CN110225538A - 反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种反射面辅助的非正交多址接入(Non‑Orthogonal Multiple Access,NOMA)通信系统设计方法。本发明提出一种反射面辅助的NOMA通信系统架构，基站端以NOMA方式复用多个用户，用户将来自基站端的直接链路信号和来自反射面的反射链路信号叠加后解码。通过联合优化基站的功率分配和反射面的相移进一步提升系统性能。方案实施简单，且可证明相较于传统无反射面的NOMA以及正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)系统，本发明能极大地提高频谱效率，具有很强的应用价值。

Description

反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法。

背景技术

非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)作为一种新型的接入技术，可以实现多个用户在同一时频资源块中复用传输，从而极大地提高系统频谱效率，被认为是未来无线通信系统中一项极富前景的关键技术。具体来说，功率域的NOMA利用用户间的信道强度差异来实现复用，接收端采用串行干扰消除的方式来解码信息，通过提升接收端的信号处理复杂度来换取更高的频谱效率。研究表明，在用户间的信道强度差异更大的情况下，NOMA相较于传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)可以取得更高的频谱效率增益。

另一方面，近年来，反射面辅助的无线通信系统以其高频谱效率、高能量效率以及成本低廉等优势，迅速引起了学术界和工业界的广泛关注。反射面包含多个无源的反射单元，每个反射单元可以被动地将入射信号进行相位移动并反射，因此通过控制每个反射单元的相移，可以智能地控制反射信号，以达到增加接收信号功率、减小干扰以及安全传输等目的。

发明内容

本发明考虑反射面辅助的NOMA无线通信系统，具体而言，在NOMA通信系统中加入智能反射面，通过调整反射面反射单元的相移，控制反射电磁波信号，从而人工地构建更强且具有显著强度差异的组合信道，以使NOMA传输取得更高的频谱效率。

本发明提出了一种反射面辅助的NOMA系统架构，并且针对下行无线传输，提出了基站端的用户功率分配方案和反射面反射单元的相移方案。

如图1所示，所提出的通信系统包括一个基站、多个用户终端、以及一个智能反射面。本发明考虑在传统的通信系统中，基站端采用NOMA方式复用多个用户，在同一个时频资源块上向多个用户同时传输信息，基站为每个用户数据流分配一定的功率，将多个数据流线性叠加后发送。另一方面，本发明在系统中部署一个智能反射面(IntelligentReflecting Surface，IRS)，智能反射面由多个反射单元以及一个与之相连的控制器组成。每个反射单元为无源器件，可以对入射信号进行相位偏移。反射面控制器可以根据通信性能的需求和信道状态，对每个反射单元的相位偏移进行优化调整。用户不仅可以收到来自基站的直接链路信号，也可以收到来自反射面的反射链路信号，将两路信号叠加后，采用串行干扰消除的方式解码。

考虑基站部署单根天线，反射面的反射单元数目为M，以NOMA方式复用的用户数为K。基站发送信号表示为

其中，P为基站发送功率，x_k是发送给第k个用户的数据流，x_k～CN(0，1)，基站为第k个数据流的分配功率α_kP(0≤α_k≤1，),将K个数据流线性叠加后发送。第k个用户收到的信号可表示为

y_k＝(g_k ^HΘf+v_k)x+w_k (2)

其中，v_k表示基站到第k个用户(k＝1,2,……K)的信道，表示基站到反射面的信道，表示反射面到第k个用户的信道，表示反射面的对角相移矩阵，θ_m∈[0,2π)表示第m个反射单元的相移角度，w_k～CN(0,σ²)表示第k个用户处的功率为σ²的零均值加性高斯白噪声。

本发明考虑接收端采用串行干扰消除的方式解码。由于合成信道与反射面的相移矩阵有关，无法单纯根据信道强度对用户排序，所以本发明采用遍历所有K！种可选排序的方法。在每种排序下，通过求解一个最大化最小的优化问题来联合设计基站的功率分配系数向量α和反射面的相移矩阵Θ，并得到该排序方式下最优的(即最大化最小)信号与干扰加噪声比(Signal-to-interference-plus-noise ratio，SINR)，之后在这些K！个最优SINR当中选取最大的SINR所对应的排序方式、功率分配系数向量α和反射面的相移矩阵Θ作为最终方案。

另外，考虑到在实际的系统中，反射面的相移为离散取值，在得到最优方案后，本发明对相移矩阵Θ做离散化，即每个反射单元取距其精确值最近的相移值作为相移角度。本发明进而比较了反射面相移为离散取值时，系统性能相较于连续取值的损失。

本发明的有益效果是：本发明提出一种反射面辅助的NOMA通信系统架构，基站端以NOMA方式复用多个用户，用户将来自基站端的直接链路信号和来自反射面的反射链路信号叠加后解码。通过联合优化基站的功率分配和反射面的相移进一步提升系统性能。方案实施简单，且可证明相较于传统无反射面的NOMA以及OMA系统，本发明能极大地提高频谱效率，具有很强的应用价值。

附图说明

图1示出了本发明的系统组成示意图；

图2为反射面辅助NOMA与无反射面NOMA以及OMA的速率比较图；

图3为反射面辅助NOMA系统下，不同数目离散相位与连续相位的速率比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出一个智能反射面辅助的下行NOMA通信系统。系统由一个部署单天线的基站、K个单天线用户和一个智能反射面组成。智能反射面包含M个无源反射单元及一个与其相连的控制器；其中，每个反射单元将入射信号相位偏移后反射，控制器可以动态调整反射单元的相位偏移以增强NOMA传输性能。

基站到第k个用户(k＝1,2,……,K)的信道表示为v_k,v_k～CN(0，1),其中CN(μ，σ²)表示均值为μ方差为σ²的循环对称复高斯分布。由于基站到智能反射面的信道往往存在视距(Line-of-Sight,LoS)路径，因此使用莱斯分布来建模该信道，也即是

其中，K₁是f的莱斯因子，和分别为视距路径分量和非视距(None-Line-of-Sight,NLoS)路径分量。的元素相互独立，且均服从CN(0，1)分布。同理，智能反射面与用户k之间的信道建模为

其中，K₂是g的莱斯因子，和分别为视距路径分量和非视距路径分量。

基站发送功率为P，x_k是发送给第k个用户的数据流，x_k～CN(0，1)，基站为第k个数据流的分配功率α_kP(0≤α_k≤1，),并将K个数据流的线性叠加后发送。所以基站端发送的信号表示为

第k个用户收到的信号可以表示为

y_k＝(g_k ^HΘf+v_k)x+w_k (6)

其中，是反射面的对角相移矩阵，θ_m∈[0,2π)表示第m个反射单元的相移角度，w_k～CN(0,σ²)表示第k个用户处的功率为σ²的零均值加性高斯白噪声。

用户采用串行干扰消除的方法来解码，串行干扰消除方式的解码顺序是从信道最弱的用户到信道最强的用户。在本发明所提出的通信系统中，合成信道(g_k ^HΘf+v_k)与相移值Θ有关，所以无法通过信道测量对用户排序，最优的用户解码顺序可能为K！(即K的阶乘)种顺序中的任意一种。所以，本发明采用以下方式确定最优解码顺序。所有可能的解码顺序表示为集合S＝{S₁,…,S_u,…S_K！}，其中元素S_u＝{1_u,…,k_u,…,K_u}表示第u种用户排序方式，其中k_u表示该排序方式下合成信道第k弱的用户，k_u＝1_u,…,K_u。根据串行干扰消除的原理，用户k_u可以解码t_u用户的信号，其中t_u＝1_u，…，(k-1)_u，并将解码信号从接收的信号中减去以消除这些信号带来的干扰。

用户k_u解码用户t_u信号的信号与干扰加噪声比(SINR)为

用户k_u减去来自t_u用户信号的干扰后，解码自身的信号，把其他用户(k+1)_u,…,K_u的信

号当作干扰，相应的SINR为

由此，用户k_u的可达速率为

用户K_u可解码t_u用户的信号，其中t_u＝1_u，…，(K-1)_u，其可达速率为

接下来为了最大化系统的速率性能同时保证用户公平性，建立如下最大化最小优化问题，即通过联合优化基站的功率分配系数向量α和反射面的相移矩阵Θ，来最大化最小的解码SINR。在每种排序方式S_u下，通过求解此优化问题得到最大化最小的SINR(Q_u ^*)，然后获得最优的SINR(Q^**)可为

其中，第一个和第二个约束条件为保证每个用户的速率大于Q，其中Q是一个表示最小SINR的松弛变量，第三个约束是为了确保串行干扰消除的正确性，也就是用户k_u解码用户t_u信号的SINR不小于某定值，第四个第五个约束分别为功率分配系数的归一化约束和非负约束，第六个约束为反射单元的相移范围约束。

以上问题是包含耦合变量和非凸约束函数的非凸优化问题，可以综合利用交替优化(如块坐标下降(Block Coordinate Decent))技术、凸近似优化(如连续凸优化(Successive Convex Optimization,))技术、以及半正定松弛(SemidefiniteRelaxation)技术，通过高效的迭代算法进行求解。

为说明该系统在频谱效率上的优越性，引入另外两种系统作为对比参照。一种为传统没有反射面的NOMA系统，仅通过优化基站功率分配来提高频谱效率，另一种为传统没有反射面的正交多址接入(OMA)系统，通过优化多用户下行正交传输的时间分配来提高频谱效率。

图2比较了IRS辅助的NOMA系统与两种对比参照系统的用户速率性能。仿真参数设置如下，基站到用户的信道建模为瑞利信道，大尺度路径损耗设定为10^-3d^-4(d为距离，单位为米)，基站到反射面的信道和反射面到用户的信道建模为莱斯信道，大尺度路径损耗分别设定为10^-3d^-2和10^-3d^-2.5。考虑两个用户，即K＝2，基站到反射面的距离设定为50米，基站到两个用户的距离均设定为60米，反射面到两个用户的距离均设定为15米。设定莱斯因子K₁＝K₂＝10，ρ＝5dB，σ²＝-114dBm。分别设定反射单元数量为M＝20,40,60。可以观察到用户1和用户2达到几乎相同的速率，取得了良好的公平性。相较于传统无反射面的NOMA系统和OMA系统，反射面辅助的NOMA可以取得显著的速率增益，同时增益随反射单元的增多而增大。此外，传统NOMA系统的速率性能几乎与OMA系统相同，这是因为基站到用户1和用户2的信道具有相同的(平均)信道强度。本发明提出的反射面辅助NOMA系统的实际意义在于，在多个用户具有相近甚至相同信道强度的情况下，它能够比传统NOMA系统和OMA系统获得更大的速率增益。

另外，在实际系统中，反射面具有有限的相位分辨率。我们设定量化比特为B，则离散相位取值集合为每一个连续相移值被量化为它在集合中最接近的离散值。

图3比较了在不同相位量化比特下的最大最小速率。观察可知，与连续相位相比，反射面的有限相位分辨率通常会降低最大最小速率，但随着离散比特B的增加，速率性能的降低变得忽略不计。例如，发送功率P＝10dBm时，量化比特B＝1、2、3、4和5时，最大化最小速率分别降低22.2％、10.3％、3.4％、3.2％和2.7％。即使是在最粗略最低成本的1比特相位量化器的情况下，与传统的OMA和NOMA基准相比，所提出的反射面辅助NOMA将最大最小速率分别提高了24.1％和20.0％。在实用中更精细的多比特相位量化器的情况下，所提出的反射面辅助NOMA的速率性能增益更显著。

Claims (2)

1.反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法，其特征在于，所述通信系统包括一个基站、多个用户终端、以及一个智能反射面；基站采用NOMA方式复用多个用户，在同一个时频资源块上向多个用户同时传输信息，基站为每个用户数据流分配一定的功率，将多个数据流线性叠加后发送；智能反射面由多个反射单元以及一个与之相连的反射面控制器组成，每个反射单元为无源器件，可以对入射信号进行相位偏移，反射面控制器根据通信性能的需求和信道状态，对每个反射单元的相位偏移进行调整；用户不仅可以收到来自基站的直接链路信号，也可以收到来自反射面的反射链路信号，将两路信号叠加后，采用串行干扰消除的方式解码。

2.根据权利要求1所述的反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法，其特征在于，基站端的用户功率分配和反射面反射单元的相移方法为：

令基站部署单根天线，反射面的反射单元数目为M，以NOMA方式复用的用户数为K，基站发送信号表示为：

其中，P为基站发送功率，x_k是发送给第k个用户的数据流，k＝1,2,……K，x_k～CN(0，1)，基站为第k个数据流的分配功率α_kP,0≤α_k≤1，将K个数据流的线性叠加后发送，第k个用户收到的信号为：

y_k＝(g_k ^HΘf+v_k)x+w_k

其中，v_k表示基站到第k个用户的信道，表示基站到反射面的信道，表示反射面到第k个用户的信道，表示反射面的对角相移矩阵，θ_m∈[0,2π)表示第m个反射单元的相移角度，w_k～CN(0，σ²)表示第k个用户处的功率为σ²加性高斯白噪声；

以最大化系统的速率性能同时保证用户公平性为前提，建立如下最大化最小优化问题，即通过联合优化基站的功率分配系数向量α和反射面的相移矩阵Θ，来最大化最小的解码SINR：

其中，第一个和第二个约束条件为保证每个用户的速率大于Q，其中Q是一个表示最小SINR的松弛变量，第三个约束是为了确保串行干扰消除的正确性，也就是用户解码用户信号的SINR不小于某定值，第四个第五个约束分别为功率分配系数的归一化约束和非负约束，第六个约束为反射单元的相移范围约束；

串行干扰消除方式的解码顺序是从信道最弱的用户到信道最强的用户，遍历所有K！可能的排序，在每种排序方式下，通过求解上述优化问题来设计基站的功率分配系数向量α和反射面的相移矩阵Θ，并得到该排序方式下最优的SINR即SINR(Q^*)，之后在这当中选取最大的SINR所对应的排序方式、功率分配系数向量α和反射面的相移矩阵Θ作为最终结果。