用于 IRS 辅助双向中继和直连传输的能效优化与比较

面向未来无线的更聪明信号

我们的手机、传感器和智能设备给无线网络带来巨大压力，这些网络必须在尽量少耗能的同时提供快速且可靠的连接。本文探讨了用新方法在空中引导无线电波，使两个用户之间的通信更高效，从而帮助未来超越 5G 的 6G 系统在不浪费能量的情况下支持更多设备。

把信号反射到智能“墙”上

本文的一个关键思想是智能反射面（一种由许多微小单元组成的平板），它可以将入射的无线电波朝指定方向反射。不同于主动接收并转发信号的传统中继站，这种智能“墙”主要是被动的，仅调节信号的反射方式。通过精细地调整每个微单元的反射，相面可以在需要的区域增强信号强度，有点像倾斜镜子以把光线投向目标。这样可以在仅增加极少额外功耗的前提下改善覆盖和数据速率。

双向通信的两种方式

研究者关注的是两个用户双向交换数据的场景，研究了两种主要方案。第一种称为双向中继传输，用户通过放置在两者之间的中继节点通信，同时得到反射面的辅助。第二种称为双向直连传输，用户直接相互通信，反射面通过引导信号提供帮助。两种方案均使用两个时隙来完成交换，但在一种方案中中继对混合信号进行放大并转发，而在另一种方案中用户则在没有中继的情况下通信。关键问题是在哪些现实条件下哪种方案的能量利用更高效。

同步调整功率与反射

为了公平比较两种设计，作者考虑了完整的能量预算，包括所有节点的发射功率以及电子设备和反射面所消耗的电路功耗。他们将能量效率定义为单位总功耗下获得的总数据速率。作者没有将中继功率与反射面控制分开处理，而是将二者联合调整。利用先进的数学工具，他们设计了一种算法，在允许的功率水平和每个反射单元的相位设置空间中搜索，以找到能产生最高“每瓦数据量”的组合。该过程对中继型和直连型链接都进行了，使两者都尽可能接近其最佳性能。

中继何时占优

在找到最佳设置后，研究通过计算机仿真在广泛的发射功率与信道条件下比较两种方案。结果表明，在总体发射功率非常低时，带有反射面的直连链路往往更具能效，部分原因是中继会带来额外的电路功耗。然而，一旦总发射功率超过约 -5 dBm，带中继的链路就持续提供更高的每瓦数据量。在这一范围内，中继对增强双向连接的益处超过了其额外硬件成本，而反射面对两种方案都有所帮助，反射单元越多，在相同功率预算下能效越高。

这对普通用户意味着什么

对非专业读者而言，主要结论是：未来无线系统可以通过使用能够重塑信号传播路径的智能反射面并谨慎分配用户、中继与反射面间的功率来节能。研究表明，在网络运行超过一个适度功率水平时，中继加反射面可能是更好的选择，而在非常低功率下，结构更简单的直连通信可能更可取。这些见解可为网络规划者在保持设备连接的同时限制能耗、支持更绿色且功能更强大的通信系统提供指导。

引用: 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

关键词: 智能反射面, 能量效率, 双向中继, 无线通信, 6G 网络