基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO-NOMA系统优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO

【技术实现步骤摘要】
基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统优化方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，涉及一种基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统优化方法。

技术介绍

[0002]多RIS辅助MIMO
‑
NOMA是一种新兴技术，结合了两种强大的通信技术，即多输入多输出(MIMO)和非正交多址(NOMA)。近年来，由于该技术具有提高无线通信系统的容量和频谱效率的潜力，因此引起了极大的关注。MIMO是一种在发射器和接收器上使用多个天线以提高无线通信质量和可靠性的技术。MIMO技术通过在多个天线上传输多个数据流来利用无线信道的空间分集。由于能够提高无线通信系统的容量和可靠性，该技术近年来变得越来越流行。与传统的单输入单输出(SISO)系统相比，MIMO技术具有多项优势。首先，MIMO系统提供空间复用，这意味着可以在同一频带上同时传输多个数据流。这提高了无线通信系统的数据速率和频谱效率。其次，MIMO系统提供多样性，有助于减轻无线信道中衰落和干扰的影响。最后，MIMO系统提供波束成形，允许向特定用户传输聚焦波束，增加信号强度并减少干扰。非正交多址接入(NOMA)是一种利用叠加编码和连续干扰消除(SIC)技术，允许多个用户共享同一频段的技术。在传统的正交多址(OMA)系统中，每个用户都分配了一个单独的频段，这可能导致可用频谱未得到充分利用。NOMA技术通过允许多个用户共享同一频段解决了这个问题，提高了无线通信系统的频谱效率。
[0003]可重构智能表面(RIS)是由大量反射元素组成的超薄平面结构，RIS可用于通过在特定方向反射、折射或衍射无线信号来增强无线通信系统的性能，进而通过实时调整反射信号的相位和幅度来优化无线信道。RIS中每个元件的反射系数都可以通过调节来控制反射信号的方向和幅度。通过优化RIS的反射系数，可以提高无线通信系统的信号强度和质量。RIS辅助MIMO
‑
NOMA系统可以显著提高性能，同时为下一代无线通信系统提供了一个潜在的技术方案。
[0004]尽管目前RIS辅助NOMA的研究已经取得了很多成果，但是传统信号模型中大多数考虑的是单个RIS来完成所有用户的信道配置，在用户数量过多时效果可能会不太理想。即使有的文章考虑了多个RIS的研究，簇内功率分配也只有两个用户。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统优化方法，解决了传统信号模型中单个RIS服务用户数量过多，从而无法有效配置所有用户信道的问题。本专利技术通过构建一种更具普适性的信号模型，同时考虑使用多个RIS，来辅助完成所有用户的信道配置，从而解决RIS相移联合簇内功率分配以及波束赋形来最大化系统和速率的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统优化方法，具体包括以下
步骤：
[0008]S1：构建多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统；
[0009]为了提高传输性能，按照一定的用户分簇规则，将KF个用户分成F个簇，同时在簇中适当的位置部署一个RIS。
[0010]S2：构建目标函数和约束条件：通过联合优化基站的发射波束成型矩阵V、RIS相移矩阵Φ和簇内功率分配p，将三者联合的解决方法表达为一个约束优化问题P1，在RIS相移约束、用户速率约束和发射功率的约束下，最大化MIMO
‑
NOMA系统和速率；
[0011]S3：通过交替优化的方法对优化问题P1进行求解。
[0012]进一步，步骤S1中，构建多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统，具体包括：假设系统中有KF个配备了L根天线的用户、F个RIS和配备了M根发射天线的BS；为了提高频谱效率，将服务的KF个用户分成F个簇，每个簇中有K个用户；每个RIS均配备N≥1个反射元件，以协助用户接收来自BS的信号；RIS的相移可以通过RIS控制器进行编程和配置，因此每个用户接收来自BS
‑
用户(直接)链路和RIS
‑
用户(反射)链路的叠加信号；每个簇都远离其他簇，因此可以合理地忽略服务于其他簇RIS造成的干扰；令RIS的有效相移和幅度系数矩阵为β
f,n
∈(0,1]表示RIS元素n的幅度系数，j表示虚数单位，θ
n
∈(0,2π]表示RIS元素n的相移；在实际应用中，通常需要使RIS反射的信号最大化，所以取β
f,n
＝1；
[0013]假设每个节点都有完美的CSI，因此簇f中用户k的信号可以表示为：
[0014][0015]其中，s
f,k
是要传输给簇f中用户k的有用信息信号，其中，(
·
)
H
和分别表示共轭转置和随机变量的期望；表示簇f中用户k对应BS分配的功率，是预编码矩阵V的第f列，G
f,k
是簇f中RIS和用户k之间的瑞利信道矩阵，且Φ
f
是簇f中RIS的有效相移和幅度系数矩阵，H
f
是BS到第f簇中RIS链路的莱斯信道矩阵，且W
f,k
是簇f中BS和用户k之间的瑞利信道矩阵，且是簇f中BS和用户k之间的瑞利信道矩阵，且为簇f中第k个用户处均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；
[0016]在下行MIMO
‑
NOMA通信网络中，信号强度最强的用户先解码，并通过串行干扰消除技术来消除信号强度弱的用户的干扰；为了简化分析，假设用户信道增益的顺序为：
[0017]|(G
f,1
Φ
f
H
f
+W
f,1
)v
f
|2≥
…
≥|(G
f,k
Φ
f
H
f
+W
f,k
)v
f
|2≥
…
≥|(G
f,K
Φ
f
H
f
+W
f,K
)v
f
|2ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0018]信道增益越小的用户应分配更多功率的原则，则波束内各用户所分配的功率应满足：
[0019]p
f,1
≤
…
≤p
f,k
≤
…
≤p
f,K
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]根据下行MIMO
‑
NOMA系统解调规则，簇f中用户k在解调自身信号之前，需要先解调出同簇中所有信道增益弱于其的用户，即簇f中用户k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于和速率最大化的多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：构建多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统；S2：构建目标函数和约束条件：通过联合优化基站的发射波束成型矩阵V、RIS相移矩阵Φ和簇内功率分配p，将三者联合的解决方法表达为一个约束优化问题P1，在RIS相移约束、用户速率约束和发射功率的约束下，最大化MIMO
‑
NOMA系统和速率；S3：通过交替优化的方法对优化问题P1进行求解。2.根据权利要求1所述的多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统优化方法，其特征在于，步骤S1中，构建多RIS辅助下行MIMO
‑
NOMA系统，具体包括：假设系统中有KF个配备了L根天线的用户、F个RIS和配备了M根发射天线的BS；将服务的KF个用户分成F个簇，每个簇中有K个用户；每个RIS均配备N≥1个反射元件，以协助用户接收来自BS的信号；每个用户接收来自BS
‑
用户链路和RIS
‑
用户链路的叠加信号；忽略服务于其他簇RIS造成的干扰；令RIS的有效相移和幅度系数矩阵为β
f,n
∈(0,1]表示RIS元素n的幅度系数，j表示虚数单位，θ
n
∈(0,2π]表示RIS元素n的相移；假设每个节点都有完美的CSI，因此簇f中用户k的信号表示为：其中，s
f,k
是要传输给簇f中用户k的有用信息信号，其中，(
·
)
H
和分别表示共轭转置和随机变量的期望；表示簇f中用户k对应BS分配的功率，是预编码矩阵V的第f列，G
f,k
是簇f中RIS和用户k之间的瑞利信道矩阵，且Φ
f
是簇f中RIS的有效相移和幅度系数矩阵，H
f
是BS到第f簇中RIS链路的莱斯信道矩阵，且W
f,k
是簇f中BS和用户k之间的瑞利信道矩阵，且为簇f中第k个用户处均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；在下行MIMO
‑
NOMA通信网络中，信号强度最强的用户先解码，并通过串行干扰消除技术来消除信号强度弱的用户的干扰；假设用户信道增益的顺序为：|(G
f,1
Φ
f
H
f
+W
f,1
)v
f
|2≥
…
≥|(G
f,k
Φ
f
H
f
+W
f,k
)v
f
|2≥
…
≥|(G
f,K
Φ
f
H
f
+W
f,K
)v
f
|...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴介绍，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：