一种双RIS协作辅助的NOMA系统上行传输方法及装置

本发明属于无线通信，具体涉及双ris协作辅助的noma系统上行传输方法及装置。

背景技术：

1、毫米波通信是解决b5g(beyond 5g)乃至6g通信系统中用户服务质量不断增高的问题的关键技术，然而由于其处于较高频段，面临覆盖范围有限，易阻塞和路径损耗高等问题。随着智能材料的发展，智能超表面ris作为一种具备极高的性价比和能效的关键技术有望解决毫米波通信中的这些问题。智能超表面ris由大量无源可重构单元组成，可以安装在较大的平面上(如室内的墙壁或天花板、室外的建筑物或标志)，通过合理的调整其可重构单元的相位，可以反射障碍物周围的射频能量，并在毫米波源和目的地之间创建虚拟的视距传播路径(line-of-sight，los)。

2、另一方面，传统oma技术往往是通过牺牲无线资源来换取性能的，在未来通信系统中，需要支持大规模的链接和更高的频谱效率，因此迫切需要一种新的多址接入技术解决这个问题。非正交多址接入技术可以将同一无线资源分配给多个用户，为解决频谱短缺问题提供了一个新的思路。将智能超表面ris与noma技术进行结合可进一步提升系统的频谱效率与功率效率，进而通过联合优化基站发出的有源波束和通过智能超表面ris反射之后的无源波束可以更好的提高系统的性能；

3、但是目前关于协作智能超表面ris辅助oma系统方案都没有高效利用noma系统的功率资源，导致noma系统的总功耗浪费。

技术实现思路

1、本发明提供了一种双ris协作辅助的noma系统上行传输方法及装置，利用noma系统可以叠加编码与连续干扰删除的优势和智能超表面ris在增强有用信号与抵消干扰信号两方面的优势，提高noma系统的性能同时降低总功耗。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种双ris协作辅助的noma系统上行传输方法，包括：

4、建立noma系统中用户群体a与基站bs之间、用户群体b与基站bs之间、智能超表面ris 1与基站bs之间、智能超表面ris 2与基站bs之间以及智能超表面ris 1与智能超表面ris 2之间的信道模型；

5、构建基站bs接收端的总接收信号数学模型y；按照noma系统数据上行传输的解调顺序，基于总接收信号数学模型y分别确定用户群体a和用户群体b中用户个体发送信号的信噪比表达式；

6、利用所述信噪比表达式表示各用户个体的数据传输速率，添加用户群体a和用户群体b中各用户个体最低数据传输速率的限定条件，以最小化noma系统的总发射功率为优化目标建立优化问题p1，其中，优化变量为所述用户个体的信号发射功率以及智能超表面ris 1与智能超表面ris 2的相移矩阵变量；

7、固定智能超表面ris 1的相移矩阵，更新用户群体b中各用户个体的信号发射功率p2,k，对优化问题p1进行优化求解获得智能超表面ris 2的最优相移矩阵φ2；

8、固定智能超表面ris 2的相移矩阵，更新用户群体a中各用户个体的信号发射功率p1,k；对优化问题p1进行优化求解获得智能超表面ris 1的最优相移矩阵φ1；

9、根据最优相移矩阵φ1控制智能超表面ris 1动作或者根据最优相移矩阵φ2控制智能超表面ris 2动作，辅助noma系统进行数据上行传输。

10、优选的，建立noma系统中用户群体a与基站bs之间、用户群体b与基站bs之间、智能超表面ris 1与基站bs之间、智能超表面ris 2与基站bs之间以及智能超表面ris 1与智能超表面ris 2之间的信道模型的方法包括：

11、利用莱斯衰落信道建立智能超表面ris 1与基站bs之间、智能超表面ris 2与基站bs之间以及智能超表面ris 1与智能超表面ris 2之间的信道模型；

12、将用户群体a与基站bs之间的信道模型表示为：

13、h1,i＝g1φ1u1,i

14、将用户群体b与基站bs之间的信道模型表示为：

15、h2,j＝g2φ2u2,j+g1φ1dφ2u2,j

16、公式中，h1,i表示为用户群体a与基站bs之间的信道模型，h2,j为用户群体b与基站bs之间的信道模型，表示基站bs与智能超表面ris 1之间的信道，表示为复数向量；表示基站bs与智能超表面ris 2之间的信道，m1表示为智能超表面ris 1中可重构单元数目，m2表示为智能超表面ris 2中可重构单元数目；表示智能超表面ris1与个体用户u[1,i]之间的信道，个体用户u[1,i]表示用户群体a中第i号个体用户，表示智能超表面ris 2与用户u[2,j]之间的信道，个体用户u[2,j]表示用户群体b中第j号个体用户；表示智能超表面ris 1与智能超表面ris 2之间的信道；表示智能超表面ris 1的相移矩阵，表示智能超表面ris 2的相移矩阵；φ2,1至φ2,m2表示为智能超表面ris 2中可重构单元的相位；φ1,1至φ1,m1表示为智能超表面ris 1中可重构单元的相位；j表示为虚数；θρ,m表示为智能超表面risρ中第m个可重构单元的幅度系数，ρ∈{1,2}，m∈{1,…,mρ}；

17、将每个可重构单元的幅度系数均设置为一个最大值，即θρ,m＝1；将每个可重构单元的相位均匀量化为一组离散值，记为ω表示为相位分辨率。

18、优选的，构建基站bs接收端的总接收信号数学模型y，表达公式为：

19、

20、其中，p1,k和s1,k分别为用户个体u[1,k]的发射功率和归一化的发射信号；p2,k和s2,k分别为用户个体u[2,k]的发射功率和归一化的发射信号；为服从均值为0，方差为σ2的复高斯白噪声；用户个体u[1,k]表示为用户群体a中第i号个体用户，用户个体u[2,k]分别表示为用户群体b中第k号个体用户；k1表示为用户群体a中个体用户的数量；k2表示为用户群体b中个体用户的数量。

21、优选的，按照noma系统数据上行传输的解调顺序，基于总接收信号数学模型y分别确定用户群体a和用户群体b中用户个体发送信号的信噪比表达式的方法包括：

22、设定智能超表面ris 1与基站bs的距离小于智能超表面ris 2与基站bs的距离；根据上行noma通信系统的解码顺序，基站首先解码用户群体a中信道质量最优的信号，之后使用sic技术将该信号从叠加的总接收信号数学模型y中删除，再解码用户群体a中信道次优的信号，重复解码直至将用户群体a的所有用户的信号从总接收信号数学模型y中全部删除之后，开始解码用户群体b中的信号；

23、用户群体a中个体用户u[1,k]发送信号的信噪比表达式为：

24、

25、用户群体b中个体用户u[2,k]发送信号的信噪比表达式为：

26、

27、公式中，γ1,k表示为用户群体a中个体用户u[1,k]发送信号的信噪比；γ2,k表示为用户群体b中个体用户u[2,k]发送信号的信噪比。

28、优选的，以最小化noma系统的总发射功率为优化目标建立优化问题p1，表达公式为：

29、p1:

30、s.t.c1:

31、c2:

32、公式中，表示个体用户u[ρ,k]的最低数据速率。

33、优选的，更新用户群体b中各用户个体的信号发射功率p2,k，表达公式为：

34、

35、其中，当i＞k时，当i＝k，

36、优选的，更新用户群体a中各用户个体的信号发射功率p1,k，表达公式为：

37、

38、

39、其中，当i＞k时，当i＝k，

40、优选的，对优化问题p1进行优化求解获得智能超表面ris 2的最优相移矩阵φ2的方法包括：

41、在固定智能超表面ris 1的相移矩阵的前提下，将优化问题p1转化为优化问题p4，优化问题p4的表达公式为：

42、p4:

43、s.t.c4:

44、c5:

45、

46、

47、

48、

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、

57、

58、

59、公式中，re{·}表示为复数的实部，im{·}表示为复数的虚部；为θ1的转置矩阵；表示为sg,k的共轭复数；表示为tg,k的共轭复数；θ2,l,m表示为l次迭代过程中ris2的前m-1个可重构单元的相位；

60、通过一维搜索对优化问题p4进行优化求解获得智能超表面ris 2的最优相移矩阵φ2。

61、优选的，对优化问题p1进行优化求解获得智能超表面ris 1的最优相移矩阵φ1的方法包括：

62、在固定智能超表面ris 2的相移矩阵的前提下，将优化问题p1转化为优化问题p6，优化问题p6的表达公式为：

63、p6:

64、s.t.c7:

65、c8:

66、

67、sf,k＝r1,k[m]θ1,l,m-1[m]

68、

69、

70、

71、

72、

73、

74、

75、

76、

77、

78、

79、

80、

81、

82、

83、公式中，表示为sf,k的共轭复数；表示为tf,k的共轭复数；表示为se,k的共轭复数；表示为te,k的共轭复数；θ1,l,m表示为l次迭代过程中ris 1的前m-1个可重构单元的相位；

84、通过一维搜索对优化问题p6进行优化求解获得智能超表面ris 1的最优相移矩阵φ1。

85、本发明第三方面提供了电子设备，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。

86、与现有技术相比，本发明的有益效果：

87、本发明构建基站bs接收端的总接收信号数学模型y；按照noma系统数据上行传输的解调顺序，基于总接收信号数学模型y分别确定用户群体a和用户群体b中用户个体发送信号的信噪比表达式；利用所述信噪比表达式表示各用户个体的数据传输速率，添加用户群体a和用户群体b中各用户个体最低数据传输速率的限定条件，以最小化noma系统的总发射功率为优化目标建立优化问题p1；利用noma系统可以叠加编码与连续干扰删除的优势，提高了noma系统的功率资源利用效率。

88、本发明固定智能超表面ris 1的相移矩阵，更新用户群体b中各用户个体的信号发射功率p2,k，对优化问题p1进行优化求解获得智能超表面ris 2的最优相移矩阵φ2；固定智能超表面ris 2的相移矩阵，更新用户群体a中各用户个体的信号发射功率p1,k；对优化问题p1进行优化求解获得智能超表面ris 1的最优相移矩阵φ1；通过联合设计两个ris的相移变量、所有用户的功率控制来最小化该系统总功耗，利用智能超表面ris在增强有用信号与抵消干扰信号两方面的优势，提高noma系统的性能同时降低总功耗。