一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法技术

本发明专利技术公开了一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，包括以下步骤，将智能超表面应用于多天线非正交多址接入系统，获得用户速率；构建以最小化系统能耗为优化目标，以用户最小速率受限为约束条件的优化问题模型；对构建的最小化系统能耗优化问题模型进行迭代求解，得到最小化系统能耗优化方案。通过本发明专利技术可以使非正交多址接入系统更大可能地达到容量阈值，通过提出基于最小化能耗的波束成形向量和智能超表面相移矩阵设计，利用拉格朗日函数和凸近似手段将原始所建立的非凸优化问题转化为凸优化问题，最终利用凸优化工具箱对该凸问题求解以获得用户最小速率约束下的波束成形向量和智能超表面相移矩阵的最优设计方案。优设计方案。优设计方案。

【技术实现步骤摘要】
一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法


[0001]本专利技术涉及无线通信系统的
，尤其涉及一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法。

技术介绍

[0002]新一代无线通信系统对频谱效率、能耗和大规模设备接入有很高的要求。为了满足这些高要求，非正交多址接入技术已被引入作为未来移动网络中的候选技术。与传统的多路访问技术，即正交多址接入不同，非正交多址接入技术允许多个用户共享相同的资源，例如时间、频率、空间和码本，因此，可以显著提高频谱效率。
[0003]此外，由于能够提供有效资源分配所需的灵活性和空间自由度，多天线技术已在新一代通信系统中得到广泛研究。将多天线技术应用到非正交多址接入系统可以进一步提升系统性能。此外，在信道准降解条件下，多天线非正交多址接入技术能够达到系统容量阈值。然而，由于用户的信道是由高度随机的散射环境决定的，因此，无法轻易地对用户的信道进行调整。
[0004]由大量无源元件组成的智能超表面正成为新一代通信系统中极具潜力的技术。通过改变智能超表面的反射元件参数能够实现对无线传播信道的调整。通常，智能超表面可发挥类似传统中继的功能。然而，不同于传统中继，它不需要额外的能量来进行解码、信道估计和传输。基于此，本专利技术提出了一种智能超表面辅助的多天线非正交多址接入方案，并以最小化能耗为目标进行波束的优化设计。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种智能超表面辅助非正交多址接入系统的波束设计方法，该专利技术利用智能超表面改变用户信道的特性，使得多天线非正交多址接入方案有更大可能性达到最优性能，通过建立并求解波束成形优化设计模型，从而获得在用户最小速率约束下每个用户的最优波束向量以及智能超表面的相移阵设计。
[0006]技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，包括以下步骤，
[0007]步骤1：将智能超表面应用于多天线非正交多址接入系统，获得用户速率；
[0008]步骤2：构建以最小化系统能耗为优化目标，以用户最小速率受限为约束条件的优化问题模型；
[0009]步骤3：对构建的最小化系统能耗优化问题模型进行迭代求解，得到最小化系统能耗优化方案。
[0010]进一步的，在本专利技术中：所述接入系统时，基站采用叠加编码，且每个用户的接收信号为：
[0011][0012]其中，s
i
为用户i的信号，w
i
为用户i的波束成形向量，为方差为σ2均值为零的加性白高斯噪声，表示用户k的信道，其计算式为：
[0013][0014]其中，表示智能超表面和用户k之间的信道，G为基站和智能超表面之间的信道，h
dk
表示基站和用户之间的信道，Θ表示智能超表面相移矩阵，其计算式为：
[0015][0016]其中，j为虚部单位，θ
n
为相移角度且θ
n
∈[0,2π]。
[0017]进一步的，在本专利技术中：所述用户速率的计算式为：
[0018][0019]其中，R1和R2表示用户1和用户2的可达速率，SINR
2,1
和SINR
2,2
分别表示用户1对用户2进行解码和用户2对自身信号进行解码的信干噪比，其计算式为：
[0020][0021][0022]其中，和分别表示用户1和用户2的信道，w1和w2分别为用户1和用户2的波束成形向量，H符号代表矩阵的共轭转置。
[0023]进一步的，在本专利技术中：所述构建基于最小化系统能耗优化问题模型：
[0024][0025][0026][0027][0028]0≤θ
i
≤2π,i＝1,
…
,N,
[0029]P
NOMA
表示优化后的最小系统能耗。r
imin
为相应的信噪比门限，i的取值为1或2，对应用户1和用户2，α为两个用户信道之间的夹角且满足如下关系：
[0030][0031]在该优化问题中，约束1和约束2均为最小速率限制，约束3为信道准退化约束，约
束3用于确保非正交多址接入方案在智能超表面的辅助下能够达到性能阈值。
[0032]进一步的，在本专利技术中：所述对最小化系统能耗优化问题模型进行求解还包括，
[0033]步骤3
‑
1：在给定智能超表面相移矩阵下，基站端的波束成形优化问题为凸问题，可以通过分析拉格朗日函数得到此时该凸优化问题的解，从而获得用户最小速率受限情况下的最优波束成形向量；
[0034]步骤3
‑
2：使用最优波束成形向量的解析式，进一步优化智能超表面的相移矩阵；
[0035]步骤3
‑
3：通过使用变量代换以及连续凸逼近的方法即可将上述非凸问题转换为凸问题，并使用标准凸优化工具进行求解。其中，凸优化工具箱可以是CVX。
[0036]进一步的，在本专利技术中：所述最优波束成形向量为：
[0037][0038]其中，和分别表示用户1和用户2在最小速率受限情况下的最优波束成形向量和e1、e2、和的计算式如下：
[0039][0040]进一步的，在本专利技术中：使用所述最优波束成形向量进一步优化智能超表面相移矩阵，可得到：
[0041][0042][0043]0≤θ
i
≤2π,i＝1,
…
,N,
[0044]其中，目标函数F为
[0045][0046]进而采用变量代换以及凸逼近的方法，将该复杂的非凸优化问题转化为凸优化问题，该问题为标准半正定编程问题，接着采用凸优化工具包求解。
[0047]有益效果：本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：本专利技术提供的智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，能够在保证各用户的最小速率限制下实现系统能耗最小化。
附图说明
[0048]图1为智能超表面辅助多天线非正交多址接入系统的整体示意图；
[0049]图2为本专利技术所述智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法的整体流程示意图；
[0050]图3为分别基于本专利技术方法和传统方法下基站发射功率与天线数量的关系示意图；
[0051]图4为本专利技术方法中不同智能超表面位置的传输功率与不同数量的智能超表面元素的关系示意图。
具体实施方式
[0052]下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：
[0053]本专利技术可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本专利技术的范围。
[0054]如图1所示，图1为一种智能超表面辅助多天线非正交多址接入系统的示意图，本专利技术提供了智能超表面辅助多天线非正交多址接入系统中基于能耗最小化的波束成形矩阵设计方法，该智能超表面辅助非正交多址接入的波束设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：将智能超表面应用于多天线非正交多址接入系统，获得用户速率；步骤2：构建以最小化系统能耗为优化目标，以用户最小速率受限为约束条件的优化问题模型；步骤3：对构建的最小化系统能耗优化问题模型进行迭代求解，得到最小化系统能耗优化方案。2.如权利要求1所述的智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，其特征在于：所述接入系统时，基站采用叠加编码，且每个用户的接收信号为：其中，s
i
为用户i的信号，w
i
为用户i的波束成形向量，为方差为σ2均值为零的加性白高斯噪声，表示用户k的信道，其计算式为：其中，表示智能超表面和用户k之间的信道，G为基站和智能超表面之间的信道，h
dk
表示基站和用户之间的信道，Θ表示智能超表面相移矩阵，其计算式为：其中，j为虚部单位，θ
n
为相移角度且θ
n
∈[0,2π]。3.如权利要求2所述的智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，其特征在于：所述用户速率的计算式为：其中，R1和R2表示用户1和用户2的可达速率，SINR
2,1
和SINR
2,2
分别表示用户1对用户2进行解码和用户2对自身信号进行解码的信干噪比，其计算式为：行解码和用户2对自身信号进行解码的信干噪比，其计算式为：其中，和分别表示用户1和用户2的信道，w1和w2分别为用户1和用户2的波束成形向量，H符号代表矩阵的共轭转置。4.如权利要求3所述的智能超表面辅助非正交多址接入的波束设计方法，其特征在于：所述构建基于最小化系统能耗优化问题模型：
0≤θ
i
≤2π,i＝1,
…
,N,...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永明，朱建月，林鸿鑫，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：