CN115915362A - 一种star-ris辅助的noma系统上行低功耗传输方法 - Google Patents

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CN115915362A
CN115915362A CN202211066287.9A CN202211066287A CN115915362A CN 115915362 A CN115915362 A CN 115915362A CN 202211066287 A CN202211066287 A CN 202211066287A CN 115915362 A CN115915362 A CN 115915362A
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马昊淳
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Abstract

本发明公开了一种STAR‑RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，包括：建立系统所需要的中心用户与基站之间、STAR‑RIS与基站之间、以及透射区用户/反射区用户与STAR‑RIS之间的信道模型，再计算基站接收端总接收信号的数学表达式；基于NOMA系统的解调顺序和总接收信号的数学表达式，对不同用户进行排序，获得不同用户的信干噪比和可达速率表达式；建立用户发射功率、透射/反射波束形成器以及时间分配的原始优化问题，交替优化用户发射功率、透射/反射系数矩阵以及时间分配系数变量，对原始优化问题进行收敛后求解，得到NOMA系统最小化总发射功率。

Description

一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法
技术领域
本发明涉及一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，具体涉及一种同时投射与反射的可重构智能表面辅助非正交多址系统上行低功耗传输方法，属于无线通信中非正交多址接入技术领域。
背景技术
可重构智能表面RIS作为第六代无线通信系统的一种新技术，用于提高频谱效率和能量效率。RIS是一个由大量低价无源器件组成的平面，几乎不会引入能源消耗，RIS通过调节入射信号的振幅和相位，能够提升通信系统的性能。然而，这些优势大多仅集中在RIS只能反射入射信号的情况，需要基站和用户位于RIS的同一侧，缺乏部署的灵活性。由于传统RIS辅助的NOMA系统只能服务单侧用户，为了提供全方位的无线覆盖，因此出现了同时投射和反射的可重构智能表面STAR-RIS辅助的NOMA系统。
目前关于STAR-RIS辅助的NOMA系统传输方法并没有充分联合优化用户的发射功率、投射和反射的波束形成器以及时间分配。对于STAR-RIS辅助OMA方案，没有利用系统可以叠加编码与连续干扰删除的优势，对于传统的RIS辅助NOMA方案，不能发挥出STAR-RIS部署灵活性，对于无RIS辅助NOMA方案，没有利用RIS在增强有用信号与抵消干扰信号两方面的优势。因此，在STAR-RIS辅助的NOMA系统中，传统RIS系统的功率分配与相位偏移方案设计并不能充分发挥STAR-RIS对双侧用户信道配置的优势，无法充分释放STAR-RIS辅助NOMA技术在节省发射功耗方面的潜在优势，无法实现高效利用系统的功率资源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，实现高效利用系统的功率资源。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立系统所需要的中心用户与基站之间、STAR-RIS与基站之间、以及透射区用户/反射区用户与STAR-RIS之间的信道模型；
根据信道模型，计算基站接收端总接收信号的数学表达式；
基于NOMA系统的解调顺序和总接收信号的数学表达式，对不同用户进行排序，获得不同用户的信干噪比和可达速率表达式；
建立用户发射功率、透射/反射波束形成器以及时间分配的原始优化问题，交替优化用户发射功率、透射/反射系数矩阵以及时间分配系数变量；
对原始优化问题进行收敛后求解，得到NOMA系统最小化总发射功率。
进一步的，所述基站接收端总接收信号的数学表达式为：
Figure BDA0003828542650000021
其中，
Figure BDA0003828542650000022
表示第k个中心用户的传输数据，
Figure BDA0003828542650000023
表示第k个边缘用户的传输数据；
Figure BDA0003828542650000024
表示第k个中心用户的发射功率，
Figure BDA0003828542650000025
表示第k个边缘用户的发射功率；Θq表示STAR-RIS的反射/投射系数矩阵；
Figure BDA0003828542650000026
表示均值为0、方差为σ2的复高斯噪声；
Figure BDA0003828542650000027
表示第k个透射区/反射区用户与STAR-RIS之间的信道链路，fBS,I表示BS和STAR-RIS之间的通信链路，
Figure BDA0003828542650000028
表示BS和第k个中心用户之间的信道链路。
进一步的，所述可达速率表达式如下：
Figure BDA0003828542650000031
Figure BDA0003828542650000032
其中，
Figure BDA0003828542650000033
表示中心用户的可达速率，
Figure BDA0003828542650000034
表示边缘用户的可达速率，ηq表示用于投射用户或反射用户传输的时间分配系数；
Figure BDA0003828542650000035
表示第k个中心区用户的信干噪比，
Figure BDA0003828542650000036
表示第k个透射区/反射区用户的信干噪比。
进一步的，所述原始优化问题表示如下：
Figure BDA0003828542650000037
s.t.Q1:ηt＝1-ηr,ηr∈[0,1]
Figure BDA0003828542650000038
Figure BDA0003828542650000039
Q4:|[Θq]m|＝1
Figure BDA00038285426500000310
Figure BDA00038285426500000311
其中，
Figure BDA00038285426500000312
和
Figure BDA00038285426500000313
表示用户所需的最低传输速率，其中k∈κq∪κC,q∈{r t,}m,∈{1,…2M,}，约束条件Q1表示：STAR-RIS采用正交时隙协议；约束条件Q2与Q3表示用户的传输速率高于最低速率需求；约束条件Q4表示每个反射元素只改变入射信号的相移；约束条件Q5与Q6表示NOMA系统用户信道的强弱次序。
进一步的，对原始优化问题进行收敛的具体步骤如下：
当反射/投射系数矩阵和时间分配系数固定，将原始优化问题转化成第一子优化问题，利用矛盾法求解，得到用户最优发射功率；
当用户发射功率和时间分配系数固定，将原始优化问题转化为第二子优化问题，得到反射/投射系数矩阵的最优解；
当用户发射功率和反射/投射系数矩阵固定，通过使用拉格朗日乘子法将原始优化问题转化为第三子优化问题，采用一维搜索方法得到时间分配系数的最优解；
进一步的，得到用户最优发射功率的方法步骤如下：
利用矛盾法求解第一子优化问题，所述第一子优化问题表示如下：
Figure BDA0003828542650000041
Figure BDA0003828542650000042
Figure BDA0003828542650000043
第一子优化问题得到最优解时，约束条件取等号，得到透射区/反射区用户最优发射功率的闭合表达式，表示如下：
Figure BDA0003828542650000044
其中，
Figure BDA0003828542650000045
当i＞k，
Figure BDA0003828542650000046
当i＝k，
Figure BDA0003828542650000047
将透射区/反射区用户的最优发射功率代入中心区用户最低速率需求的约束条件中，得到中心区用户最优发射功率的闭合表达式如下：
Figure BDA0003828542650000048
其中，
Figure BDA0003828542650000051
当i＞k，
Figure BDA0003828542650000052
当i＝k，
Figure BDA0003828542650000053
Figure BDA0003828542650000054
进一步的，得到反射/投射系数矩阵的最优解具体方法步骤如下：
将原优化问题放束为半正定规划问题，利用凸优化求解工具求解半正定规划问题；
通过对半正定规划问题最优解进行特征值分解，取最大特征值对应的特征向量作为近似解，使其满足秩一约束；
对分解后的每个元素进行归一化操作，满足单位模约束，得到反射/投射系数矩阵的最优解。
进一步的，所述第二子优化问题表示如下：
Figure BDA0003828542650000055
Figure BDA0003828542650000056
Figure BDA0003828542650000057
|[Θq]m|＝1；
定义
Figure BDA0003828542650000058
和bq＝[diag{Θq},1]T，其中
Figure BDA0003828542650000059
Figure BDA00038285426500000512
表示哈达玛乘积运算，将第二子优化问题简化为优化问题P4，表示如下：
Figure BDA00038285426500000510
Figure BDA00038285426500000511
|[Θq]m|＝1
在满足秩一约束的基础上，引入辅助矩阵，转换优化问题P4中的目标函数；根据目标函数，转换优化问题P4为优化问题P5，表示如下：
Figure BDA0003828542650000061
Figure BDA0003828542650000062
Figure BDA0003828542650000063
Bq≥0
rank(Bq)＝1，
忽略秩一约束，利用CVX工具包获得半正定规划问题的最优解。
进一步的，得到时间分配系数最优解的方法步骤如下：
使用拉格朗日乘子法将原始优化问题转化为第三子优化问题，所述第三子优化问题为无约束的非线性优化问题，具体表示如下：
Figure BDA0003828542650000064
s.t.ηt＝1-ηr
使用一维搜索方法对第三子优化问题求解得到时间分配系数的最优解。
进一步的，对优化问题进行求解包括依次循环迭代权利要求5所述步骤，重复对优化问题进行收敛至优化目标函数值收敛，得到系统最优的用户发射功率、透射/反射系数矩阵以及时间分配系数。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果包括：
本发明研究了一种STAR-RIS辅助的上行NOMA系统上行低功耗传输方法，通过联合设计RIS的相移、功率控制和时间分配，最小化STAR-RIS辅助的NOMA上行链路的总功耗；
基于BCA、SDP和一维搜索技术，开发了新的算法解决时间分配优化问题，大幅度降低STAR-RIS辅助的上行NOMA系统的总发射功耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行传输模型图；
图2是本发明实施例提供的不同最小信噪比条件下，NOMA系统总发射功耗曲线图；
图3是本发明实施例提供的不同STAR-RIS重构单元数目条件下，NOMA系统总发射功耗曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明考虑非正交多址接入系统NOMA的上行传输，其中基站BS部署在小区的中心，其覆盖半径为RB。具有M个可重构单元的同时投射与反射的可重构智能表面STAR-RIS部署于小区的边缘，协助小区边缘用户的数据传输，其覆盖半径为RI。
根据BS和STAR-RIS的部署，将小区整个空间分为三个部分，即小区中心区、小区边缘反射区和小区边缘透射区。此外，小区中心区、小区边缘反射区和小区边缘透射区用户的数量分别为KC、KR和KT，BS和反射区用户在STAR-RIS的同一侧，而透射区用户在另一侧。小区中心区、小区边缘反射区和小区边缘透射区用户集合分别表示为κC＝{1,2,…,KC}、κR＝{1,2,…,KR}和κT＝{1,2,…,KT}。用户和基站均配备单根天线，中心区用户位于基站BS附近，可以直接与基站BS通信，反射区用户和透射区用户通过直连信号与STAR-RIS反射/透射信道将消息传输给BS。
本发明提供的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行传输方法，其系统模型示意图如图1所示，具体传输方法包括以下步骤：
S1：建立系统中心区用户与基站之间、STAR-RIS与基站之间以及透射区/反射区用户与STAR-RIS之间的信道模型。
中心用户位于小区的中心区域，BS和第k个中心用户之间的信道链路表示为：
Figure BDA0003828542650000081
其中，
Figure BDA0003828542650000082
表示BS与中心用户的路径损耗指数，
Figure BDA0003828542650000083
表示BS和第k个中心用户之间的传播距离，
Figure BDA0003828542650000084
表示BS和第k个中心用户之间的小尺度衰落。
BS和小区中心用户之间信道的小尺度衰落相互独立且服从瑞利衰落，遵循均值为0、方差为1的复高斯分布，即
Figure BDA0003828542650000085
同理，BS和第k个反射/投射用户之间的直连信道表示为
Figure BDA0003828542650000086
qk∈κq，q∈{T,R}，其中，
Figure BDA0003828542650000087
表示BS与反射/投射用户的路径损耗指数，
Figure BDA0003828542650000088
表示BS和第k个反射/投射用户之间的传播距离，
Figure BDA0003828542650000089
表示BS和第k个反射/投射用户之间的小尺度衰落。
BS和反射/投射用户之间直连信道的小尺度衰落相互独立且服从瑞利衰落，遵循均值为0、方差为1的复高斯分布，即
Figure BDA00038285426500000810
设
Figure BDA00038285426500000811
作为BS和STAR-RIS之间的通道链路，由于STAR-RIS可以预先部署在事先选择的位置，保证STAR-RIS与其服务用户之间存在视距链路，BS和STAR-RIS之间的信道链路通过Rician衰落建模，其信道建模如下：
Figure BDA0003828542650000091
其中，fBS,I为BS和STAR-RIS之间的通信链路，K1表示信道的莱斯因子，
Figure BDA0003828542650000092
表示视距链路分量，
Figure BDA0003828542650000093
表示信道的非视距链路分量，dBS,I表示BS和STAR-RIS之间传播距离，
Figure BDA0003828542650000094
表示路径损耗指数。
第k个透射区/反射区用户与STAR-RIS之间的信道链路表示为
Figure BDA0003828542650000095
将STAR-RIS部署在透射区/反射区用户附近，用以提高信道质量，具体
Figure BDA0003828542650000096
的建模如下：
Figure BDA0003828542650000097
其中，k∈κq,q∈{R,T}，K2表示
Figure BDA0003828542650000098
的莱斯因子，
Figure BDA0003828542650000099
表示视距链路分量，
Figure BDA00038285426500000910
表示信道的非视距链路分量，
Figure BDA00038285426500000911
表示第k个透射区/反射区用户和STAR-RIS之间传播距离，
Figure BDA00038285426500000912
表示路径损耗指数。
S2：根据信道模型与收发模式，得到基站接收端总接收信号的数学表达式。
考虑到路径损耗，忽略由STAR-RIS反射或透射两次以上的用户信号，可以得到在透射/反射周期内在BS处接收信号zq的表达式为：
Figure BDA00038285426500000913
其中，
Figure BDA00038285426500000914
表示第k个中心用户的传输数据，
Figure BDA00038285426500000915
表示第k个边缘用户的传输数据；
Figure BDA00038285426500000916
表示第k个中心用户的发射功率，
Figure BDA00038285426500000917
表示第k个边缘用户的发射功率；Θq表示STAR-RIS的反射/投射系数矩阵；nq表示均值为0、方差为σ2的复高斯噪声。
S3：根据上行NOMA系统的解调原则，分别对中心区用户、反射区用户和透射区用户进行排序，先解调信道条件好的用户，再将已解调用户的信号从总接收信号数学表达式中依次删除，再根据删除解调信号后接收信号的数学表达式，分别得到不同用户信干噪比的表达式，并进一步得到各个用户的可达速率表达式。
具体过程如下：中心区用户由于路径损失较小，比反射区用户和透射区用户有更好的信道条件，根据上行NOMA系统的解码顺序，BS首先通过将透射区/反射区用户的信号作为干扰，对中心区用户的信号进行解码。在透射/反射期间，BS利用连续干扰消除SIC删除中心区用户的信号后，在不受中心区用户干扰的情况下，对透射区/反射区用户的信号进行解码。
假设KC个中心用户的信道排序如下：
Figure BDA0003828542650000101
同理，Kq个透射区/反射区用户排序如下：
Figure BDA0003828542650000102
因此，在透射/反射期间，第k个中心区用户的信干噪比SINR表示为：
Figure BDA0003828542650000103
第k个透射区/反射区用户的SINR可以表示为：
Figure BDA0003828542650000104
综合，第k个中心区用户和透射区/反射区用户对应的可达速率分别表示为：
Figure BDA0003828542650000111
Figure BDA0003828542650000112
其中，ηq表示用于投射用户或反射用户传输的时间分配系数。
S4，在满足各个用户最小传输速率需求的前提下，建立用户发射功率、透射/反射波束形成器以及时间分配系数的联合优化问题P1，优化目标为最小化系统的总发射功率，优化变量为各用户发射功率、反射/投射系数矩阵以及时间分配系数。
为了在保证各个用户服务质量的前提下降低系统总传输功率，建立原始优化问题P1如下：
Figure BDA0003828542650000113
s.t.Q1:ηt＝1-ηr,ηr∈[0,1]
Figure BDA0003828542650000114
Figure BDA0003828542650000115
Q4:|[Θq]m|＝1
Figure BDA0003828542650000116
Figure BDA0003828542650000117
其中，
Figure BDA0003828542650000118
和
Figure BDA0003828542650000119
是表示用户所需的最低传输速率，其中k∈κq∪κC,q∈{r,t},m∈{1,2,…,M}，约束条件Q1表示：STAR-RIS采用正交时隙协议；约束条件Q2与Q3表示用户的传输速率高于最低速率需求；约束条件Q4确保每个反射元素只改变入射信号的相移；约束条件Q5与Q6表示NOMA系统用户信道的强弱次序。
S5：原始优化问题P1的目标函数中优化变量Θq、ηq和
Figure BDA0003828542650000121
之间是高度耦合的，且约束条件Q2-Q4为非线性且非凸的，因此原始优化问题P1为复杂的非凸优化问题。由于每个优化变量都位于不同的约束条件下，具体的，约束Q1是ηq的约束，Q2和Q3是
Figure BDA0003828542650000122
的约束，Q4是Θq的约束。
为了进一步求解原始优化问题，把原始优化问题P1分解为三个子优化问题，进一步采用交替优化方法分别得到各个子优化问题的最优解，具体操作如下：
(1)当反射/投射系数矩阵Θq和时间分配系数ηq固定，利用矛盾法得到简化后优化问题取最优值时，约束条件应该取等号，从而利用等式关系先得到透射区/反射区用户最优发射功率
Figure BDA0003828542650000123
的闭合表达式，再将透射区/反射区用户的发射功率代入中心区用户最低速率需求的约束条件中，进一步得到中心区用户最优发射功率
Figure BDA0003828542650000124
的闭合表达式。
根据给定的反射/投射系数矩阵Θq和时间分配系数ηq，将原始优化问题P1转化成问题P2，如下：
Figure BDA0003828542650000125
Figure BDA0003828542650000126
Figure BDA0003828542650000127
通过矛盾法证明，当优化问题P2得到最优解时，约束条件取等号，因此，第Kq个透射区/反射区用户的最小发射功率闭合表达式如下：
Figure BDA0003828542650000128
然后，第k个透射区/反射区用户的最小传输功率闭合表达式如下：
Figure BDA0003828542650000131
简化上述式子，透射区/反射区的用户的最优发射功率闭合表达式如下：
Figure BDA0003828542650000132
其中，
Figure BDA0003828542650000133
当i＞k，
Figure BDA0003828542650000134
当i＝k，
Figure BDA0003828542650000135
同样地，在透射/反射期间，进一步求得中心用户的最优发射功率闭合表达式如下：
Figure BDA0003828542650000136
其中，
Figure BDA0003828542650000137
当i＞k，
Figure BDA0003828542650000138
当i＝k，
Figure BDA0003828542650000139
Figure BDA00038285426500001310
(2)当用户发射功率
Figure BDA00038285426500001311
和时间分配系数ηq固定，将原优化问题放束为半正定规划问题，利用凸优化求解工具求解放束后的优化问题，再通过对放束问题的最优解进行特征值分解，取最大特征值对应的特征向量作为近似解，使其满足秩一约束，并进一步对每个元素进行归一化操作使其满足单位模约束，从而得到反射/投射系数矩阵Θq的最优解。
对于给定的用户发射功率
Figure BDA00038285426500001312
和时间分配系数ηq，优化问题P1可以转化为问题P3：
Figure BDA0003828542650000141
Figure BDA0003828542650000142
Figure BDA0003828542650000143
|[Θq]m|＝1
值得注意的是，此时优化问题P3可以根据透射和反射的不同时隙进行解耦，即可以通过独立优化ΘT和ΘR来解决该问题。
为了进一步将目标函数写成压缩的形式，定义一组新的向量，即
Figure BDA0003828542650000144
和bq＝[diag{Θq},1]T，其中
Figure BDA0003828542650000145
这里的
Figure BDA00038285426500001410
表示哈达玛乘积运算。因此，优化Θq的问题可以简化为优化问题P4，如下：
Figure BDA0003828542650000146
Figure BDA0003828542650000147
|[Θq]m|＝1
优化问题P4中的目标函数可以转换为
Figure BDA0003828542650000148
其中，δk是第k个透射区/反射区用户的分布系数。
此外，通过引入一个辅助矩阵，如下：
Figure BDA0003828542650000149
Δ是一个正的半定矩阵，可以推导出
Figure BDA0003828542650000151
其中，Tr(H)是矩阵H的迹。
为了简化目标函数，进一步引入一个新的辅助矩阵
Figure BDA0003828542650000152
且其满足rank(Bq)＝1和Tr(EiBq)＝1，其中，
Figure BDA0003828542650000153
只有一个非零元素的矩阵。具体地，非零元素位于第i个对角元素位置，且其值为1，且其他元素均是零。进一步将P4的目标函数改写为Tr(ΔqBq)。类似地，可以为第k个透射区/反射区用户引入一个辅助矩阵
Figure BDA0003828542650000154
将约束转换为以下表达式：
Figure BDA0003828542650000155
因此，问题P4可以等同地用以下问题P5代替，如下：
Figure BDA0003828542650000156
Figure BDA0003828542650000157
Figure BDA0003828542650000158
Bq≥0
rank(Bq)＝1
在优化问题P5中只有一个非凸约束。在忽略了秩一约束后，可以利用CVX工具包获得半正定规划问题的最优解。若用
Figure BDA0003828542650000159
表示半正定规划问题的最优解，需进一步将其修正为优化问题P5的可行解，具体修正过程如下：
如果满足条件
Figure BDA00038285426500001510
根据
Figure BDA00038285426500001511
可求得优化问题P5的最优解
Figure BDA00038285426500001512
如果该条件不成立，则需要实现以下方法：设λq,max和pq,max分别表示矩阵
Figure BDA00038285426500001513
的最大特征值和最大特征值对应的特征向量，因此，可以得到一个近似的最优解为：
Figure BDA00038285426500001514
若满足
Figure BDA00038285426500001515
近似解
Figure BDA00038285426500001516
是可行的，否则，需要对元素进行归一化
Figure BDA00038285426500001517
通过上述操作，STAR-RIS的每个元素都满足单位模约束。
(3)当用户发射功率
Figure BDA0003828542650000161
和反射/投射系数矩阵Θq固定，通过使用拉格朗日乘子法将原约束优化问题转化为无约束优化问题，并进一步采用一维搜索方法得到时间分配系数ηq的最优解。
对于给定的发射功率
Figure BDA0003828542650000162
和反射/投射系数矩阵Θq，原始优化问题P1可以重写为优化问题P6，如下：
Figure BDA0003828542650000163
s.t.ηt＝1-ηr
然后，通过使用拉格朗日乘子法将具有等式约束条件Q1的问题转化为无约束的非线性优化问题，并使用一维搜索方法进一步求解，因此，可以进一步得到优化问题P6的最优值。
(4)依次循环迭代上述(1)、(2)、(3)，直到优化目标函数值收敛，从而得到系统最优的用户发射功率、透射/反射系数矩阵以及时间分配系数。
实施例
下面通过仿真实验说明本发明提出的STAR-RIS辅助的上行NOMA系统的性能。系统参数如下：小区的覆盖半径RB＝250m，中心区用户、边缘反射区用户和边缘透射区用户数目KC＝KR＝KT＝3，噪声功率σ2＝-99dBm，中心用户到基站的路径损耗指数
Figure BDA0003828542650000164
边缘用户到基站的路径损耗指数为
Figure BDA0003828542650000165
STAR-RIS到基站的路径损耗指数
Figure BDA0003828542650000166
边缘用户到STAR-RIS的路径损耗指数
Figure BDA0003828542650000167
每个信道的莱斯K因子为4，STAR-RIS的覆盖半径RI＝30m，近场半径Rn＝50m，BS与STAR-RIS之间的距离dB,I＝150m。
如图2所示，给出了不同的最小信噪比条件下的总发射功耗曲线图，其中STAR-RIS重构单元的数目M＝20，并分别考虑了五种情况：无RIS辅助的NOMA系统上行传输方法，传统的RIS辅助的NOMA系统上行传输方法，STAR-RIS辅助的正交多址接入(OMA)系统上行传输方法，忽略秩一约束时STAR-RIS辅助的NOMA上行传输方法，以及本发明提出的STAR-RIS辅助的NOMA系统上行传输方法。可以看出，是否忽略秩一约束的系统总发射功耗基本相等，也看出此约束条件对系统总功耗的影响不大，此外，OMA方案下的总传输功率始终大于NOMA系统，也可以证明NOMA系统性能更加完善。最后，从图中可以看出不部署RIS或部署传统的RIS的系统性能明显较差，也充分说明了STAR-RIS辅助的NOMA系统的优势。
图3给出了STAR-RIS重构单元数目的不同对总发射功率消耗的影响，用户的最小信噪比γ(min)＝5dB，同时考虑了五种情况：无RIS辅助的NOMA系统上行传输方法，传统的RIS辅助的NOMA系统上行传输方法，STAR-RIS辅助的OMA系统上行传输方法，忽略秩为1约束时STAR-RIS辅助的NOMA上行传输方法，以及本发明提出的STAR-RIS辅助的NOMA系统上行传输方法。不难发现，随着STAR-RIS中重构单元数量的增加，总发射功率成下降趋势。在不同的重构单元数目条件下，本发明方法的总发射功耗低于其他各种基准方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立系统所需要的中心用户与基站之间、STAR-RIS与基站之间、以及透射区用户/反射区用户与STAR-RIS之间的信道模型；
根据信道模型，计算基站接收端总接收信号的数学表达式；
基于NOMA系统的解调顺序和总接收信号的数学表达式，对不同用户进行排序，获得不同用户的信干噪比和可达速率表达式；
建立用户发射功率、透射/反射波束形成器以及时间分配的原始优化问题，交替优化用户发射功率、透射/反射系数矩阵以及时间分配系数变量；
对原始优化问题进行收敛后求解，得到NOMA系统最小化总发射功率。
2.根据权利要求1所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，所述基站接收端总接收信号的数学表达式为：
Figure FDA0003828542640000011
其中，
Figure FDA0003828542640000012
表示第k个中心用户的传输数据，
Figure FDA0003828542640000013
表示第k个边缘用户的传输数据；
Figure FDA0003828542640000014
表示第k个中心用户的发射功率，
Figure FDA0003828542640000015
表示第k个边缘用户的发射功率；Θq表示STAR-RIS的反射/投射系数矩阵；
Figure FDA0003828542640000016
表示均值为0、方差为σ2的复高斯噪声；
Figure FDA0003828542640000017
表示第k个透射区/反射区用户与STAR-RIS之间的信道链路，fBS,I表示BS和STAR-RIS之间的通信链路，
Figure FDA0003828542640000018
表示BS和第k个中心用户之间的信道链路。
3.根据权利要求1所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，所述可达速率表达式如下：
Figure FDA0003828542640000021
Figure FDA0003828542640000022
其中，
Figure FDA0003828542640000023
表示中心用户的可达速率，
Figure FDA0003828542640000024
表示边缘用户的可达速率，ηq表示用于投射用户或反射用户传输的时间分配系数；
Figure FDA0003828542640000025
表示第k个中心区用户的信干噪比，
Figure FDA0003828542640000026
表示第k个透射区/反射区用户的信干噪比。
4.根据权利要求1所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，所述原始优化问题表示如下：
Figure FDA0003828542640000027
s.t.Q1:ηt＝1-ηr,ηr∈[0,1]
Q2:
Figure FDA0003828542640000028
Q3:
Figure FDA0003828542640000029
Q4:|[Θq]m|＝1
Q5:
Figure FDA00038285426400000210
Q6:
Figure FDA00038285426400000211
其中，
Figure FDA00038285426400000212
和
Figure FDA00038285426400000213
是表示用户所需的最低传输速率，其中k∈κq∪κC,q∈{r,t},m∈{1,2,…,M}，约束条件Q1表示：STAR-RIS采用正交时隙协议；约束条件Q2与Q3表示用户的传输速率高于最低速率需求；约束条件Q4表示每个反射元素只改变入射信号的相移；约束条件Q5与Q6表示NOMA系统用户信道的强弱次序。
5.根据权利要求4所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，对原始优化问题进行收敛的具体步骤如下：
当反射/投射系数矩阵和时间分配系数固定，将原始优化问题转化成第一子优化问题，利用矛盾法求解，得到用户最优发射功率；
当用户发射功率和时间分配系数固定，将原始优化问题转化为第二子优化问题，得到反射/投射系数矩阵的最优解；
当用户发射功率和反射/投射系数矩阵固定，通过使用拉格朗日乘子法将原始优化问题转化为第三子优化问题，采用一维搜索方法得到时间分配系数的最优解。
6.根据权利要求5所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，得到用户最优发射功率的方法步骤如下：
利用矛盾法求解第一子优化问题，所述第一子优化问题表示如下：
Figure FDA0003828542640000031
第一子优化问题得到最优解时，约束条件取等号，得到透射区/反射区用户最优发射功率的闭合表达式，表示如下：
Figure FDA0003828542640000032
其中，
Figure FDA0003828542640000033
当i＞k，
Figure FDA0003828542640000034
当i＝k，
Figure FDA0003828542640000035
将透射区/反射区用户的最优发射功率代入中心区用户最低速率需求的约束条件中，得到中心区用户最优发射功率的闭合表达式如下：
Figure FDA0003828542640000041
其中，
Figure FDA0003828542640000042
当i＞k，
Figure FDA0003828542640000043
当i＝k，
Figure FDA0003828542640000044
Figure FDA0003828542640000045
7.根据权利要求5所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，得到反射/投射系数矩阵的最优解具体方法步骤如下：
将原优化问题放束为半正定规划问题，利用凸优化求解工具求解半正定规划问题；
通过对半正定规划问题最优解进行特征值分解，取最大特征值对应的特征向量作为近似解，使其满足秩一约束；
对分解后的每个元素进行归一化操作，满足单位模约束，得到反射/投射系数矩阵的最优解。
8.根据权利要求5或7所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，所述第二子优化问题表示如下：
Figure FDA0003828542640000046
Figure FDA0003828542640000047
Figure FDA0003828542640000048
|[Θq]m|＝1；
定义
Figure FDA0003828542640000049
和bq＝[diag{Θq},1]T，其中
Figure FDA00038285426400000410
Figure FDA00038285426400000411
表示哈达玛乘积运算，将第二子优化问题简化为优化问题P4，优化问题P4表示如下：
Figure FDA0003828542640000051
Figure FDA0003828542640000052
|[Θq]m|＝1；
在满足秩一约束的基础上，引入辅助矩阵，转换优化问题P4中的目标函数；
根据目标函数，转换优化问题P4为优化问题P5，优化问题P5表示如下：
Figure FDA0003828542640000053
Figure FDA0003828542640000054
Figure FDA0003828542640000055
Bq≥0
rank(Bq)＝1，
忽略秩一约束，利用CVX工具包获得半正定规划问题的最优解。
9.根据权利要求5所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，时间分配系数最优解的方法步骤如下：
使用拉格朗日乘子法将原始优化问题转化为第三子优化问题，所述第三子优化问题为无约束的非线性优化问题，具体表示如下：
Figure FDA0003828542640000056
s.t.ηt＝1-ηr，
通过一维搜索方法求解第三子优化问题，得到时间分配系数的最优解。
10.根据权利要求1所述的一种STAR-RIS辅助的NOMA系统上行低功耗传输方法，其特征在于，对原始优化问题进行收敛包括依次循环迭代权利要求5所述步骤，重复对优化问题进行收敛至优化目标函数值收敛，得到系统最优的用户发射功率、透射/反射系数矩阵以及时间分配系数。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116390056A (zh) * 2023-04-10 2023-07-04 重庆邮电大学 Star-ris辅助的车联网sr系统链路优化方法
CN116567792A (zh) * 2023-06-28 2023-08-08 南京邮电大学 一种有源可重构智能表面辅助的wpc能耗优化方法
CN116614826A (zh) * 2023-05-24 2023-08-18 北京天坦智能科技有限责任公司 一种同时传输和反射表面网络的覆盖和容量优化方法
CN116744343A (zh) * 2023-07-28 2023-09-12 西安科技大学 一种两用户通信场景的star-ris位置部署优化方法及装置
CN116390056B (zh) * 2023-04-10 2024-05-24 重庆邮电大学 Star-ris辅助的车联网sr系统链路优化方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116390056A (zh) * 2023-04-10 2023-07-04 重庆邮电大学 Star-ris辅助的车联网sr系统链路优化方法
CN116390056B (zh) * 2023-04-10 2024-05-24 重庆邮电大学 Star-ris辅助的车联网sr系统链路优化方法
CN116614826A (zh) * 2023-05-24 2023-08-18 北京天坦智能科技有限责任公司 一种同时传输和反射表面网络的覆盖和容量优化方法
CN116614826B (zh) * 2023-05-24 2024-01-16 北京天坦智能科技有限责任公司 一种同时传输和反射表面网络的覆盖和容量优化方法
CN116567792A (zh) * 2023-06-28 2023-08-08 南京邮电大学 一种有源可重构智能表面辅助的wpc能耗优化方法
CN116567792B (zh) * 2023-06-28 2023-10-13 南京邮电大学 一种有源可重构智能表面辅助的wpc能耗优化方法
CN116744343A (zh) * 2023-07-28 2023-09-12 西安科技大学 一种两用户通信场景的star-ris位置部署优化方法及装置
CN116744343B (zh) * 2023-07-28 2024-03-22 西安科技大学 一种两用户通信场景的star-ris位置部署优化方法及装置

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