一种基于RIS-NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于RIS

【技术实现步骤摘要】
一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法


[0001]本专利技术涉及一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，属于无线通信系统


技术介绍

[0002]由于具有实现智能无线电环境的潜力，可重构智能表面(ReconfigurableIntelligent Surfaces,RIS)已成为一种节能且经济高效的技术，以支持未来无线通信系统设想的各种新兴服务和应用场景。RIS由大量低成本无源反射元件组成，每个元件都为入射信号引入相移，从而可以在发射器和接收器之间创建可控的传播环境。最近的研究结果表明，在低硬件复杂度和低成本的情况下，使用 RIS可以在频谱和能量效率方面获得显著的收益。
[0003]作为提高频谱效率和支持大规模连接设备的另一种有前景的技术，非正交多址接入(Non
‑
orthogonal Multiple Access,NOMA)引起了业界和学术界的广泛关注。与传统的正交多址(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术不同，NOMA 允许多个用户设备(User Equipments,UE)通过在发射机处部署叠加编码和在接收机处部署连续干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC) 来利用相同的资源(射频、时隙、编码等)，从而消除NOMA内的用户干扰。功率域NOMA允许为信道条件较差的UE(称其为“远”NOMA用户设备)与信道条件良好的UE(称其为“近”NOMA用户设备)同时服务。事实证明，与OMA技术相比， NOMA取得了显著的收益。
[0004]为了进一步提高NOMA系统的性能，在[7]中提出了一个引人注目的扩展，即 C
‑
NOMA(Cooperative NOMA,C
‑
NOMA)。在C
‑
NOMA系统中，为了更好地保证用户公平性，其允许远距离UE在两个时隙中接收来自基站的和近距离UE的信号。具体来说，借助设备到设备(Device
‑
to
‑
Device,D2D)通信和半双工 (Half
‑
Duplex,HD)或全双工(Full
‑
Duplex,FD)中继，近距离NOMA UE还可以充当为远距离NOMA UE服务的解码转发(Decode
‑
and
‑
Forward,DF)中继。因此，通过添加远近NOMA UE之间的合作链接作为新的分集等级，C
‑
NOMA可以实现比传统NOMA更高的空间分集和更好的公平性。
[0005]虽然C
‑
NOMA技术可以进一步提高频谱效率，但远距离UE的性能在很大程度上受到近距离UE中继容量的限制。为了克服这一挑战，我们使用RIS来帮助从基站到近距离UE的直接传输和从近距离UE到远距离UE的合作中继传输。在RIS 的协助下，可以同时提高在近距离UE处和中继传输处的成功解码概率。
[0006]大多数现有RIS
‑
NOMA研究都是根据预估的信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)进行设计。例如，在RIS反射发生之前，假设近距离UE具有比远距离UE更好的信道条件，这决定了NOMA信号的功率分配系数和近距离 UE处的信号解码顺序。然而，在实践中，RIS的信号相移需要时间，因为它是通过将输入信号延迟一定时间来实现的。因此，在反射之后，实际信道增益可能会发生变化，并且与估计的CSI不同。结果，在SIC过程
中，近距离UE可能无法解码接收到的NOMA信号。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，从而解决上述技术问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤1：考虑了一个支持RIS的两UE C
‑
NOMA系统，该系统由一个单天线基站、一个由UEn表示的近距离UE、一个由UEf表示的远距离UE和一个具有M个反射元件的RIS组成，基站与NOMA同时为UEn和UEf服务，为了提高远端用户的性能，用作DF HD中继的UEn以D2D方式将所需信号传输到UEf；RIS被配置为分别用于改善从基站到UEn的无线服务和增强从UEn到UEf的D2D通信；
[0010]步骤二：通过利用Nakagami
‑
m衰落的分布特性和有效功率增益，导出了与 RIS相关的信道增益的最坏和最佳情况表达式，从而简化用于表征系统性能的 OPs上下限的推导；
[0011]步骤三：通过仿真结果，以检验所考虑的RIS辅助的C
‑
NOMA系统在OP和可实现速率方面的性能。
[0012]进一步的，所述步骤一中两UE C
‑
NOMA系统的传输模型包括直接传输和协作中继传输；
[0013]所述直接传输的方法为：基站对发送到UE
n
和UE
n
的信号应用叠加编码；为了有效利用RIS反射并降低RIS处被动波束成形的复杂性，假设RIS旨在增强在直接传输中从基站到UE
n
的链路；在直接传输期间，近距离UE总是比远距离UE具有更高的信道增益，并且基站像传统的NOMA那样为U
En
分配更大的功率分配因子；因此，U
En
首先执行SIC以解码U
Ef
的所需信号，然后从其自身接收到的信号中取消U
Ef
的解码信号；之后，U
En
从上述过程所得到的结果中解码其自己的信号；而 U
Ef
将U
En
的信号视为噪声。
[0014]此外，将表示为RIS在第一阶段的相移矩阵，其中表示第一阶段中RIS的第m 个元素的相移；然后，在传输方向上的RIS反射系数通常可以写成
[0015][0016]式中h
rn，m
和h
br，m
分别为h
rn
和h
br
的第m个元素；
[0017]考虑将直接传输中的RIS配置为增强UE
n
接收功率。为了使RIS带来的功率增益最大化，将相移设为用三角不等式对接收振幅的一个简单应用来表示；因此，在直接传输中，UE
n
处的等效功率增益可定义为
[0018][0019]所述协作中继传输具体方法：在协作中继阶段中，假设SIC在UE
n
成功实现，并通过D2D信道和RIS反射转发UE
f
的所需信号；因此，这两个信号将在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，其特征在于，方法包括以下步骤：步骤1：考虑了一个支持RIS的两UE C
‑
NOMA系统，该系统由一个单天线基站、一个由UEn表示的近距离UE、一个由UEf表示的远距离UE和一个具有M个反射元件的RIS组成，基站与NOMA同时为UEn和UEf服务，为了提高远端用户的性能，用作DF HD中继的UEn以D2D方式将所需信号传输到UEf；RIS被配置为分别用于改善从基站到UEn的无线服务和增强从UEn到UEf的D2D通信；步骤二：通过利用Nakagami
‑
m衰落的分布特性和有效功率增益，导出了与RIS相关的信道增益的最坏和最佳情况表达式，从而简化用于表征系统性能的OPs上下限的推导；步骤三：通过仿真结果，以检验所考虑的RIS辅助的C
‑
NOMA系统在OP和可实现速率方面的性能。2.根据权利要求1所述的一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，其特征在于，所述步骤一中两UE C
‑
NOMA系统的传输模型包括直接传输和协作中继传输；所述直接传输的方法为：基站对发送到UE
n
和UE
n
的信号应用叠加编码；为了有效利用RIS反射并降低RIS处被动波束成形的复杂性，假设RIS旨在增强在直接传输中从基站到UE
n
的链路；在直接传输期间，近距离UE总是比远距离UE具有更高的信道增益，并且基站像传统的NOMA那样为U
En
分配更大的功率分配因子；因此，U
En
首先执行SIC以解码U
Ef
的所需信号，然后从其自身接收到的信号中取消U
Ef
的解码信号；之后，U
En
从上述过程所得到的结果中解码其自己的信号；而U
Ef
将U
En
的信号视为噪声。此外，将表示为RIS在第一阶段的相移矩阵，其中表示第一阶段中RIS的第m个元素的相移；然后，在传输方向上的RIS反射系数通常可以写成式中h
rm，m
和h
br，m
分别为h
rn
和h
br
的第m个元素；考虑将直接传输中的RIS配置为增强UE
n
接收功率。为了使RIS带来的功率增益最大化，将相移设为用三角不等式对接收振幅的一个简单应用来表示；因此，在直接传输中，UE
n
处的等效功率增益可定义为所述协作中继传输具体方法：在协作中继阶段中，假设SIC在UE
n
成功实现，并通过D2D信道和RIS反射转发UE
f
的所需信号；因此，这两个信号将在UE
f
处被接收，其中一个是由UE
n
的传输产生的，另一个是根据RIS的反射产生的；最后，UE
f
组合来自BS、RIS和UE
n
的接收信号，然后解码其所需信号；由于UE
n
在HD模型中工作，BS在第二阶段保持沉默。在协作中继传输中，RIS智能地为UE
f
进行配置，其相移矩阵由表示；类似地，可以将第m个元件的相应最佳相移设置为
其中h
rf，m
和h
nr，m
分别是h
rf
和h
nr
的第m个元素。因此，在第二阶段，UE
f
处的有效功率增益由下式得出：考虑不同的链路具有瑞利衰落或Nakagami衰落的特征；由于强散射环境，假设直接链路，即BS
→
UE
n
，BS
→
UE
f
和UE
n
→
UE
f
采用瑞利衰落模型；因此，信道增益|h
xy
|2是具有概率密度函数(Probability Density Function,PDF)的指数随机变量，其中x∈{b，n}且y∈{n，f}，否则，其中λ
xy
表示|h
xy
|2的平均值，可以用代替。为了准确捕捉RIS的性能，与RIS相关的间接链接，即BS
→
RIS，RIS
→
UE
n
，UE
n
→
RIS和RIS
→
UE
f
经历Nakagami
‑
m衰落，衰落参数分别为m
br
，m
rn
，m
nr
和m
nf
；通过调整参数m，可以在各种视距(LoS)和非视距(NLoS)传播条件之间切换；Nakagami
‑
m衰落的PDF表示为其中m表示衰落参数，Γ(
·
)表示伽玛函数；当m是整数时，Γ(m)＝(m
‑
1)！；在一般衰落分布的基础上，Nakagami
‑
m具有伽马分布的功率，因此在某些条件下可以精确获得一些结果。3.根据权利要求1所述的一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，其特征在于，通过利用Nakagami
‑
m衰落的分布特性和有效功率增益，导出了与RIS相关的信道增益的最坏和最佳情况表达式具体为：UE
n
的有效信道增益|g
bn
|2的最坏情况分布公式为|g
bn，l
|2～Γ(k
bn，l
，λ
bn，l
)， (18)其中Γ(
·
，
·
)表示伽马分布，和另一方面，|g
bn
|2的最佳情况分布公式为|g
bn，u
|2～Γ(k
bn，u
，λ
bn，u
)， (19)其中，其中，以类似的方式，基于等式(3)中的有效信道增益，UE
f
的有效信道增益|g
nf
|2的最坏情况分布可从以下公式获得：|g
nf，l
|2～Γ(k
nf，l
，λ
nf，l
)， (20)其中，此外，|g
nf
|2的最佳情况分布如下所示：|g
nf，u
|2～Γ(k
nf，u
，λ
nf，u
) (21)其中，
4.根据权利要求1所述的一种基于RIS
‑
NOMA网络的协作D2D系统及其性能提升分析方法，其特征在于，信号模型和可达速率：在直接传输的第一阶段，在基站处发送给UE
n
和UE
f
的信号的叠加混合表示为其中和分别表示UE
n
和UE
f
的预期信号，且和P
BS
表示基站的发射功率，α表示UE
n
的功率分配系数；UE
n
位于基站附近，在直接传输阶段，RIS设计用于提高UE
n
的功率增益；因此，在第一阶段具有RIS反射的情况下，UE
n
仍然比UE
f
具有更好的信道增益。因此，根据NOMA原则，功率分配系数应满足α＜0.5，以便执行下行NOMA；UE
n
处的接收信号可以表示为其中是均值为零和方差为的加性高斯白噪声(AWGN)，g
bn
表示UE
n
处的接收功率增益；根据NOMA原理，UE
n
采用SIC对UE
f...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜衍，谷晓会，章国安，段玮，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：