[发明专利]一种可重构智能面辅助的毫米波非正交多址接入系统中能量效率优化方法

说明书

本发明公开了一种可重构智能面辅助的毫米波非正交多址接入系统中能量效率优化方法，以最大化能量效率为目标，联合优化用户的传输功率，基站的混合波束成形以及可重构智能面的被动波束成形，提出了一种基于交替优化的高效能量效率优化算法，可获得次优的联合资源分配设计方法；本发明所给出的联合优化方法是有效的，可实现高的能量效率。

技术领域：

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种基于混合波束成形(HBF)的RIS辅助的mmWave-NOMA系统中能效优化方法。

背景技术：

随着移动通信的快速发展，频谱资源的短缺给现有技术带来了巨大的挑战。mmWave具有大量空闲频段可供使用，能缓解频谱资源短缺的问题。此外，由于可用带宽大，mmWave通信能够支持高数据速率。

此外，NOMA技术在发送端主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰消除正确解码不同用户的信号，可以获得更高的频谱效率。同时能量效率是未来绿色通信的关键指标，在这样的背景下，关于mmWave-NOMA系统的能效优化方案研究是有必要的。

虽然mmWave频段频谱资源丰富，然而与低频段上传播信号的路径损耗相比，mmWave信号在其频段上经历了更显著的路径损失。为此，通过部署大型的天线阵列，增强阵列分集增益，是弥补mmWave通信系统中高路径损耗的一种方法。然而，高指向性使得mmWave通信容易被阻塞，特别是在室内或者人口密集的环境中，一个非常小的障碍，如一个人的手臂，都会有效地阻塞链路。RIS作为一种新兴的技术，可以通过扩大通信范围，实现更高的波束成形增益和EE来解决这一问题。RIS有三层架构以及一个智能控制器，最外层平面上遍布大量低成本的无源反射元件，与入射信号相互作用。内层通常采用铜板来最小化RIS反射过程中的能量泄露。最内层是一个控制电路板，负责激发反射元件，实时调整其反射幅度和/或相位。此外，基站和RIS之间的链路还可以通过智能控制器实现。RIS可以控制各元件独立地调整入射信号的振幅和/或相位，协同实现无源波束成形，从而改善通信系统性能，提高基站的覆盖范围和连通性。基于以上讨论，本发明研究了一种基于HBF的RIS辅助的mmWave-NOMA系统中能效优化方法，该方法面向RIS辅助的mmWave-NOMA系统中高能效的大规模连接和绿色通信。

发明内容：

针对RIS辅助的mmWave-NOMA系统，为了提高该系统的能效，本发明最大化所有用户的能量效率，联合优化用户功率分配、基站的HBF以及RIS的PBF，提出了一种基于HBF的RIS辅助的mmWave-NOMA系统中能效优化方法，能以多项式时间复杂度获得较好的能效优化方案。

本发明所采用的技术方案有：一种基于HBF的RIS辅助的mmWave-NOMA系统中能效优化方法，步骤如下：

步骤S1：建立基于HBF的RIS辅助的mmWave-NOMA系统，该系统由两个单天线用户，一个RIS和一个mmWave基站组成，该基站采用HBF架构，配有N根天线、N_RF条射频链路、N个低噪声放大器和NN_RF个移相器，且每根天线通过一个低噪声放大器和N_RF个移相器连接到射频链路上；假设一条数据流，则基站的HBF包括模拟波束成形(ABF)矩阵以及数字波束成形矢量PIS由M个反射元素组成，其反射相位矢量其中θ_m∈[0，2π]，基站到RIS的信道RIS和用户k之间的信道以及基站直达用户k的信道建模为毫米波信道；

步骤S2：用户k接收信号可表示为：

其中p_k表示用户k的传输功率，x_k表示用户k的信号，n_k表示复高斯白噪声，服从均值为0、方差为σ²的高斯分布，表示基站至RIS，RIS到用户k的级联信道，根据NOMA协议，以信道增益降序为例，上述系统能效优化问题建模为