可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法技术

本发明专利技术公开了一种可重构智能表面辅助的NOMA(非正交多址)下行低功率传输方法。在保证用户信干噪比需求的前提下，建立基站功率分配与RIS相位偏移的优化问题；利用优化问题特性，建立功率分配系数与RIS相位偏移因子的转化关系式，将原优化问题转化为单纯的相位偏移优化问题；利用逐个相位旋转的方法进一步简化优化问题，并通过一维搜索与惩罚函数法，求出每次迭代最优的相位偏移量；重复迭代直到目标函数收敛，得到RIS最优的相位偏移矩阵与基站功率分配系数。相比于传统正交多址传输方案、无RIS传输方案，RIS随机相位偏移与RIS均等相位偏移传输方案，本发明专利技术提出的传输方法可以显著降低系统总发射功耗。

【技术实现步骤摘要】
可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法
本专利技术涉及无线通信中可重构智能表面
，具体涉及一种可重构智能表面辅助的非正交多址(NOMA)下行低功耗传输方法。
技术介绍
传统无线通信传播环境是随机且不可控制的，其会给信息传输带来一定的损伤。近年来，随着人造电磁材料的发展，可重构智能表面(RIS)被提出，其可智能地配置无线通信传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。RIS作为一种无源器件，不具备任何信号处理能力，只需根据信道特性对其相位偏移量进行配置，便可实现对无线信号传播方向与相位的调整。相比于正交多址接入技术，非正交多址接入(NOMA)可支持更高的系统吞吐量与更多的并发连接数，因而受到学术界与工业界的广泛关注。在新出现的RIS辅助的NOMA下行系统中，传统的正交多址传输方案与无RIS辅助的传输NOMA方案均无法联合利用该系统中RIS与NOMA的优势，并且，对于简单的RIS相位偏移设计方案，比如，随机相位设计、均等相位设计，均无法充分利用时变信道状态信息智能地配置无线传输环境，进而无法最大限度地发挥RIS的优势，影响了RIS辅助系统的功率效率。有鉴于此，需要对现有RIS辅助的NOMA下行系统进行改进，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，该方法可降低系统的总发射功耗。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，主要包括以下步骤：步骤1：在NOMA传输模式下，定义U个用户共用同一时频资源块，得到各个用户接收信号zu的表达式；步骤2：根据等效信道强度，确定各用户的解调次序，在各个用户处得到用户所需解调接收信干噪比的表达式；步骤3：建立关于基站功率分配系数{wu}与RIS相位偏移矩阵Φ的优化问题Q1，使总发射功率最小化；步骤4：根据优化问题特性，构建功率分配系数{wu}与相位偏移矩阵Φ之间的关系式；步骤5：利用步骤4所形成的关系式，将优化问题Q1转化为单纯相位偏移向量v的优化问题Q2；步骤6：通过迭代与逐个相位旋转方式，求解转化后的优化问题Q2；步骤7：重复步骤6至目标函数收敛，得到最优相位偏移矩阵Φ，进而得到最优功率分配系数{wu}。作为本专利技术的进一步改进，步骤1具体为在NOMA传输模式下，基站发射叠加信号为任一用户u的接收信号zu可以表示为：其中，wk为基站分配给用户k的发射功率系数，xk为用户k的发送信号，hB,u为基站到用户u直连路径的信道系数，hB,I为基站到RIS的信道向量，hI,u为RIS到用户u的信道向量，为信道向量hI,u的共轭转置，nu为用户u处的噪声信号，服从均值为0、方差为的复高斯分布，Φ为相位偏移矩阵。作为本专利技术的进一步改进，相位偏移矩阵Φ可以表示为其中，diag{·}为对角化运算，φn为RIS第n个反射单元的相位偏移因子，φn属于一个均匀量化的离散相位集合S，即：作为本专利技术的进一步改进，步骤2具体为根据NOMA解调原则，在用户u解调自身信号前，先解调等效信道强度比其弱的用户信号，并采用串行干扰删除接收机将解调出的信号删除，即用户u先依次解调并删除用户u+1～U的信号，用户k信号在用户u处的接收信干噪比可以表示为：其中，为噪声功率。作为本专利技术的进一步改进，等效信道强度越强，用户序号越小，当用户序号u<k时，等效信道强度满足：作为本专利技术的进一步改进，步骤3中优化问题Q1表示为：s.t.C1：C2：C3：φn∈S，1≤n≤N，其中，为用户k所需满足的最低信干噪比，P为系统发射总功率，限制条件C1用于保证各用户的服务质量，限制条件C2用于保证等效信道增益次序，限制条件C3用于保证各个反射单元的相位偏移属于系统设定的离散相位集合。作为本专利技术的进一步改进，步骤4具体为通过矛盾法得到优化问题Q1的最优值，最优值为限制条件C1取等号，对于用户k(k>1)，限制条件C1可以转化为：其中，当1＜i＜k时，否则，所述优化问题Q1目标函数中所述系统总发射功率可以转化为：作为本专利技术的进一步改进，步骤5中优化问题Q1可以等价转化为优化问题Q2，优化问题Q2表示为：s.t.C4:C3：φn∈S，1≤n≤N，其中，为RIS相位偏移因子组成的向量，为基站到RIS信道与RIS到用户信道组成的级联信道状态信息。作为本专利技术的进一步改进，步骤6中求解优化问题Q2时，包括以下三个步骤：步骤6a：使用逐个相位旋转方法，建立第t次迭代的最优解v(t)与第t-1次迭代解v(t-1)之间的关系，具体为对第t-1次迭代解v(t-1)的N个反射单元的相位偏移进行依次旋转，得到第t次迭代解v(t)，第t次迭代解v(t)表示为：其中，为第n个反射单元的相位偏移矩阵，θn，t为第n个反射单元的相位偏移量；步骤6b：建立第n个相位旋转后的相位偏移向量vt,n与第n-1个相位旋转后的相位偏移向量vt,n-1之间的关系，将优化问题Q2简化为优化问题Q3，具体为：s.t.C5：fu(θn，t)-fk(θn，t)≥0，u＜k，C6：θn，t∈S，其中，fu(θn，t)＝aucosθn，t+businθn，t+tu，其中，分别为变量Au，Cu的共轭，为级联信道状态信息向量的第n个元素，vt，n为第n个相位旋转后的相位偏移向量，也可以表示为：步骤6c：通过一维搜索与惩罚函数的方式，得到优化问题Q3在第t次迭代的最优解得到优化问题Q3的最优解表示为：其中，I(·)为违反限制条件C5的惩罚函数，定义为惩罚因子L为一个很大的正数，用于惩罚不满足限制条件C5的变量。作为本专利技术的进一步改进，步骤7具体为利用最佳相位偏移因子构建最佳相位偏移矩阵将Φ代入步骤4中转化后的限制条件C1，即可得到最优功率分配系数{wu}，其中，为RIS各个反射单元的最佳相位偏移因子，表示为：为各个反射单元所有迭代得到的最优相位偏移因子之和，最优相位偏移因子在目标函数收敛后得到，T为收敛所需的迭代次数，mod2π表示对进行2π取模。本专利技术的有益效果是：在满足各个用户服务质量的前提下，充分利用信道状态信息，通过对基站功率分配与RIS相位偏移的联合优化，实现降低系统总发射功耗的目的。附图说明图1是本专利技术的整体流程图。图2是RIS辅助的NOMA系统模型结构图。图3是不同SINR阈值条件下两用户NOMA系统的总发射功耗曲线图。图4是不同SINR阈值条件下三用户NOMA系统的总发射功耗曲线图。图5是RIS反射单元数目对系统总发射功耗的影响曲线图。...

【技术保护点】
1.一种可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、在NOMA传输模式下，定义U个用户共用同一时频资源块，得到各个用户接收信号z

【技术特征摘要】
1.一种可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在NOMA传输模式下，定义U个用户共用同一时频资源块，得到各个用户接收信号zu的表达式；
步骤2、根据等效信道强度，确定各用户的解调次序，在各个用户处得到用户所需解调接收信干噪比的表达式；
步骤3、建立关于基站功率分配系数{wu}与RIS相位偏移矩阵Φ的优化问题Q1；
步骤4、构建功率分配系数{wu}与相位偏移矩阵Φ之间的关系式；
步骤5、利用步骤4所形成的关系式，将所述优化问题Q1转化为单纯相位偏移向量v的优化问题Q2；
步骤6、通过迭代与逐个相位旋转方式，求解转化后的优化问题Q2；
步骤7、重复步骤6至目标函数收敛，得到最优相位偏移矩阵Φ，进而得到最优功率分配系数{wu}。


2.根据权利要求1所述的可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于，步骤1具体为：在NOMA传输模式下，基站发射叠加信号为则任一用户u的接收信号zu可以表示为：



其中，wk为基站分配给用户k的发射功率系数，xk为用户k的发送信号，hB,u为基站到用户u直连路径的信道系数，hB,I为基站到RIS的信道向量，hI,u为RIS到用户u的信道向量，为信道向量hI,u的共轭转置，nu为用户u处的噪声信号，服从均值为0、方差为的复高斯分布，Φ为相位偏移矩阵。


3.根据权利要求2所述的可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于：所述相位偏移矩阵Φ可以表示为其中，diag{·}为对角化运算，φn为RIS第n个反射单元的相位偏移因子，所述φn属于一个均匀量化的离散相位集合S，表示为


4.根据权利要求1所述的可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于：步骤2根据NOMA解调原则，在用户u解调自身信号前，先解调所述等效信道强度比其弱的用户信号，并采用串行干扰删除接收机将解调出的信号删除，即用户u先依次解调并删除用户u+1～U的信号，用户k信号在用户u处的接收信干噪比可以表示为：



其中，为噪声功率。


5.根据权利要求4所述的可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于：所述等效信道强度越强，用户序号越小，当用户序号u<k时，所述等效信道强度满足：





6.根据权利要求1所述的可重构智能表面辅助的NOMA下行低功耗传输方法，其特征在于：步骤3中的优化问题Q1表示为：



s.t.C1：
C2：
C3：φn∈S，1≤n≤N，
其中，为用户k所需满足的最低信干噪比，P为系统发射总功率，限制条件C1用于保证各用户的服务质量，限制条件C2用于保证等效信道增益次序，限制条件C3用于保证各个反射单元的相位偏移属于系统设定的离散相位集合。


7.根据权利要求6所述的可重构智能...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸿，张翔宇，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32