一种基于ARIS辅助NOMA无线携能通信网络资源优化方法

本发明涉及一种基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，属于无线通信。

背景技术：

1、随着物联网中移动用户数量的大幅增加，未来无线网络有望提供可持续、无缝接入的高传输速率通信服务。可重构智能表面(ris)技术通过对每个反射元件的振幅、相位、频率等实时控制，以可控方式重置通信链路、重构无线环境，有效提高信道增益和系统性能。然而，经ris反射的链路，接收端接收到的信号受“双衰落”的影响，为了补偿传统被动ris(pris)辅助链路中双衰落的衰减，提出一种主动可重构智能表面(aris)，相比于传统pris，aris反射单元由于信号负载，能够反射和放大入射信号，从而进一步提升通信网络性能。

2、非正交多址接入(noma)技术能有效提高频谱效率和平衡用户公平性的多用户的接入技术，noma技术允许多个不同的用户在同一时频资源块上进行通信服务，与传统正交多址(oma)相比，解决了受限于正交资源难以满足日益增多的用户接入通信网络需求的问题，有效提高了传输速率和系统容量。

3、无线携能通信(swipt)被认为是一种解决无线通信设备能量受限问题的有效技术。该技术利用射频信号可以同时携带数据信息和电磁能量的双重性，在对设备进行数据传输的同时进行无线充电，从而有效解决物联网中设备能量受限问题，并为支持更高性能的通信提供足够的能量。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对目前传统ris技术的不足，接收端接收到的信号受“双衰落”的影响，提供一种基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，提升系统性能，为降低系统总功率提供重要的技术指导。

2、本发明的技术方案是：一种基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于：

3、step1：根据noma原理，随机分布的地面noma用户采用连续干扰消除(sic)方法，应用于强用户以消除来自弱用户其分配功率更大的信号的干扰，并建立相应的每个用户的和速率。

4、step2：基站采用无线携能通信(swipt)方法为所有用户同时提供信息和能量，每个用户均采用功率分割接收机架构从接收信号中获取能量和信息，并建立用户处相应的信息解码和能量收集。

5、step3：根据noma和swipt以及主动ris辅助noma无线携能通信系统，考虑基站发射功耗和aris放大功耗，建立相对应的功率模型。

6、step4：根据功率模型，在满足用户服务质量、能量收集和aris幅度约束下，通过联合优化aris相移矩阵、基站波束成形和功率分割比，建立相应的非凸且具有高度耦合变量的优化问题，该优化问题目标为最小化系统总功率。

7、step5：对上述非凸且具有高度耦合变量的优化问题利用块坐标下降法分解成三个子问题，采用半正定松弛方法和凸优化工具进行求解，得到原非凸问题的次优解。

8、所述step1具体为：

9、假设基站处进行线性传输预编码，每个noma用户被分配一个专用的信息波束，基站发送的信号表示为：

10、

11、式中，sk为发送给第k个用户的信号，为对应的波束形成矢量；

12、在接收端处，用户接收到发射端基站的叠加编码信号表示为：

13、

14、式中，分别为基站到第k个用户、基站到aris、aris到第k个用户的信道，为aris的反射系数矩阵，且θn∈[0，2π]，βn，n＝{1，…，n}分别表示为第n个反射元件的相移和振幅反射系数；相比于传统被动ris场景中，本发明考虑主动ris辅助swipt-noma系统，βn∈[0,βmax]，由于信号负载，βn取值大于1，即βmax＞1。为aris信号放大产生的热噪声，in为n×n维的单位矩阵，为第k个用户处天线引入的加性高斯白噪声。

15、假设用户1为强用户，用户2为弱用户，两个用户接收到的信号根据信道增益降序排序，即作为sic干扰消除顺序；就用户1而言，先解码用户2的信号，并从接收信号中消除用户2干扰信号来获得用户1的信号；对于用户2，通过将用户1的信号视为干扰解码其自身信号。因此，两个用户和速率可表示为：

16、

17、令信噪比(sinr)表示为

18、

19、式中，γ1,1与γk,2分别为用户1自身解码和解码出用户2的信号与干扰加信噪比γ。

20、所述step2中，建立用户处相应的信息解码和能量收集具体为：

21、用户处的信息解码信号表示为：

22、

23、式中，信号功率ρk∈(0,1)，1-ρk分别用于信息解码和能量收集，为第k个用户执行信号解码产生的噪声；

24、采用线性能量收集模型，接收端处两个用户收集到的能量表示为：

25、

26、式中，ηk∈(0,1)分别为第k个用户处的能量转换效率系数。

27、所述step3中，功率模型具体为：

28、总功率psum表示如下：

29、psum＝pbs+paris

30、其中，为基站发射功率消耗，为aris功率消耗。

31、所述step4具体为：

32、所述的非凸且具有高度耦合变量的优化问题p1为：

33、p1:

34、

35、c2:0≤ρk≤1

36、c3:|θn,n|≤amax

37、

38、式中，约束条件c1为用户qos约束，且视为正确执行sic的最小速率要求；约束条件c2为每个用户接收功率分割比约束；约束条件c3为aris幅度约束，且满足amax＞1表示aris最大允许的振幅值；约束条件c4为每个用户处的能量收集约束，且表示第k个用户最小收集能量门限值。

39、所述step5具体为：

40、step5.1：初始化基站发射波束成形aris相移矩阵θ(0)和功率分割比设置收敛精度ε＝10-3，设置最大迭代次数lmax，迭代次数l＝0；

41、step5.2：根据给定的通过求解问题p2，获得θ(l+1)；

42、step5.3：根据给定的通过解决问题p3，获得

43、step5.4：更根据给定的通过解决问题p4，获得

44、step5.5：更新l＝l+1；

45、step5.5：直到问题目标值的下降低于阈值ε或l≥lmax结束迭代。

46、本发明的有益效果是：本发明考虑每个用户服务质量限制、能量收集限制和aris幅度限制的条件下，通过联合优化aris相移矩阵、基站发射波束成形和用户侧功率分割比，来解决系统总功率最小化问题。相比于现有技术，在不同基站天线数、反射单元个数和用户最低通信需求方面，本发明所提方案aris-noma在降低系统总功率方面优于其他被动ris和传统oma方案，且展现出更好的系统性能。

技术特征：

1.一种基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于，所述step1具体为：

3.根据权利要求1所述的基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于，所述step2中，建立用户处相应的信息解码和能量收集具体为：

4.根据权利要求1所述的基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于，所述step3中，功率模型具体为：

5.根据权利要求1所述的基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于，所述step4具体为：

6.根据权利要求1所述的基于aris辅助noma无线携能通信网络资源优化方法，其特征在于，所述step5具体为：

技术总结
本发明涉及一种基于ARIS辅助NOMA无线携能通信网络资源优化方法，属于无线通信技术领域。本发明在每个用户服务质量限制、能量收集限制和ARIS幅度限制的条件下，优化ARIS相移矩阵、基站发射波束成形和用户侧功率分割比，来实现系统总功率最小化，建立了相应的非凸且具有高度耦合变量的优化问题系统模型。本发明首先利用块坐标下降法将该非凸原问题P1分解成三个子问题。子问题P2：在基于发射波束成形矢量和功率分割比的情况下，对ARIS相移矩阵优化；子问题P3：在固定ARIS相移矩阵和功率分割比情况下，对基站波束成形进行优化；子问题P4：在给定基站发射波束向量和ARIS相移矩阵的情况下，对功率分割比优化。

技术研发人员：唐菁敏,杨莎,宋耀莲
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15