基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，该方法的目标是在基站最大发送功率和最小数据速率的约束下使系统的能量效率最大化，建立基于B5G通信系统的平面轨道角动量传输的下行信道模型，提出双层资源分配算法，外层采用二分法得到最优EE，内层采用功率分配迭代算法优化发射功率，每根天线向相应的用户发送携带数据流的平面轨道角动量模态群电磁波，每个用户随机分布在一个扇形区域内。每个用户配备接收天线，根据部分孔径接收法被放置在发送波束的主瓣范围内。本发明专利技术与传统NOMA

【技术实现步骤摘要】
基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法。

技术介绍

[0002]物联网(Internet of Things,IoT)的飞速发展使得无线设备数量呈指数级增长。因此，B5G无线网络在满足可靠数据连接和超高数据速率方面面临着特殊的挑战。此外，由于频谱资源不足，设备的数据速率受到严重限制。这些趋势使得频谱效率成为移动通信网络的主要性能指标。另一方面，大量的连接设备也导致了巨大的能源消耗，因此从环境和经济的角度来看，能量效率(Energy Efficiency,EE)已经成为B5G移动通信网络亟待解决的问题。平面轨道角动量模态群(PSOAM MGs)和多输入多输出非正交多址技术(MIMO
‑
NOMA)是两种极具潜力的提高频谱效率和能量效率的新兴关键技术。
[0003]NOMA在B5G无线网络中被视作增强频谱效率的关键技术，该技术通过叠加编码，可以同时为大量用户提供相同的物理资源，通过不同的功率等级区分不同的用户，并利用串行干扰消除(SIC)技术来消除多个用户之间的干扰。平面轨道角动量技术因其正交性成为除传统多路复用方式以外的一种新的复用方式，提供了一个新的自由度。相较于传统轨道角动量技术，平面轨道角动量技术可以避免相位奇点和能量空洞问题。在波束赋形领域，应用平面轨道角动量模态群技术可以降低硬件设备的复杂度。将上述两种技术结合有望满足B5G物联网时代对无线通信系统的关键性能要求，有着开阔的发展前景。现有的平面轨道角动量传输与资源分配方法主要集中在单用户场景，针对多用户场景下的平面轨道角动量传输与资源分配方法很少有人研究。
[0004]当前已有的科研工作者致力于研究MIMO
‑
NOMA技术在多用户场景下的应用，主要关注系统能量效率、频谱效率以及系统误码率等方面。同时还致力于研究平面轨道角动量技术在单用户场景下的应用，主要关注系统频谱效率以及系统误码率等方面。在此基础上，将上述两种技术结合是一个极具实际运用意义的研究课题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，针对B5G物联网时代对于无线通信网络高频谱效率以及高系统能量效率的需求，建立了基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输下行信道模型以及基于多用户系统能量效率最大化的数学模型，提出了优化功率分配方案的低复杂度迭代算法，在满足用户通信质量的同时，最大化系统能量效率。一方面通过平面轨道角动量提供的新自由度提高了系统能效，另一方面通过多个用户复用频谱提高了系统能效。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供一种基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配系统。
[0007]本专利技术的第三目的在于提供一种计算机可读存储介质。
[0008]本专利技术的第四目的在于提供一种计算设备。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，包括下述步骤：
[0011]建立基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输的下行信道模型：将平面轨道角动量模态群技术与多天线非正交多址技术相结合形成多用户的信道模型；
[0012]建立基于B5G通信系统能量效率最大化的数学模型，包括确定优化变量、目标函数以及约束条件的数学表达式；
[0013]建立优化B5G通信系统总能量效率的迭代算法，得到各用户各模态群的最优功率分配方案，最终获得优化目标的最优解。
[0014]作为优选的技术方案，所述建立基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输的下行信道模型，具体步骤包括：
[0015]基于平面轨道角动量的B5G网络中包括一个具有N
t
根发送天线的基站BS，发送端天线排列成均匀线性阵列，天线间距为ζ，设置天线k发送数据流给对应指定的用户k，k∈{1,
…
,K}为用户集合的索引，mg∈{1,
…
,MGs}为模态群集合的索引，在接收端，每个用户配置有N
r
根接收天线，接收天线根据部分孔径接收法放置在对应发送电磁波束的主瓣范围内；
[0016]在第mg个模态群下，发送给第k个用户的信号X
k,mg
表示为：
[0017]X
k,mg
＝p
k,mg
·
x
k,mg
[0018]其中，p
k,mg
表示分配给第mg个模态群下第k个用户的功率；
[0019]在第mg个模态群下，第k个用户的第n
r
根接收天线与对应的第n
t
根发送天线之间的信道表示为：
[0020][0021]其中，是一个与发送天线和接收天线增益相关的一个常数，由发送电磁波的主瓣和旁瓣大小确定，代表第k个用户的第n
r
根接收天线与第n
t
根发送天线之间的相位，G
mg
代表第mg个模态群中模态的总个数，将得到的信道矩阵H进行奇异值分解，得到奇异值记作λ
k,l,mg
，λ代表发送电磁波波长，代表第k个用户的第n
r
根接收天线与第n
t
根发送天线之间的距离，代表第mg个模态群中的模态数取值，j代表虚部；
[0022]根据B5G通信系统中的平面轨道角动量传输采用NOMA技术作为多址方案，所有用户共享同一频谱资源实现与基站之间的通信，信息接收端采用串行干扰消除技术；
[0023]比较基站与每个用户之间信道的功率增益，设置满足以下关系：λ
1,1,mg
≤λ
2,2,mg
≤
…
≤λ
K,K,mg
，下行链路信息解调顺序按照信道增益递增的顺序进行解码。
[0024]作为优选的技术方案，所述建立基于B5G通信系统能量效率最大化的数学模型，具体步骤包括：
[0025]在第mg个模态群下用户k的数据率表示为：
[0026][0027]系统总数据率表示为：
[0028][0029]在基于B5G通信系统的平面轨道角动量传输中，系统总功率损耗为电路硬件功率损耗以及发送端功率之和，表示为：
[0030][0031]所述基于系统能量效率最大化的数学模型的优化变量为各用户各模态群的功率；
[0032]所述基于系统能量效率最大化的数学模型的约束条件包括：
[0033]各用户各模态群下的数据率不小于最低通信数据率：R
k，mg
≥R
req
，k＝1，
…
，K，mg＝1，
…
，MGs；R
req
是保证通信质量下的最低通信数据率；
[0034]在所有模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，其特征在于，包括下述步骤：建立基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输的下行信道模型：将平面轨道角动量模态群技术与多天线非正交多址技术相结合形成多用户的信道模型；建立基于B5G通信系统能量效率最大化的数学模型，包括确定优化变量、目标函数以及约束条件的数学表达式；建立优化B5G通信系统总能量效率的迭代算法，得到各用户各模态群的最优功率分配方案，最终获得优化目标的最优解。2.根据权利要求1所述的基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，其特征在于，所述建立基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输的下行信道模型，具体步骤包括：基于平面轨道角动量的B5G网络中包括一个具有N
t
根发送天线的基站BS，发送端天线排列成均匀线性阵列，天线间距为ζ，设置天线k发送数据流给对应指定的用户k，k∈{1，
…
，K}为用户集合的索引，mg∈{1，
…
，MGs}为模态群集合的索引，在接收端，每个用户配置有N
r
根接收天线，接收天线根据部分孔径接收法放置在对应发送电磁波束的主瓣范围内；在第mg个模态群下，发送给第k个用户的信号X
k，mg
表示为：X
k，mg
＝p
k，mg
·
x
k，mg
其中，p
k，mg
表示分配给第mg个模态群下第k个用户的功率；在第mg个模态群下，第k个用户的第n
r
根接收天线与对应的第n
t
根发送天线之间的信道表示为：其中，是一个与发送天线和接收天线增益相关的一个常数，由发送电磁波的主瓣和旁瓣大小确定，代表第k个用户的第n
r
根接收天线与第n
t
根发送天线之间的相位，G
mg
代表第mg个模态群中模态的总个数，将得到的信道矩阵H进行奇异值分解，得到奇异值记作λ
k，l，mg
，λ代表发送电磁波波长，代表第k个用户的第n
r
根接收天线与第n
t
根发送天线之间的距离，代表第mg个模态群中的模态数取值，j代表虚部；根据B5G通信系统中的平面轨道角动量传输采用NOMA技术作为多址方案，所有用户共享同一频谱资源实现与基站之间的通信，信息接收端采用串行干扰消除技术；比较基站与每个用户之间信道的功率增益，设置满足以下关系：λ
1，1，mg
≤λ
2，2，mg
≤
…
≤λ
K，K，mg
，下行链路信息解调顺序按照信道增益递增的顺序进行解码。3.根据权利要求1所述的基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，其特征在于，所述建立基于B5G通信系统能量效率最大化的数学模型，具体步骤包括：在第mg个模态群下用户k的数据率表示为：系统总数据率表示为：
在基于B5G通信系统的平面轨道角动量传输中，系统总功率损耗为电路硬件功率损耗以及发送端功率之和，表示为：所述基于系统能量效率最大化的数学模型的优化变量为各用户各模态群的功率；所述基于系统能量效率最大化的数学模型的约束条件包括：各用户各模态群下的数据率不小于最低通信数据率：R
k，mg
≥R
req
，k＝1，
…
，K，mg＝1，
…
，MGs；R
req
是保证通信质量下的最低通信数据率；在所有模态群下所有用户分配到的实际总功率不大于基站所能提供的最大功率：各个模态群下各个用户的最低功率约束：p
k，mg
＞0；基于用户采集能量最大化的数学模型如下：基于用户采集能量最大化的数学模型如下：基于用户采集能量最大化的数学模型如下：基于用户采集能量最大化的数学模型如下：其中，B代表带宽，代表信道矩阵奇异值分解后所对应的在第mg个模态群下第k个用户与其对应的第k个接收天线的奇异值，代表信道矩阵奇异值分解后所对应的在第mg个模态群下第k个用户与其对应的第l个接收天线的奇异值，p
k，mg
代表在第mg个模态群下用户k的发射功率，p
k，mg
表示分配给第mg个模态群下第k个用户的功率，α是功率放大器漏极效率，P
ic
是每根发送天线的硬件电路功耗，λ
k，l，mg
表示信道矩阵进行奇异值分解后得到的奇异值，MGs表示模态群的个数，C1、C2、C3表示约束条件。4.根据权利要求1所述的基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，其特征在于，所述建立优化B5G通信系统总能量效率的迭代算法，具体步骤包括：将基于B5G通信系统能量效率最大化的数学模型转化为一个凸优化问题；在算法外层获得最优系统能效使用二分算法求解；基于外层迭代的系统能效，在内层获得最优功率分配方案使用功率分配迭代算法。5.根据权利要求4所述的基于B5G通信系统中的平面轨道角动量传输与资源分配方法，其特征在于，所述将基于B5G通信系统能量效率最大化的数学模型转化为一个凸优化问题，具体步骤包括：根据广义分式规划将原能效优化问题P1转化为如下优化问题P2：
其中，R
total
(P)代表系统总体的数据率，PC
total
(P)代表系统总体的硬件损耗，γ(γ
EE
)是关于自变量γ
EE
的单调递减的函数；系统最优能效表示为：将R
total
根据所叠加的模态群个数拆分成如下相应独立的部分：R
total
(P)
‑
γ
EE
PC
total
(P)＝F(P)
‑
H(P)其中F(P)＝f
mg1
(P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐杰，宋彦，陈真，黄嘉毅，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：