一种基于RIS智能分配模块服务多用户系统的研究方案技术方案

本发明专利技术公开一种基于RIS智能分配模块服务多用户系统的研究方案，该方案考虑了不同位置用户的视距(LoS)场景。首先分析了RIS中模块数量的分配。进而推导了在不同信道质量下具有相同数据传输和速率的模块个数。数值和仿真结果验证了推导表达式的正确性。最后，阐明了在RIS辅助NOMA系统中，在不同传输功率下，是否存在使得不同信道质量下传输数据和速率相等的模块数量值的结论。本发明专利技术通过将RIS的模块划分为两个部分，更多的模块数量服务于远端用户，较少的模块数量服务于近端用户。通过求解公式问题，可以得到在不同信道质量下具有相同传输数据和速率的分配模块数量的封闭表达式。数值结果验证了分析的正确性，并表明了所提方案的优越性。优越性。优越性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于RIS智能分配模块服务多用户系统的研究方案


[0001]本专利技术涉及一种基于RIS智能分配模块服务多用户系统的研究方案，属于无线网络


技术介绍

[0002]非正交多址(NOMA)被认为是未来移动网络中一个很有前途的多址候选方案。随着未来第六代(6G)无线网络的发展和具有挑战性的需求，无线通信的未来充满了机遇与挑战。然而从传统的无线通信开始，由于发射的无线电波与周围物体之间不可控的相互作用，降低了接收到的信号质量。
[0003]另一方面，具有实时可重构特征的反射表面最近在移动通信领域引起了人们的兴趣，如可重构智能表面(RIS)和软件控制超表面，以使传输适应传播环境。因此，智能反射面(IRS)或可重构智能面(RIS)被引入到新兴的无线网络中，作为一种有望提高能源和频谱效率的体系结构。RIS是由大量廉价的被动反射元件组成的电磁材料表面，由预编程控制器控制。通过适当调节反射元件的相移，既能增强所需信号，抑制不需要的信号，又能有效改善无线电传输环境，使局部信道状态信息(CSI)可控。
[0004]受上述NOMA和RIS技术特性的启发，最近的一些工作探索了将NOMA与RIS集成以提高网络性能。结果表明：RIS辅助无线网络在提供大量模块数量时可以带来更大的性能增益。显然，即使系统性能得到了相应的提高，大量部署RISs也会导致过高的开销和成本，虽然现有技术中提出有一种下行RIS辅助NOMA系统，阐述了通过RIS实现NOMA与相应目的地同步通信的优点，但并未涉及在NOMA原则下，RIS智能分配模块数量服务不同信道所导致的速率变化问题，同时现有技术中推导有NOMA技术下RIS服务单用户可达容量的紧上界，但是并未考虑RIS在服务多用户时数据传输和速率的变化。
[0005]因此，虽然通过NOMA和RIS集成有助于提高性能。然而，不同信道质量下数据传输和速率的平衡点如何计算已然成为重点研究的趋势。

技术实现思路

[0006]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智能分配模块服务多用户系统的研究方案，本方案通过对不同信道质量下数据传输和速率的平衡点的研究计算，从而有效解决对RIS模块数量分配的问题。
[0007]‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
[0008]2.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智能分配模块服务多用户系统的研究方案，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤S1:建立系统信道模型，系统模型包括发射源S、RIS辅助元件以及用户B和用户E；假设信道是LoS视距衰落，信道增益与相应的距离成反比，假设只考虑距离造成的路径损失，发射源S到用户E(H2)的信道增益大于S到B(H1)的信道增益,通过增加RIS元件辅助的信道增益随着N2的增加而增加；信道增益||H1||可以完全优于||H2||，其中||
·
||表示向量
的范数；根据检测到的信号结果，比较RIS辅助信道和LoS、E信道的质量，从用户公平的角度考虑功率分配因子的设置；式中，设a
i
(i∈{1，2})为功率分配因子，且a1+a2＝1，则定义发射源S处的传输信号为X＝a1x1+a2x2，得到两种功率分配方法:
[0010][0011]步骤S2:考虑S到B和E的直连链路，分别用h
SB
∈C和h
SE
∈C表示；对于N个模块数量固定的RIS,将RIS的表面分为两个扇区；η模块数量的扇区服务于用户E，(N
‑
η)模块数量扇区服务于用户B；为提高用户的可达容量，信号从源通过RIS传输到两个用户；S到RIS和RIS到B的通道系数为到B的通道系数为S到RIS和RIS到E的通道系数分别为和此外，假设所有信道都服从瑞利衰落分布。这样，用户B和用户E接收到的信号可以表示为
[0012][0013][0014]式中，P表示S的传输功率，x1、x2为ψ∈[0，1]表示服务用户B的RIS扇区相移矩阵，α∈(0，1]表示振幅反射系数，α＝1对应无损耗反射，ψ∈[0，2π)表示i＝1时第i个模块引起的相移；I＝1，...N
‑
η，表示分配给用户E的RIS扇区的相移矩阵，φ
j
∈[0，2π)表示j＝1，...，η和n为均值和方差均为零的加性高斯白噪声(AWGN)；
[0015]步骤S3:在系统中，用户B需要有一个更高功率分配的信息x1并且解码x2作为干扰；另一方面，根据NOMA解码准则，由于用户E只需要低功率的x2信息，故在解码x2之前需要先将x1作为干扰进行解码，所以在用户E，有以下的接收信噪比：
[0016][0017]对x2的噪声信号进行SIC处理，将信号解码为：
[0018][0019]由于目的地为完全确知信道，并且可以优化相移变量，因此RIS辅助方案的信噪比为
[0020][0021]因此，和速率可以表示为
[0022][0023]其中为x的绝对值和期望值；
[0024]步骤S4：通过智能分配模块数量来提高不同用户的信道质量，推导了NOMA条件下具有相同传输数据和速率的模块数量；根据NOMA通信系统规则，距离越远的用户信道质量越差，因此会分配更高的功率分配系数；因此，式(7)中的最小值可进行简化；最终得到模块数量分配的最终表达式为
[0025][0026]因此，由封闭式η可以得到分配给用户B的模块数量，以使不同信道质量的传输数据和速率相等；
[0027]步骤S5:通过数值结果来评估系统的性能，假设所有信道都遵循瑞利衰落，路径损耗指数为2.2；通过数据可以看出当当条件设置为较小的信噪比时，存在不同信道质量下数据传输和速率相同的模块数量，但当发射源的传输功率增大，即信噪比逐渐增大后，使和速率相等的模块数量也会增加；因此，不同信道质量下具有相同和速率的模块数量只存在于小信噪比下，而当信噪比较大时，不同信道质量下不存在相同和速率的模块数量。
[0028]进一步的，所述步骤S4中式(7)中的最小值可进行简化具体为：
[0029](1)功率分配系数:a1＞a2[0030]根据NOMA原理，信道质量差的信道功率分配系数较大，需要满足a1+a2＝1的条件；当a1＞a2时，用户E离发射源越近，通道质量越好；可以推断h
SB
＜h
SE
,因此，根据式(4)和式(6)可进一步推导出:和因此式(7)可简化为：
[0031][0032](2)功率分配系数:a
′1＜a
′2[0033]当a
′1＜a
′2时，用户B离信号源越近，信道质量越好；可以推断h
SB
＞h
SE
和同样，可以进一步推导出和则式(7)可化简为
[0034][0035]RIS中考虑了理想无源波束成形与完美信道估计(PCE)，并假设所有模块具有相同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于RIS智能分配模块服务多用户系统的研究方案，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：建立系统信道模型，系统模型包括发射源S、RIS辅助元件以及用户B和用户E；假设信道是LoS视距衰落，信道增益与相应的距离成反比，假设只考虑距离造成的路径损失，发射源S到用户E(H2)的信道增益大于S到B(H1)的信道增益，通过增加RIS元件辅助的信道增益随着N2的增加而增加；信道增益||H1||可以完全优于||H2||，其中||
·
||表示向量的范数；根据检测到的信号结果，比较RIS辅助信道和LoS、E信道的质量，从用户公平的角度考虑功率分配因子的设置；式中，设a
i
(i∈{1，2})为功率分配因子，且a1+a2＝1，则定义发射源S处的传输信号为X＝a1x1+a2x2，得到两种功率分配方法：步骤S2：考虑S到B和E的直连链路，分别用h
SB
∈C和h
SE
∈C表示；对于N个模块数量固定的RIS，将RIS的表面分为两个扇区；η模块数量的扇区服务于用户E，(N
‑
η)模块数量扇区服务于用户B；为提高用户的可达容量，信号从源通过RIS传输到两个用户；S到RIS和RIS到B的通道系数为S到RIS和RIS到E的通道系数分别为和此外，假设所有信道都服从瑞利衰落分布。这样，用户B和用户E接收到的信号可以表示为号可以表示为式中，P表示S的传输功率，x1、x2为ψ∈[0，1]表示服务用户B的RIS扇区相移矩阵，α∈(0，1]表示振幅反射系数，α＝1对应无损耗反射，ψ∈[0，2π)表示i＝1时第i个模块引起的相移；I＝1，...N
‑
η，表示分配给用户E的RIS扇区的相移矩阵，φ
j
∈[0，2π)表示j＝1，...，η和n为均值和方差均为零的加性高斯白噪声(AWGN)；步骤S3：在系统中，用户B需要有一个更高功率分配的信息x1并且解码τ2作为干扰；另一方面，根据NOMA解码准则，由于用户E只需要低功率的x2信息，故在解码x2之前需要先将x1作为干扰进行解码，所以在用户E，有以下的接收信噪比：对x2的噪声信号进行SIC处理，将信号解码为：由于目的地为完全确知信道，并且可以优化相移变量，因此RIS辅助方案的信噪比为
因此，和速率可以表示为其中为x的绝对值和期望值；步骤S4：通过智能分配模块数量来提高不同用户的信道质量，推导了NOMA条件下具有相同传输数据和速率的模块数量；根据NOMA通信系统规则，距离越远的用户信道质量越差，因此会分配更高的功率分配系数；因此，式(7)中的最小值可进行简化；最终得到模块数量分配的最终表达式为因此，由封闭式η可以得到分配给用户B的模块数量，以使不同信道质量的传输数据和速率相等；步骤S5：通过数值结果来评估系统的性能，假设所有信道都遵循瑞利衰落，路径损耗指数为2.2；通过数据可以看出当当条件设置为较小的信噪比时，存在不同信道质量下数据传输和速率相同的模块数量，但当...

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