Оптимизация энергоэффективности и сравнение для двухсторонней релейной и прямой передачи с помощью IRS

Более умные сигналы для беспроводной связи будущего

Наши телефоны, датчики и умные устройства создают серьёзную нагрузку на беспроводные сети: им нужно обеспечивать быстрые и надёжные соединения, затрачивая как можно меньше энергии. В этом исследовании рассматриваются новые способы управления радиоволнами в пространстве, чтобы двое пользователей могли обмениваться данными более эффективно — это поможет системам за пределами 5G и сетям 6G поддерживать больше устройств без лишних энергозатрат.

Отражение сигналов от «умной стены»

Ключевая идея работы — интеллектуальная отражающая поверхность (IRS), плоская панель из множества мелких элементов, способных перенаправлять падающие радиоволны в заданные направления. В отличие от традиционной ретрансляционной станции, которая активно принимает и повторно передаёт сигналы, такая «умная стена» в основном пассивна и лишь регулирует способ отражения. Тонкая настройка фазы каждого элемента позволяет усилить сигнал там, где он нужен, как если бы наклонять зеркало, чтобы сфокусировать свет на цели. Это даёт возможность улучшить покрытие и скорость передачи данных, добавляя к сети лишь небольшое дополнительное энергопотребление.

Двусторонняя связь в обоих направлениях

Исследователи рассматривают сценарий, где двое пользователей обмениваются данными в обоих направлениях. Они изучают две главные схемы. Первая, называемая двунаправленной релейной передачей, предполагает связь через релейный узел, размещённый между пользователями, с поддержкой отражающей поверхности. Вторая, двунаправленная прямая передача, предусматривает прямую связь между пользователями, при этом поверхность помогает, направляя сигнал. Обе схемы используют два временных слота для обмена, но в одном случае реле усиливает и пересылает смешанные сигналы, а в другом случае пользователи общаются без реле. Вопрос в том, какая схема использует энергию эффективнее при реалистичных условиях.

Совместная настройка мощности и отражений

Чтобы справедливо сравнить обе схемы, авторы учитывают полный энергобюджет, включая мощность передачи всех узлов и потребляемую электронику и энергопотребление отражающей поверхности. Энергоэффективность определяется как общий объём переданных данных на единицу потребляемой мощности. Вместо раздельной настройки мощности реле и управления поверхностью они оптимизируют их совместно. С помощью математических методов они разрабатывают алгоритм, который перебирает допустимые уровни мощности и фазовые установки каждого отражающего элемента, чтобы найти комбинации, обеспечивающие максимум битов на ватт. Этот процесс выполняется как для схемы с реле, так и для прямой связи, доводя каждую до максимально возможной производительности.

Когда реле даёт преимущество

Когда находятся оптимальные настройки, исследование сравнивает обе схемы в широком диапазоне уровней передаточной мощности и условий каналов с помощью компьютерного моделирования. Результаты показывают, что при очень низкой суммарной мощности передатчика прямая связь с отражающей поверхностью обычно более энергоэффективна — отчасти потому, что реле добавляет дополнительное потребление схемы. Однако при превышении общей мощности передачи примерно -5 дБм связь с поддержкой реле стабильно обеспечивает больше данных на ватт. В этом диапазоне выгода реле в усилении двусторонней связи перевешивает его дополнительные аппаратные затраты, а отражающая поверхность помогает обеим схемам: больше элементов дают более высокую эффективность при том же энергобюджете.

Почему это важно для обычных пользователей

Для неспециалистов главный вывод таков: будущие беспроводные системы могут экономить энергию, используя интеллектуальные отражающие панели, которые изменяют пути прохождения сигналов, и грамотно распределяя мощность между пользователями, реле и этими панелями. Исследование показывает, что реле в сочетании с отражающей поверхностью может быть лучшим выбором, когда сеть работает выше скромного уровня мощности, тогда как при очень низкой мощности может быть предпочтительнее более простая прямая связь. Эти выводы помогут планировщикам сетей выбирать архитектуры, которые поддерживают подключённость устройств при ограничении энергопотребления, способствуя более экологичным и функциональным системам связи.

Цитирование: Cai, C., Zhang, J., Zhong, F. et al. Energy-efficiency optimization and comparison for IRS-assisted bidirectional relay and direct transmissions. Sci Rep 16, 16429 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52438-2

Ключевые слова: интеллектуальная отражающая поверхность, энергоэффективность, двунаправленный ретранслятор, беспроводная связь, сети 6G