CN116017661A - 一种双用户无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双用户无线通信系统，涉及非正交多址协作网络设计技术领域，其包括信号源（S）、RIS（R）及两个用户D₁、D₂，所述RIS部署在所述信号源及所述用户D₁之间，所述RIS与D₁之间的距离小于所述RIS与所述信号源之间的距离，所述信号源配备了至少一根天线，所述用户D₁、D₂分别配备了单根天线，所述RIS包含有N个无缘发射元件（N≥1）。通过RIS辅助协作NOMA通信系统，通过RIS提高了用户的信道增益，而NOMA的功率分配高度依赖于信道增益，因而NOMA将根据信道增益确定功率分配系数，以确保用户的公平性。

Description

一种双用户无线通信系统

技术领域

本发明涉及非正交多址协作网络设计技术领域，尤其涉及一种双用户无线通信系统。

背景技术

通过功率复用或码本设计，非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术允许不同用户占用相同的频谱、时间和空间资源，尤其是在时间延迟约束下与正交多址技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)相比，非正交多址技术提供了显著的性能增益，受到了学术界和工业界的广泛关注。

NOMA的基本思想是在发射端处使用非正交传输，主动引入干扰信息，并通过连续干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)在接收端处正确解调。虽然SIC技术提高了接收端的复杂度，但它可以很好地提高频谱效率。NOMA技术的本质就是将接收端的复杂性与频谱效率进行交换。NOMA的子信道传输仍然使用正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,OFDM)技术。子信道是正交的，并且不相互干扰。但是，一个子信道不再仅分配给一个用户，而是由多个用户共享，同一子信道上不同用户之间的非正交传输会导致用户间产生干扰，从而导致用户的公平性受到影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中非正交多址协作网络之间的各用户之间容易产生干扰，影响用户的公平性的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种双用户无线通信系统，其特征在于：包括信号源(S)、RIS(R)及两个用户D₁、D₂，所述RIS部署在所述信号源及所述用户D₁之间，所述RIS与D₁之间的距离小于所述RIS与所述信号源之间的距离，所述信号源配备了至少一根天线，所述用户D₁、D₂分别配备了单根天线，所述RIS包含有N个无缘发射元件(N≥1)。

优选的，所述信号源与所述D₁的信道属于NLoS场景，所有可行信道为SD₂、SR和RD₁，且可行信道服从独立的复高斯分布。

优选的，所述N≥1762时，通信系统的解码方法如下：

将x₂(x_i是D_i的期望信号)视为干扰并采用SIC技术，D₁处的SNR表示为：

对于D₂，将x₂作为干扰，D₂处的SNR可以分别表示为

和

优选的，基于所述解码方法，可实现的和速率为：

优选的，所述N≤1762时，通信系统的解码方法如下：

对于D₁，首先将x₁视为噪声来解码x₂；D₁处的SNR可以分别表示为

和

对于D₂，x₁为是解码x₂的干扰；通过这种方式，D₂处的SNR表示为

优选的，基于所述解码方法，可实现的和速率可以表示为：

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1、本申请提供了一种双用户无线通信系统，其通过RIS辅助协作NOMA通信系统，通过RIS提高了用户的信道增益，而NOMA的功率分配高度依赖于信道增益，因而NOMA将根据信道增益确定功率分配系数，以确保用户的公平性。

2、本申请还针对不同的RIS元件的数量，提供不同的解码方法，从而获得最佳的和速率。

附图说明

图1为本发明一实施方式中一种双用户无线通信系统的通信网络的结构示意图；

图2为本发明一实施方式中一种双用户无线通信系统不同解码方法的和速率对比图。

图3为本发明一实施方式中S到D₂距离不同时，两种解码方法的和速率对比；

图4为本发明一实施方式中R到D₁距离不同时，两种解码方法的和速率对比。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

请参阅图1，一种双用户无线通信系统，包括信号源(S)、RIS(R)及两个用户(D₁、D₂)，其中所述R包含有N个无源反射元件，所述R部署在S和D₁之间，且距离D₁更近；所述S配备了M根天线(M≥1)，所述用户D₁和D₂分别配备了单根天线，所述D₁远离所述S，因而从S到D₁的信道属于非视距(Non-Line-of-Sight,NLoS)场景。

在一实施方式中，所有可行信道为SD₂、SR和RD₁，各信道的信道系数分别为h_SR、h_SD1和h_RD1；各信道服从独立的复高斯分布。

在一实施方式中，所述D₂仅由S服务，从S到D₂，S到R和R到D₁的信道属于视距(Line-of-Sight,LoS)场景。

在一实施方式中，所述N≤1762时，RIS提供的增益可能不足以使从S到D₁的信道增益超过从S到D₂的信道增益。根据NOMA的公平性，我们有a₁＞a₂(a_i表示分配给D_i的功率分配因子)。

此时，解码方法如下：通过将x₂(x_i是D_i的期望信号)视为干扰并采用连续干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术，D₁处的信噪比表示为：

上述公式中，P_t是总传输功率，Θ表示RIS的反射系数，可进一步表示为

其中α∈(0，1]为固定的振幅反射系数，{θ₁,…,θ_N}为可通过RIS优化的相移变量。此外，h_SR∈C^N×M是从S到R的信道，h_RD1∈C^N×1是RIS和用户之间的信道，(·)^H表示厄米特转置，σ是加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)。

对于D₂，将x₂作为干扰，D₂处的SNR可以分别表示为

和

根据第一种解码方法，可实现的和速率为：

其中E[x]是x的绝对值和期望值。

在另一实施方式中，所述N≥1762时，RIS提供的增益使从S到D₁的信道增益超过从S到D₂的信道的增益。根据NOMA的公平性，功率因数应为a₁<a₂。

此时，解码方法如下：

对于D₁，应首先通过将x₁视为噪声来解码x₂；以此方式，D₁处的SNR可以分别表示为

和

对于D₂，因为x₂的功率更大，所以x₁被认为是解码x₂的干扰；通过这种方式，D₂处的SNR表示为

基于上述解码方法，可实现的和速率可以表示为：

以下结合具体实施例对本申请进行阐述：

在一实施方式中，基于M＝1的情况，分析了实现给定N时所得到的最大和速率的解码方法。

由于很难在低信噪比的情况下获得N的闭式表达式，因此本申请不做赘述，本申请主要分析高信噪比情况下N的近似表达式。

对于高信噪比的情况，由于期望信号的功率远高于噪声的功率，所以本申请中忽略了噪声。因此，有P_ta_i|h|²+σ²≈P_ta_i|h|²和1+SNR≈SNR。令

等于

得到

取N²的平方根，得到

因此，得到了高信噪比情况下N的最终近似表达式。

本申请评估了采用不同解码方法的所提出系统的总和速率，假设所有可行信道都遵循路径损耗指数为2.2的瑞利衰落。为简单起见，将每个节点设为以下位置：(x_S,y_S)＝(0,0)，(x_R,y_R)＝(100,0)，

和

此外，设

和

请参阅图2，图2中说明了了不同解码方法的总和速率与固定发射功率为P＝1的RIS元件数量的关系。比较两种不同解码方法获得的和速率，当N较小时，第一种解码方法的和速率高于第二种解码方法，即当N较小时应将第一种解码方式应用于本申请所提出的系统。相反，当N较大时，通过第二解码方法获得的和速率高于第一解码方法的和速率，即当N较大的时候，应将第二解码法应用于本申请提出的系统。很容易看出，当N＝1762，对应于两种解码方法的线在点(1762，6.152)处相交，并且两种解码方式获得的和速率相等；当N＜1762时，第一种解码方式得到的和速率较高；当N＞1762，第二种解码方式得到的和速率更高。以这种方式，可以根据系统参数暂时选择适当的解码方法以提供最佳和速率。

请参阅图3，图3比较乐不同解码方法获得的和速率，将将从S到D₂(d-SD₂)的距离设置为{70，80，90，100}，很明显，随着d-SD₂的减小，两种解码方法实现相同和速率所需的RIS元素的数量增加。换言之，D₂离S越近，要使从S到D₁的信道增益超过从S到D₂的信道，需要的N就越大。此外，确认距离d-SD₂对第二种解码方法的和速率几乎没有影响。

图4描述了从RIS到D₁的不同距离对本申请提出的两种解码方法的总和速率的影响。如图所示，随着d-RD₁的增加，使两种解码方法的总和速率相等所需的N越大。这意味着，D₁离S越远，第一种解码方法的优势就越大，因为它不需要特别大的N。

综上所述，本申请提供了一种双用户无线通信系统，通过RIS提高了用户的信道增益，而NOMA的功率分配高度依赖于信道增益，

本申请中分析了不同数量的RIS元素导致NOMA的分配系数不同，不同的解码方法产生不同的和速率。此外，本申请中还分析了在高信噪比下，两种解码方法获得的等效和速率中的元素数N有多大。仿真结果表明，对于小N(N≤1762)，使用第一种解码方法，对于大N(N≥1762)，使用第二种解码方法，可以获得最佳和速率。

Claims (6)

1.一种双用户无线通信系统，其特征在于：包括信号源(S)、RIS(R)及两个用户D₁、D₂，所述RIS部署在所述信号源及所述用户D₁之间，所述RIS与D₁之间的距离小于所述RIS与所述信号源之间的距离，所述信号源配备了至少一根天线，所述用户D₁、D₂分别配备了单根天线，所述RIS包含有N个无缘发射元件(N≥1)。

2.根据权利要求1所述的双用户无线通信系统，其特征在于：所述信号源与所述D₁的信道属于NLoS场景，所有可行信道为SD₂、SR和RD₁，且可行信道服从独立的复高斯分布。

3.根据权利要求1所述的双用户无线通信系统，其特征在于：所述N≥1762时，通信系统的解码方法如下：

将x₂(x_i是D_i的期望信号)视为干扰并采用SIC技术，D₁处的SNR表示为：

对于D₂，将x₂作为干扰，D₂处的SNR可以分别表示为

和

4.根据权利要求3所述的双用户无线通信系统，其特征在于：

基于所述解码方法，可实现的和速率为：

5.根据权利要求1所述的双用户无线通信系统，其特征在于：所述N≤1762时，通信系统的解码方法如下：

对于D₁，首先将x₁视为噪声来解码x₂；D₁处的SNR可以分别表示为

和

对于D₂，x₁为是解码x₂的干扰；通过这种方式，D₂处的SNR表示为

6.根据权利要求5所述的双用户无线通信系统，其特征在于：基于所述解码方法，可实现的和速率可以表示为：

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