[发明专利]一种RIS辅助多载波NOMA传输系统参数优化方法

权利要求书

1.一种RIS辅助多载波NOMA传输系统参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、建立能效最大化模型，该能效最大化模型A1表述为：

约束条件：

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:θ_m∈[0,2π),m＝1,…,M

公式中，RIS反射单元个数为M，第m个反射单元的相位为θ_m,m＝0,1,…,M，是RIS的反射系数矩阵，diag[·]表示向量对角化；K为用户个数，表示用户集合；N为子载波个数，表示子载波集合，规定每个用户能且仅能被分配给一个子载波；δ_n,k为子载波分配的指示变量，δ_n,k＝1表示将子载波n分配给用户k，δ_n,k＝0表示不分配，δ＝{δ_1,1,…,δ_1,K,…,δ_n,1,…,δ_n,K,…,δ_N,1,…,δ_N,K}为子载波分配状态集合；a_n,k表示分配给子载波n上的用户k的功率，a＝{a_1,1,…,a_1,K,…,a_n,1,…,a_n,K,…,a_N,1,…,a_N,K}为用户功率集合；v_n,k，f_n和g_n,k分别表示子载波n到用户k、子载波n到RIS以及RIS到用户k的信道矩阵，(·)^H表示共轭转置；o_n(k)表示子载波n上用户k的解码顺序，o_n(k)＝j表示用户k是第j个解码的用户，ο＝{o₁(1),…,o₁(K),…,o_n(1),…,o_n(K),…,o_N(1),…,o_N(K)}为解码顺序集合；l表示其他未解调用户，o_n(l)＞o_n(k)的信号将被当作干扰处理；σ²表示均值为0的加性高斯白噪声的方差；P_c为系统消耗的总的电路功率；子载波n上用户k的速率为R_n,k表示为|·|表示对复数取模；假设o_n(k)＜o_n(j)，用户k的信号在用户j处解码的速率R_n,j→k表示为P_max为基站处的最大发射功率；

步骤S2、求解所述能效最大化模型，具体步骤如下：

步骤S201、初始RIS的反射系数矩阵Θ对角线上第m个元素为：

子载波n到用户k的信道矩阵为v_n,k，相应的信道增益为|v_n,k|，n′,k′为最小的子载波号和用户号，∠(·)表示复数对应的角度；用户k的信道增益为用户k选择最大的子载波令δ_n,k＝0,n≠n^*；所有用户选择子载波后，得到子载波分配状态集合δ；

步骤S202、利用步骤S201得到子载波分配状态集合δ的值，令未分配到子载波n的用户k的|v_n,k|＝0；在子载波n上，对所有用户按照的值从小到大排序，记用户k的|v_n,k|值排序为i_n，则o_n(k)＝i_n；对所有子载波排序完毕后，得到解码顺序集合ο；

步骤S203、得到子载波分配状态集合δ和解码顺序集合ο后，对模型A1的约束C3进行化简；将模型A1转为关于为用户功率集合a与RIS的反射系数矩阵Θ的能效最大化模型B1为：

约束条件：

C1:

C2:

C3:

C4:θ_m∈[0,2π),m＝1,…,M

步骤S204、迭代求解能效最大化模型B1，在第i次迭代中，求解过程如下：

步骤S2041、将能效最大化模型B1拆分，分别得到优化用户功率集合a的模型和优化RIS的反射系数矩阵Θ的模型；关于用户功率集合a的模型B2被表述为：

约束条件：

C1:

C2:

Θ^(i-1)为第i-1次迭代得到的RIS的反射系数矩阵Θ；使用Dinkelbach方法求解模型B2，得到第i次迭代的用户功率集合a⁽ⁱ⁾；

步骤S2042、为a⁽ⁱ⁾的第n×k个元素；关于RIS的反射系数矩阵Θ的最大化模型B3被表述为：

约束条件：

C1:

C2:θ_m∈[0,2π),m＝1,…,M

步骤S2043、引入松弛变量η＝[η_1,1,…,η_1,K,…,η_n,1,…,η_n,K,…,η_N,1,…,η_N,K]；

令t＝[t_1,1,…,t_1,K,…,t_n,1,…,t_n,K,…,t_N,1,…,t_N,K]，(·)^*表示共轭运算，则引入向量β＝[β_1,1,…,β_1,K,…,β_n,1,…,β_n,K,…,β_N,1,…,β_N,K]，模型B3转化为模型B4，所述模型B4表示为：

约束条件:

C1:|s_m|＝1,m＝1,…,M

C2:

C3:

C4:

步骤S2044、对模型B4使用连续凸近似方法和罚函数方法迭代求解，在第u次迭代中，模型B4转化为模型B5如下：

约束条件：

C1:|s_m|≤1,m＝1,…,M

C2:

C3:

C4:

其中和s^(u-1)是第u-1次迭代的值，是s^(u-1)的第m个元素；R(·)表示取实部；

步骤S2045、将第u次迭代获得的变量值s,η,β代入到模型B5中计算目标函数，当目标函数的值不再变化或者变化量的绝对值小于门限值ε₁时，迭代方法终止，输出s，将s对角化获得RIS反射系数矩阵Θ；否则进行下一轮迭代；

步骤S205、将第i次迭代中步骤S2041获得的用户功率集合a和步骤S2045获得的RIS反射系数矩阵Θ代入模型B1中计算目标函数的值，当目标函数的值不再变化或者变化量的绝对值小于门限值ε₂时，迭代方法终止，输出用户功率集合a和输出RIS反射系数矩阵Θ；否则进行下一轮迭代。