【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信领域，具体涉及一种多层智能超表面辅助的多用户上行通信方法、装置、存储介质和电子设备。
技术介绍
1、第五代移动通信技术的普及促使物联网高速发展，未来无线通信网络中将会出现大量的智能化、小型化终端设备，以支撑人与物、物与物之间的高速连接。大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output，mimo)技术能够显著提升通信容量，从而满足物联网用户的高数据速率需求。现有大规模mimo系统大多数考虑在基站端配置大规模天线阵列，用户端仅配置单根或几根天线，系统整体性能虽然有所提升，但终端上行传输能力依然受限。实际中，在大量的物联网终端配置大规模天线阵列是不现实的，因为大规模数量的射频链硬件成本昂贵，且功耗非常高。
2、可重构智能超表面(reconfigurable intelligence surface，ris)通过独立调整每个表面单元反射电磁波的相位，可实现用于定向信号增强或清零的无源波束成形，其不需要任何发射射频连，与传统的天线阵列相比，可以大大降低硬件复杂度和能耗成本。在发射机配置ris可实现低成本的发射波束赋形，多层ris相比于单层ris不仅能调节电磁波相位，还能调节其幅度，采用多层ris能够实现更好的波束赋形效果，得到更好的无线通信性能。
3、参考文献“stacked intelligent metasurfaces for efficient holographicmimo communications in 6g”(doi:10.1109/jsac.
4、然而，上述文献公开的多层ris辅助发射机的通信方案并不适用于多用户上行通信系统。虽然该方案考虑了多用户，但是其将多层ris配置在基站端实现下行传输中的波束赋形，用户均为单天线。实际物联网场景中，例如安防监控、智慧交通等，存在大量数据上行传输需求，因此亟需提高终端设备的上行传输能力。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种多层智能超表面辅助的多用户上行通信方法、装置、存储介质和电子设备，解决了无法应对大量数据上行传输需求的技术问题。
3、(二)技术方案
4、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
5、一种多层智能超表面辅助的多用户上行通信方法，包括：
6、建立多用户上行通信系统；其中，所述多用户上行通信系统包括多个用户端和一个基站，每个所述用户端配置多层ris面板，每层所述ris面板上有多个独立的单元，所述基站配置多根接收天线；
7、根据所述多用户上行通信系统，以最大化所有用户可达和速率为目标，构建针对上行阶段的用户发射功率、多层ris相移、基站接收波束赋形的联合优化模型；
8、将所述联合优化模型分解为功率分配、相移优化和接收波束赋形设计三个子问题，并采用交替优化算法进行求解，以分别获取功率分配向量、多层ris的相移矩阵和接收波束赋形矩阵的最优解。
9、优选的，定义所述多用户上行通信系统包括k个用户端和一个基站，其中基站配置n根接收天线，每个用户端配置l层ris面板以实现上行波束赋形，每层ris上有m个独立的单元；多层ris面板连接到一个智能控制器，通过该控制器调节每个ris单元的相位；
10、令和分别表示用户、ris面板和每层ris面板上的单元集合；
11、令对角阵表示第k个用户上第l层ris面板的相移矩阵，其中diag(x)表示一个对角阵，对角线元素是向量x中的所有元素，非对角线元素均为0，j表示虚数单元，表示第m个单元的相移；分别表示第l层ris面板到基站之间的信道矩阵，第l-1层到第l层ris面板之间的信道矩阵以及用户发射天线到第1层ris面板之间的信道矩阵，表示复数域，l≥2；则基站处接收到的信号为：
12、
13、其中和pk分别为第k个用户发射的符号和发射功率，是基站处加性高斯白噪声向量，噪声功率为σ2，ξ表示电磁波穿透每层ris面板时的幅度损耗系数；
14、基站采用接收向量解码第k个用户的信号，得到第k个用户解码后的信号为：
15、
16、其中xh表示矩阵x的共轭转置；
17、对于每个用户来说，信道采用相同的模型建模，第l-1层ris面板上的第个元素到第l层面板上的第m个单元之间的信道为：
18、
19、其中表示传输距离，表示传播方向与第l-1层面板法线之间的夹角；
20、基站处解码信号sk的信干噪比可表示为：
21、
22、其中因此第k个用户的传输速率为：
23、rk＝log2(1+γk)
24、其中log表示对数函数。
25、优选的，所述联合优化模型表示为：
26、(p1)
27、s.t.c1:
28、c2:
29、c3:
30、其中p＝[p1,p2,…,pk]t表示所有用户的传输功率组成的向量，表示基站处的接收波束赋形矩阵，pk,max表示第k个用户的最大传输功率，|x|表示复数x的求模运算，rk表示最小传输速率门限。
31、优选的，并采用交替优化算法进行求解，以分别获取功率分配向量、多层ris的相移矩阵和接收波束赋形矩阵的最优解；包括：
32、s10、令迭代计数t＝0,及初始化相移矩阵接收波束赋形矩阵v(0)和所有用户可达和速率
33、s20、根据当前的和v(t)，求解问题(sp1)，得到相应的功率分配向量p(t+1)；其中所述问题(sp1)是指功率分配子问题；
34、s30、令l＝1；
35、s40、若1≤l≤l，则转入s50；否则转入s60；
36、s50、根据当前的v(t)、p(t+1)、和求解问题(sp2)，得到相应的多层ris的相移矩阵并令l＝l+1，返回s40；其中所述问题(sp2)是指相移优化子问题；
37、s60、根据当前的p(t+1)和求解问题(sp3)，得到相应的接收波束赋形矩阵v(t+1)；其中所述问题(sp3)是指接收波束赋形设计子问题；
38、s70、将当前的p(t+1)、和v(t+1)代入所述联合优化模型，得到相应的所有用户可达和速率
39、s80、计算当前收敛值
40、s90、判断t是否等于最大迭代次数tmax或者δ是否小于收敛阈值δ，若是则结束算法，并输出当前的功率分配向量的局部最优解p*、多层ris的相移矩阵的局部最优解接收波束赋形矩阵的局部最优解v*，分别作为所述功率分配向量、多层ris的相移矩阵和接收波本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多层智能超表面辅助的多用户上行通信方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的多用户上行通信方法，其特征在于，
3.如权利要求2所述的多用户上行通信方法，其特征在于，所述联合优化模型表示为：
4.如权利要求3所述的多用户上行通信方法，其特征在于，采用交替优化算法进行求解，以分别获取功率分配向量、多层RIS的相移矩阵和接收波束赋形矩阵的最优解；包括：
5.如权利要求3所述的多用户上行通信方法，其特征在于，求解功率分配子问题的过程包括：
6.如权利要求5所述的多用户上行通信方法，其特征在于，采用逐层相位矩阵优化方法求解相移优化子问题；包括：
7.如权利要求6所述的多用户上行通信方法，其特征在于，求解接收波束赋形设计子问题的过程包括：
8.一种多层智能超表面辅助的多用户上行通信装置，其特征在于，包括：
9.一种存储介质，其特征在于，其存储有用于多层智能超表面辅助的多用户上行通信的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如权利要求1～7任一项所述的多用户上行通信方法。
...【技术特征摘要】
1.一种多层智能超表面辅助的多用户上行通信方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的多用户上行通信方法，其特征在于，
3.如权利要求2所述的多用户上行通信方法，其特征在于，所述联合优化模型表示为：
4.如权利要求3所述的多用户上行通信方法，其特征在于，采用交替优化算法进行求解，以分别获取功率分配向量、多层ris的相移矩阵和接收波束赋形矩阵的最优解；包括：
5.如权利要求3所述的多用户上行通信方法，其特征在于，求解功率分配子问题的过程包括：
6.如权利...
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