本发明涉及一种star-ris辅助速率分割多址系统的和速率优化方法，属于无线通信。
背景技术：
1、近年来，可重构智能表面(reconfigurable intelligent surfaces,riss)，也称为智能反射表面(intelligent reflecting surface,irs)，被广泛认为是提升网络覆盖和数据速率以满足无处不在的无线连接需求的有前途解决方案。ris基于超材料的平面阵列，包含多个无源反射元件，每个元件可通过智能控制器独立调整相移和幅度，从而精确操纵入射信号的传播路径。作为拥有大量可重构无源元件的平面超表面，ris展现出了广阔的发展前景。通过调节每个元件的相位和幅度，ris能够有效改善入射信号的传播，创造有利的传输环境。然而，传统的ris仅能反射信号，因此只能为ris同一侧180°半平面内的用户提供服务。为克服这一限制，提出了一种新型ris，称为同时透射和反射ris(simultaneouslytransmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface,star-ris)。这种新型ris能够将入射信号同时透射和反射到ris两侧的用户。因此，与传统仅能反射信号的ris相比，star-ris不仅实现了全空间覆盖，还引入了新的自由度(degrees-of-freedom,dof)，从而提升了整体系统性能。
2、随着虚拟现实等先进多媒体应用的迅猛发展，下一代无线网络需要具备高频谱效率和大规模连接能力。非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,noma)通过在功率域中对用户进行分组，能够在相同的频率或时间资源上同时为多个用户提供服务，从而实现比传统正交多址接入(orthogonal multiple access,oma)更高的频谱效率。在noma系统中，用户接收信息时需要解码所有干扰信号，导致信号处理的计算复杂度显著增加。为了解决这一问题，提出了速率分裂多址接入(rate-splitting multiple access,rsma)的概念。rsma的核心思想是将传输给用户的消息分为公共消息和私人消息。公共消息由多个用户共同解码，而私人消息则仅供特定用户接收。在解码公共消息时，用户首先需处理其他用户的干扰；而在解码私人消息时，其他用户的私人消息干扰被视为噪声来处理。通过灵活调整公共消息与私人消息之间的划分比例，可以在rsma中实现计算复杂度与数据传输速率的平衡。然而，在无线网络环境下，rsma的实际应用面临多个挑战，包括公共与私人消息的合理划分、私人消息传输资源的高效管理以及传输过程中消息同步的保障等问题。
3、部署star-ris在增强信道强度和实现全空间覆盖方面具有巨大潜力，特别是在基站与用户之间的链路质量较差的情况下。采用rsma可以通过将消息分割成多个子消息，同时服务多个用户并灵活管理干扰，从而相比传统多址接入方案，获得更高的频谱效率和系统容量。star-ris和rsma的结合为无线通信架构提出了一种新的范式，有效结合了两者的优势，以提升物联网(internet of everything,ioe)网络中的系统性能。一方面，部署大规模的star-ris元件带来了无源阵列增益，从而减少了rsma系统中对大量天线阵列的需求。另一方面，star-ris的最佳幅度和相移设计有效减轻了信道随机性的影响，并简化了rsma系统中连续干扰消除(successive interference cancellation,sic)接收器的复杂设计。
4、综上所述，虽然上述研究内容就star-ris和rsma结合方面取得了一定进展，但大多仅针对特定场景或条件进行了分析，此外，现有研究对于资源分配、功率控制以及信道随机性等问题的考虑仍然不足。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种star-ris辅助速率分割多址系统的和速率优化方法，旨在解决现有研究大多仅针对特定场景或条件进行分析，对于资源分配、功率控制以及信道随机性等问题的考虑仍然不足的技术问题。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种star-ris辅助速率分割多址系统的和速率优化方法，具体步骤为：
3、step1：建立star-ris辅助rsma下行通信系统模型；
4、step2：根据所建立的通信系统模型，以基站波束形成矩阵、star-ris的相移矩阵以及速率分配向量为优化问题，确定以最大化和速率为目标，构建优化目标的问题表述；
5、step3：给定star-ris相移矩阵下，优化基站发射波束成形矩阵和速率分配向量；
6、step4：给定基站发射波束成形矩阵与速率分配向量，优化star-ris相移矩阵；
7、step5：联合优化后的基站发射波束成形矩阵、速率分配向量以及star-ris的相移矩阵，最大化系统和速率。
8、所述step1具体为：
9、step1.1：通信系统由基站、star-ris和用户组成，假设基站bs由nt根均匀线性排列的天线组成，star-ris由m个无源元件单元均匀平面排列，共有n个用户为单根天线；
10、step1.2：通信系统中所有信道均采用莱斯衰落信道模型，假设bs到star-ris的信道增益表示为star-ris到用户的信道增益表示为
11、
12、式中，ωb-s和是bs-star-ris链路和star-ris-用户链路的莱斯因子，glos和rilos表示瑞利分布视距分量，gnlos和rinlos表示非视距分量；
13、step1.3：假设bs、star-ris和用户均能获得理想的信道状态信息，且bs天线采用均匀线性阵列，star-ris使用能量分割协议将覆盖区域划分为透射区和反射区，透射和反射系数分别为和根据能量守恒原则，满足折射和反射系数矩阵为：
14、
15、表示用户是透射区用户还是反射区用户；
16、基于rsma的基本思想得到bs发送的信号为：
17、
18、其中s0表示公有消息，表示为每个用户的私有消息；
19、rsma的基本思想是将发送给第mi用户的的消息分为两部分：公共部分和私有部分。所有用户的公共部分被组合并使用标准码本编码成单个公共消息s0，另一方面，每个私有部分被编码为每个用户的私有消息
20、step1.4：由于bs和用户之间不存在链路，当bs向用户发送信号时，通过star-ris透射或反射信号发送到用户，对于第mi个用户接收的信号yi为：
21、
22、其中，bs与第mi个用户之间的大规模路径损耗表示为α表示路径损耗分量，db-s和分别表示bs与star-ris之间的距离和star-ris与第mi个用户之间的距离，h表示矩阵的转置，ni～cn(0,σ2)表示为第mi个用户的加性高斯白噪声，θi,p为第mi用户的折射和反射系数矩阵；
23、用户mi处的公共信号和私有信号的信干噪比分别为：
24、
25、step1.5：用户mi解码公共流和预期的私有流的可实现速率(bps/hz)分别表示为：
26、ci＝log2(1+γc,i)
27、
28、为确保所有用户都成功解码公共消息，公共消息的速率选择为给定的公共消息mini∈nci和分配给用户mi的速率ai，每个用户接收公共消息的数据速率的约束为：
29、
30、在接收处实现sic操作，每个用户的发射功率满足的约束为：
31、
32、其中，θ是解码信号功率与未解码用户间干扰信号功率加噪声功率之间最小差，系统的和速率为公共速率和可实现的私有流速率的总和，表示为：
33、
34、其中，ri为系统的和速率。
35、所述step2具体为：
36、以联合优化系统网络中bs处的波束成形矩阵w、star-ris相移矩阵θi,p以及速率分配向量，实现最大化系统和速率，因此构建如下式的优化问题：
37、
38、其中，rmin表示所有用户所需的最小速率，w＝[w0；w1；...；wn]表示为bs处的波束成形矩阵，a＝[a1,a2,...,an]t表示为速率分配向量约束；c1表示所有用户的最小速率限制，c2表示确保每个用户可以对公共信息进行解码，c3表示为sic功率约束，p是基站的最大发射功率，c4表示bs的最大发射功率约束，c5和c6表示的是star-ris的折射和反射功率约束，c7为每个用户接收公共消息的数据速率的约束。
39、所述step3具体为：
40、给定有源star-ris的相移矩阵θi,p，优化基站发射波束成形矩阵w和速率分配向量a，采用sca方法处理非凸约束，简化优化问题如下：
41、
42、引入松弛变量ψi和ηi，优化问题重构为：
43、
44、s.t.c8:αi+log2(1+ψi)≥ri
45、
46、c3，c4，c7
47、其中，ψ＝[ψ1,ψ2,...,ψn]和η＝[η1,η2,...,ηn]，对于等价问题的目标函数为凸，式c10、c11和c3使得问题整体为非凸，引入新的非负松弛变量αi，式c10重新表述为：
48、
49、式中通过对相移波束形成的wi的任意旋转后用实数替代，因此约束可以等价为其中表示复数的实部，用一阶泰勒级数代替凸函数式子重新表述为：
50、
51、其中，上标(n-1)表示第(n-1)次迭代时变量的值，引入变量将式c11重新表述为：
52、
53、采用两个凸函数dc的差近似处理式中的非凸性，将公式近似为：
54、
55、左侧为的一阶泰勒级数，通过使用dc近似，c3重新表示为：
56、
57、非凸问题转化为：
58、
59、s.t.c4，c7，c8，c9，c12-c16
60、
61、由此得到优化问题属于一个凸问题，使用matlab中cvx工具包求解该问题。
62、所述step4具体为：
63、step4.1：给定基站发射波束成形向量w与速率分配向量a，优化θi,p，利用fp变化处理目标函数，并将问题转化为一个标准的qcqp二次约束二次规划问题，令φm表示star-ris第m个单元的反射或透射系数，定义为复数形式，φ表示star-ris所有单元的反射或透射系数向量，引入辅助变量采用拉格朗日对偶变换，式中的目标函数等价表示为：
64、
65、第一项衡量信道容量的对数效用，第二项为信道增益和噪声的比值，令获得τ中元素的最优解为：
66、
67、式子重新表述为：
68、
69、s.t.c1，c2，c5，c6
70、f2(φ,τ,υ)表示经过优化与拉格朗日松弛变量调整后的目标函数；
71、step4.2：将上述问题进行化简，由于上式为非凸，引入a1,c、a1,p、b1,p和b1,c辅助变量：
72、
73、根据上式，sinr中的和等价为：
74、
75、令：
76、
77、a2,p＝a1,p+c,
78、
79、b2,p＝b1,p+d
80、则sinr的分母等价为：
81、
82、step4.3：定义则约束条件c1和c2转化为：
83、
84、通过上述变换后，优化问题转化为：
85、
86、s.t.(34),(35),c5,c6
87、其中：
88、
89、step4.4：υ和τ的最优解可以分别由上述得来，使用cvx工具箱获得最佳的透射和反射系数矩阵。
90、所述step5具体为：
91、step5.1：初始化噪声，路损参数，模拟信道信息，基站、star-ris、用户的坐标位置，迭代次数t，最大迭代次数k，设置收敛精度ε；
92、step5.2：通过求解得到速率和、基站发射波束成形矩阵和star-ris相移矩阵的最优解w(t)、θ(t)；
93、step5.3：直到停止迭代。
94、本发明的有益效果在于：与传统的ris辅助rsma方案以及star-ris辅助noma方案相比，本发明能够显著提高系统的通信性能，为提升无线通信系统的通信性能提供了有效的技术参考。