱斯(Rician)多径衰落信道导致的数据传输时延不确定性问题,研究了如何利用可重构智能超表面(recon?gurableintelligentsurface,RIS)技术调控通信环境,减少传输时延的抖动,从而为工业控制系统等时间敏感型应用提供更优质的通信服务.本文以减少时延分布的离散程度为目标,构建了融合RIS技术的工业环境无线莱斯信道模型,分析了发射功率和RIS相位对传输时延分布的影响,提出了一种通过调节RIS相位来优化通信时延概率密度函数(probabilitydensityfunction,PDF)的相位一致算法.证明了在信道状态已知的理想情况下,该相位一致算法能够在任意给定发射功率下得到RIS相位的理论最优解和传输时延方差的理论最小值.针对实际工业环境中信道状态未知的情况,本文进一步提出了一种基于遗传算法的相位优化算法,通过迭代方式使传输时延PDF接近理论最优解.仿真结果表明,通过RIS调控信道,在相同发射功率下,传输时延的均值可减少7.7%~30.9%,方差可减少74.3%~87.4%,具有绿色节能的优势.

关键词多径衰落,可重构智能超表面,通信时延,概率密度函数,相位一致算法

1引言

工业自动化、无人系统等时间敏感任务关键性应用对新一代无线通信的传输时延提出了更高要求,需要进一步降低时延,并期望时延抖动更小.作为未来6G技术架构中的重要组成部分,新兴的可重构智能表面RIS(recon?gurableintelligentsurface,RIS)技术具备调控传播路径、减少多径效应的能力,为降低时延、减小时延抖动提供了新的解决思路[1,2].在时间敏感任务的工业控制系统中,各种控制指令的下发、设备的实时监测等都对数据包的传输时延有更高要求,需要更小的传输时延和抖动.因此无线时间敏感网络(wirelesstime-sensitivenetwork,WTSN)得到了越来越多的重视,相比于传统

引用格式:刘辉,代学武,秦飞,等.基于RIS相位一致性算法的数据通信时延分布建模与最优调控.中国科学:信息科学,2025,55:388–400,doi:10.1360/SSI-2024-0071

LiuH,DaiXW,QinF,etal.DatacommunicationdelaydistributionmodelingandoptimalcontrolbasedonRISphasealignmentalgorithm.SciSinInform,2025,55:388–400,doi:10.1360/SSI-2024-0071

?c2025《中国科学》杂志社

/doi/10.1360/SSI-2024-0071

刘辉等中国科学:信息科学2025年第55卷第2期389

的有线以太网IEEE802.1时间敏感网络[3],WTSN具有更高的灵活性、更强的移动性以及更低的布线和维护成本[4],具有更广泛的应用