智能反射面辅助的非正交多址系统高能效传输方案研究_张诚.pdf
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1、第 卷第 期重庆邮电大学学报(自然科学版)年 月 ():智能反射面辅助的非正交多址系统高能效传输方案研究收稿日期:修订日期:通讯作者:王 鸿 基金项目:国家自然科学基金():()张 诚,王 鸿(南京邮电大学 通信与信息工程学院,南京)摘 要:针对基站(,)功率分配和智能反射面(,)相移相互耦合的非凸优化问题,提出一种新的交替优化方案,即交替运用最优能量效率(,)功率分配算法和块坐标上升(,)技术求解功率分配与相位偏移问题,直至优化的目标值收敛。仿真结果表明,与 辅助的正交多址接入(,)、随机相移的 辅助非正交多址接入(,)、无 辅助的纯 接入技术相比,提出的 传输方案能够显著提升系统的 性能。
2、关键词:智能反射面;非正交多址接入;能量效率;相移优化;块坐标上升中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):()()(),(),()(),:;引 言智能反射面(,)被视为是提高第六代移动通信系统()频谱和能量效率(,)的创新性技术。具体来说,是一个集成了大量反射元件的超表面,可以快速地部署在建筑物外立面或室内墙壁等场景。由于每个反射单元的制作成本低廉,而且整张超表面的工作能耗较低,使其在未来无线通信中极具应用前景。通过调整每个反射单元的相移,可以重新配置无线传播环境以实现增强有用信号强度、降低干扰等多样化的目标。非正交多址接入(,)也被认为是一项有前景的通信技术,可以大幅提升系统并发连接
3、数量并提升系统的。利用信道强度差异使强用户和弱用户皆受益,可获得比传统正交多址接入(,)更高的性能增益。通常情况下,在下行 系统中,基站(,)将多个用户的信号进行叠加发射,用户处采用串行干扰删除(,)技术依次解调不同功率的信号。由于 和 都是未来通信提升系统性能的技术,与 技术的融合得到了学术界与工业界的关注。系统通过引入 来操控反射信道的传播环境,从而改变 用户信道强弱的差异性,更好地发挥出功率域 的技术优势。因此,与 的融合可进一步提升通信系统的频谱效率与用户公平性。与传统 系统的设计策略不同,在 系统中,发射机和相移需要联合优化设计,因此设计难度加大。文献研究了 系统低功耗传输问题,通过
4、建立用户的传输功率和 相移之间的关系,将原始联合优化问题转变为纯相移优化问题进行求解。文献分别使用了半定松弛(,)和凸差(,)两种方法优化 的传输波束成形以及 的无源波束成形来降低系统总发射功率。在文献中,研究者们提出了一种融合块坐标下降(,)和 的次优算法联合优化 的功率分配以及 的相移,使得用户端的最小解码信号干扰噪声比(,)最大化。为提高 系统上行链路和速率,文献研究了用户端功率控制和 波束成形的联合设计问题,并运用 技术获得了优化问题的近似最优解。目前,大多数关于 系统的研究都集中于系统总功耗或者系统速率,而同时考虑二者的影响,在单位能耗下最大化数据传输速率的研究还比较鲜见。日益增长的
5、通信吞吐量造成巨大的能量消耗,未来通信系统将朝着绿色通信发展,迫切需要设计更高 的传输方案。本文研究 系统的 优化问题。首先,针对 辅助 下行链路多用户传输模型,考虑了每个用户的最低通信速率要求以及 的最大传输功率约束,建立基于该模型的 最大化问题;其次,为了解决该优化变量相互耦合的非凸优化问题,将原问题分解为 功率分配以及 相移优化两个子问题,交替采用最优 功率分配算法和块坐标上升(,)技术进行求解,直至触发收敛条件;最后,通过仿真结果表明,相比于 方案、随机相位 辅助的 方案和无 的传统 方案,本文提出的 传输方案可获得更高的 性能。系统模型和问题建模 系统模型本文研究场景为 辅助 下行链
6、路系统,模型如图 所示,该系统存在一个单天线 和()个单天线用户,在相同的时间频率资源块上通过直射信道和 反射信道向 个用户传输信号。假定 已知其到用户的信道状态信息(,),分别采用,及 表示 至用户 的信道系数,至 的信道矢量和 到用户 的信道矢量,其中,是 的反射单元数量,代表所有的复数集合。定义 的对角相移矩阵为 ,其中,)。从系统可实现的角度出发,本文考虑 的离散相移场景,将所有的离散相移表示为,(),其中 是相移分辨率,因此 的每个反射单元相移须满足。相比于传统 系统,在本文 系统中用户与基站增加了反射信道,且 的相位偏移设计会改变 用户信道强弱的差异性,可更好地发挥出功率域 的技术
7、优势。此外,传统 系统只需被动地根据信道状态信息进行发射功率设计,在本文 系统中,引入 将增加系统优化的自由度,将传统的设计模式转变为发射功率与 相位偏移联合设计模式,因此本文 系统传输方案的设计将更加复杂。假定 至用户 的信道服从瑞利分布且被建模为 ,其中,分别是 到用户 的传播距离和路径损耗指数,服从均值为、方差为第 期 张 诚,等:智能反射面辅助的非正交多址系统高能效传输方案研究 的复高斯分布,即(,)。由于 可放置在 与、与用户存在视距路径的地点,因此,假定 至 的信道以及 到用户 的信道都服从莱斯分布,到 信道建模为?()()式中:,分别是 到 的传播距离和路径损耗指数;是莱斯因子;
8、,?分别为视距(,)和瑞利衰落分量,?中每一个元素都服从(,)。当莱斯因子取 时,上述信道变为瑞利信道;当莱斯因子为时,上述信道是 信道。相应地,到用户 的信道表示为?()()式中:,分别为 到用户 的传播距离和路径损耗指数;是 到用户 信道的莱斯因子;,?分别为 和瑞利衰落分量,同样,?中每一个元素都服从(,)。图 辅助的 下行链路系统 发射的信号表示为 ,其中 是分配给用户 的传输功率,代表用户 的信息符号,其服从(,)。在本文中,由于存在巨大的路径损耗,故忽略被 反射两次及以上的信号。因此,用户 的接收信号表示为()()()式中,是用户 端接收的复高斯噪声服从(,)。不失一般性,假设所有
9、用户根据其等效信道增益降序排列,即 。为了使解码顺序保持不变,在下文中,相移对角矩阵 的设计需确保上述等效信道增益排列次序始终成立。按照 的解调原理,在用户 处,先逐一解码用户 至用户 的信号,并在每个信号解调完成后从叠加信号中删去。因此,用户 解调用户 信号的 可以表示为,()根据用户的等效信道增益关系,显然能得到,。这样,用户 的可达信息速率为 ()由()式可知,的引入提供了更多的优化自由度,对 与发射功率进行联合优化可提升系统容量。问题建模本文目标为最大化系统,对 功率分配和 相移的联合优化问题建模为:,()(),()(),()()()式中:,为功率分配矢量;和 分别表示 的功率传输效率
10、和电路功耗;()是用户 的最小数据传输速率且是用户 的最小接收。()式中的分子项表示系统的和速率,分母项为系统的总功耗,两者的比值定义为;()式和()式的含义在前面已阐述;()式确保了每个用户的服务质量(,)要求;()式使得系统总的传输功率不超过 的最大功率预算。交替优化求解方法优化问题 是非凸的,直接求解相当困难,我们运用交替优化的求解方法来有效求解。具体来说,将问题 分解为 的功率分配和 的相移优化两个子问题,交替使用最优 功率分配算法以及 技术进行求解,直到触发收敛条件。重 庆 邮 电 大 学 学 报(自然科学版)第 卷 功率优化分配对于给定的相移对角矩阵,问题 可简化为一个功率分配优化
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