10摘要：针对大规模广域物联网中干扰严重、覆盖不足的挑战，提出基于同时透射和反射可重构智能表面（STAR-RIS）的用户速率增强架构。通过将基站（BS）、STAR-RIS和用户设备建模为独立泊松点过程，建立多小区干扰模型，表征了用户速率并构建了和速率最大化问题。设计功率
STAR-RIS赋能大规模广域物联网和速率优化研究
232（1.哈尔滨工业大学，广东 深圳 518055；
2.东北大学，辽宁 沈阳 110819；
3.暨南大学，广东 广州 510632）
【摘 要】针对大规模广域物联网中干扰严重、覆盖不足的挑战，提出基于同时透射和反射可重构智能表面（STAR-RIS）的用户速率增强架构。通过将基站（BS）、STAR-RIS和用户设备建模为独立泊松点过程，建立多小区干扰模型，表征了用户速率并构建了和速率最大化问题。设计功率分配与能量分割系数的交替优化算法，在满足用户设备需求条件下实现和速率最大化。仿真表明，所提方案较传统RIS提升50%速率性能，数次迭代内快速收敛，为广域物联网的大规模接入及RIS协同组网提供理论支撑。
【关键词】广域物联网；STAR-RIS；和速率优化；功率分配
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20250625-0006
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2025)08-0068-07
引用格式：谢子怡,赵慕飞,陈真,等. STAR-RIS赋能大规模广域物联网和速率优化研究[J]. 移动通信, 2025,49(8): 68-74.
XIE Ziyi, ZHAO Mufei, CHEN Zhen, et al. Sum-rate Optimization for STAR-RIS Empowered Massive Wide-Area IoT[J]. Mobile Communications, 2025,49(8): 68-74.
0 引言
广域物联网的快速发展正推动农业监测、偏远地区通信、工业自动化等应用落地[1-3]。在这些场景中，海量设备分布范围广、地理位置复杂，导致传统基站面临两大核心挑战：一是地形遮挡造成的覆盖盲区问题[4-6]，二是设备密集接入引发的同频干扰问题[7-9]。现有低功耗广域网络（LPWAN, Low Power Wide Area Network）技术虽能降低终端能耗，但难以支持高速率传输需求[10-11]；而卫星通信方案成本高昂，难以大规模部署[12-14]同时透射和反射可重构智能表面（STAR-RIS, Simultaneously Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surface）作为一种新型无线环境调控技术，能够在360°范围内调控入射信号的反射和透射，动态扩展网络覆盖范围[15-16]。本文针对广域物联网的多小区覆盖场景，提出基于STAR-RIS的增强方案：1）覆盖增强：通过大规模部署STAR-RIS解决边缘区域信号遮挡问题；2）干扰抑制：利用STAR-RIS生成定向波束，缓解小区间干扰；3）资源优化：联合设计功率分配与能量分割系数，实现用户设备和速率最大化。本研究的核心贡献是对多小区系统用户设备速率的理论分析框架[17]的拓展，为广域物联网的大规模接入提供设计指导。1 系统模型
1.1 网络拓扑与部署
1.2 信号模型
2 用户速率建模与和速率最大化问题构建
2.1 用户速率模型
2.2 和速率最大化问题构建
3 广域物联网联合资源优化算法设计
3.1 问题分解与交替优化框架
3.2 功率分配优化算法
3.3 能量分割系数优化算法
3.4 算法收敛性与复杂度
4 仿真结果与分析
为评估所提算法在广域物联网环境中的实际性能，建立了如图2所示的典型仿真场景：在半径500 m的圆形监测区域内，随机部署17个基站和68个STAR-RIS设备。
通过基站Voronoi图可观察到，典型设备和连接设备等物联网终端很有可能分布在小区边缘区域，这些设备与基站的直连链路因地形遮挡完全中断，必须依赖STAR-RIS构建辅助通信信道。仿真参数严格遵循实际广域物联网需求：终端设备最低速率设定为0.3 bps/Hz以满足环境监测数据传输要求，每个STAR-RIS具有100个可调控单元，仿真结果反映农业、生态监测等场景的通信特性。
图3展示了交替优化算法在广域环境中的收敛过程。随着迭代次数增加，物联网设备和速率呈现稳定上升趋势，从首次迭代开始持续改善，且增速随迭代进行逐渐减缓。特别值得注意的是，算法在5次交替迭代内即达到稳定状态，这种快速收敛特性对于林区、农田等时变信道环境尤为重要，能有效适应天气变化导致的信号波动。
深入分析不同优化策略的效能差异发现：单独优化功率分配对系统和速率的提升较为有限；而优化能量分割系数可显著改善通信质量，特别是在地形复杂的盲区；当两者联合优化时，能释放最大性能潜力。这些发现有力证实了在广域物联网部署中，通过STAR-RIS智能调控电磁波传播环境，可突破地形限制，为智慧农业、森林生态监测等应用提供可靠通信保障。在保障用户设备最低速率需求的前提下，该方案显著提升边缘区域设备通信可靠性，为偏远地区物联网部署提供技术支撑。
5 结束语
本文针对广域物联网中海量设备分布不均与偏远地区覆盖不足的挑战，提出一种基于STAR-RIS的星地融合增强架构。通过建立多小区干扰模型并设计功率分配与能量分割系数的交替优化算法，在保障用户设备最小速率需求下实现系统和速率最大化。仿真表明：所提方案较传统RIS提升50%速率性能，且数次交替迭代内快速收敛，有效解决了地形遮挡导致的覆盖盲区与同频干扰问题。未来工作将考虑结合动态信道状态信息优化STAR-RIS部署策略，并探索低轨卫星与地面STAR-RIS的协同组网机制。
[1] Jabbar W A, Tiew L Y, Shah N Y A. Internet of things enabled parking management system using long range wide area network for smart city[J]. Internet of Things and Cyber-Physical Systems, 2024,4: 82-98.
[2] Goulart A, Chennamaneni A, Torre D, et al. On wide-area IoT networks, lightweight security and their applications—a practical review[J]. Electronics, 2022,11(11): 1762.
[3] Cacciuttolo C, Atencio E, Komarizadehasl S, et al. Internet of Things long-range-wide-area-network-based wireless sensors network for underground mine monitoring: Planning an efficient, safe, and sustainable labor environment[J]. Sensors, 2024. 24(21): 6971.
[4] Ernest T Z H, Madhukumar A S. Peak age of information analysis of status update strategies in cache-enabled IIoT networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2024.
[5] Ghatak G, Khosravirad S R, De Domenico A. Stochastic geometry framework for ultrareliable cooperative communications with random blockages[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2021,9(7): 5150-5161.
[6] Kishk M A, Alouini M S. Exploiting randomly located blockages for large-scale deployment of intelligent surfaces[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020,39(4): 1043-1056.
[7] Peng T, Guo Y, Wang Y, et al. An interference-oriented 5G radio resource allocation framework for ultradense networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2022,9(22): 22618-22630.
[8] Kamel M, Hamouda W, Youssef A. Ultra-dense networks: A survey[J]. IEEE Communications surveys & tutorials, 2016,18(4): 2522-2545.
[9] Yang L, Li P, Yang Y, et al. Performance analysis of RIS-aided networks with co-channel interference[J]. IEEE Communications Letters, 2021,26(1): 49-53.
[10] Sundaram J P S, Du W, Zhao Z. A survey on LoRa networking: Research problems, current solutions, and open issues[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2019,22(1): 371-388.
[11] 童率,王继良. 低功耗广域网LoRa技术进展与研究挑战[J]. 电子学报, 2024,52(10): 3623-3642.
[12] 亚森江•阿布都热合曼,段卓君,刘向南,等. 6G星地融合网络资源管理关键技术[J]. 移动通信, 2024,48(1): 47-55.
[13] Chen X, Xu Z, Shang L. Satellite Internet of Things: challenges, solutions, and development trends[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2023,24(7): 935-944.
[14] Chen S, Sun S, Kang S. System integration of terrestrial mobile communication and satellite communication—the trends, challenges and key technologies in B5G and 6G[J]. China communications, 2021,17(12): 156-171.
[15] Liu Y, Mu X, Xu J, et al. STAR: Simultaneous transmission and reflection for 360° coverage by intelligent surfaces[J]. IEEE Wireless Communications, 2021,28(6): 102-109.
[16] 周涛,许魁,夏晓晨,等. STAR-RIS辅助通感一体系统安全传输优化[J].移动通信, 2023,47(11): 108-115.
[17] Xie Z, Yi W, Wu X, et al. STAR-RIS aided NOMA in multicell networks: A general analytical framework with gamma distributed channel modeling[J]. IEEE Transactions on Communications, 2022, 70(8): 5629-5644.
[18] Haenggi M. Stochastic geometry for wireless networks[M]. New York, USA:Cambridge University Press, 2013: 272-274.
[19] Kishk M A, Alouini M S. Exploiting randomly located blockages for large-scale deployment of intelligent surfaces[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2020,39(4): 1043-1056.
[20] Che E, Tuan H D, Nguyen H H. Joint optimization of cooperative beamforming and relay assignment in multi-user wireless relay networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014,13(10): 5481-5495.
[21] Mu X, Liu Y, Guo L, et al. Simultaneously transmitting and reflecting (STAR) RIS aided wireless communications[J]. IEEE transactions on wireless communications, 2021,21(5): 3083-3098. ★
★原文刊发于《移动通信》2025年第8期★
文章编号：1006-1010(2025)08-0068-07
引用格式：谢子怡,赵慕飞,陈真,等. STAR-RIS赋能大规模广域物联网和速率优化研究[J]. 移动通信, 2025,49(8): 68-74.
XIE Ziyi, ZHAO Mufei, CHEN Zhen, et al. Sum-rate Optimization for STAR-RIS Empowered Massive Wide-Area IoT[J]. Mobile Communications, 2025,49(8): 68-74.
作者简介谢子怡：博士毕业于哈尔滨工业大学，哈尔滨工业大学（深圳）助理教授，主要研究方向为智能超表面辅助通信、近场通信。
赵慕飞：博士毕业于哈尔滨工业大学，东北大学副教授，主要研究方向包括信息论、量子通信、光量子检测等。
陈 真：暨南大学教授，博导，主要研究方向为通感一体、加密通信、AI通信、信道估计等领域。
★往期推荐★目录|2025年第9期 本期专题：6G空口技术
【6G卫星互联网】2025专题论文汇总
《移动通信》杂志由中国电子科技集团公司主管，中国电子科技集团公司第七研究所主办，是中国期刊方阵“双效期刊”、工业和信息化部精品电子期刊、中国科技论文统计源刊、中国通信学会《信息通信领域高质量科技期刊分级目录》入选期刊、中国电子学会《电子技术、通信技术领域高质量科技期刊分级目录》入选期刊、中国应用型核心期刊、日本JST收录期刊。国内连续出版物号：CN44-1301/TN，国际连续出版物号：ISSN1006-1010，邮发代号：46-181。
来源：移动通信编辑部
