一种基于同时透射与反射超表面的NOMA通信系统设计方法

电子通信装置的制造及其应用技术successive interference cancellation,ipsic/psic)先检测远端用户的信号将其删除，然后再检测自身信号的信干噪比，以及远端用户直接将近端用户的信号当作干扰解码自身信号的信干噪比；9.步骤三：使用相干相移处理同时透射与反射智能超表面的相角，使用拉盖尔级数第一项近似处理级联莱斯信道的分布；10.步骤四：定义基于同时透射与反射超表面的noma通信系统中近端用户在使用ipsic/psic机制下的中断事件以及远端用户的中断事件；11.步骤五：推导出级联莱斯信道下近端用户在使用ipsic/psic机制下中断概率闭合解表达式以及远端用户的中断概率闭合解表达式；12.步骤六：进一步推导出在高信噪比下近端用户在使用ipsic/psic机制下的中断概率近似表达式以及远端用户的中断概率近似表达式；13.步骤七：给出在级联莱斯信道下近端用户使用ipsic/psic机制下的分集阶数以及远端用户的分集阶数；14.步骤八：定义基于同时透射与反射超表面的noma通信系统中近端用户在使用ipsic/psic机制下的遍历速率以及远端用户的遍历速率；15.步骤九：推导出在级联莱斯信道下近端用户在使用ipsic/psic机制下的遍历速率表达式以及远端用户的遍历速率表达式；16.步骤十：进一步推导近端用户使用psic机制时的遍历速率上界，以及远端用户在高信噪比下的遍历速率表达式；17.步骤十一：给出在级联莱斯信道下近端用户在使用ipsic/psic机制下高信噪比遍历速率斜率以及远端用户的高信噪比遍历速率斜率。18.优选的，步骤一具体包括：通信系统具体包括一个基站、一块同时透射与反射智能超表面和两个非正交用户，近端用户可以同时接收到来自基站发送给智能超表面再反射来的信号，以及基站通过直接链路发送的信号；远端用户只可以接收到来自基站发送给智能超表面再透射过来的信号；19.同时透射与反射智能超表面上包括2k个单元，基站到智能超表面以及智能超表面再到近端用户n和远端用户m的复信道系数分别用hsr、hrn和hrm表示，基站到近端用户n的复信道系数用hsn，并将所有信道建模为莱斯衰落信道且同时考虑大尺度衰落的影响，其中，同时考虑大尺度衰落的影响，其中，cn(0,1)，α和η分别是路损因子和频率因子,κ为莱斯因子，dsr为基站到智能超表面的距离；为基站到智能超表面的距离；cn(0,1)，drn为智能超表面到用户n的距离；能超表面到用户n的距离；能超表面到用户n的距离；cn(0,1)，drm为智能超表面到用户m的距离；为智能超表面到用户m的距离；cn(0,1)，dsn为基站到用户n的距离；智能超表面的反射特性和透射特性可以分别通过一个对角矩阵和来反映，和分别表示第k个智能超表面单元的反射和透射幅度特性，并且单元的反射和透射幅度特性，并且假设在2k个智能超表面单元中有k个单元的单元中有k个单元的另有k个单元的另有k个单元的和分别表示第k个智能超表面单元的反射相移和折射相移；基于上述解释，在近端用户n处的接收信号表达式可以表示为[0020][0021]同时，在远端用户m处的接收信号表达式可以表示为[0022][0023]其中，an≤am，和分别为用户m和用户n处的高斯白噪声。[0024]优选的，步骤二具体包括：根据noma解码顺序准则，近端用户n解码远端用户m的信号时对应的信干噪比表达为[0025][0026]其中，表示发送端信噪比。具体而言，当和分别表示近端用户n使用了psic和ipsic机制，|hi|2为近端用户使用ipsic时带来的干扰信号对应的信道增益，hi:cn(0,1)；[0027]对于近端用户n，在使用sic机制删除远端用户m的信号后的信干噪比可以表示为[0028][0029]对于远端用户m直接将近端用户n的信号当作干扰解码自身信号，此时对应的检测信干噪比可以表示为[0030][0031]优选的，步骤三具体包括：从应用角度分析，连续改变智能超表面的反射单元幅度和相位有利于增强网络性能，但需要精确设计和昂贵的硬件体系结构，给智能超表面的部署带来较高的成本；为此将用户n和用户m的级联信道增益分别定义为：通过相干相移设计，智能超表面的相移与智能超表面的衰减增益的相位相匹配，得到超表面的衰减增益的相位相匹配，得到根据级联莱斯信道的两个特征，即：①级联莱斯信道的概率密度函数具有单个最大值；②级联莱斯信道的概率密度函数在最大值的两侧都延伸到无穷大，通过拉盖尔级数第一项近似可得级联莱斯信道的概率密度函数表达式为[0032][0033]其中，υ∈(m,n)，其中，υ∈(m,n)，k0(·)和k1(·)分别为0阶和1阶修正贝塞尔函数，γ(·)是伽马函数。[0034]优选的，步骤四具体包括：近端用户n处的中断补事件可以解释为近端用户n可以解码远端用户m的信号，且在使用sic机制删除远端用户m的信号后也可以解码自身的信号；基于公式(3)和公式(4)，近端用户n的中断事件用数学表达式可以写为[0035][0036]其中，rυ表示用户υ检测信号xυ时的目标速率；[0037]端用户m处的中断事件可以解释为用户m不能检测自身的信息发生中断。因此基于公式(5)，远端用户m的中断事件用数学表达式可以写为[0038][0039]优选的，步骤五具体包括：通过理论推导可以获得用户n在使用ipsic/psic机制下的中断概率表达式分别为[0040][0041][0042]其中，ξ@max(τ,β)，其中，ξ@max(τ,β)，表示高斯-拉盖尔积分的加权系数，xp分别是拉盖尔多项式的零点，p和u表示复杂度和准确度之间的折中参数；[0043]通过理论推导可以获得在级联莱斯信道下远端用户m的中断概率表达式为[0044][0045]其中，γ(·)为不完备伽马函数。[0046]优选的，步骤六具体包括：当ρ→∞时，通过理论推导可以获得近端用户n在使用ipsic机制下的中断概率近似表达式为[0047][0048]其中，[0049]当ρ→∞时，可以通过利用不完备伽马函数级数形式第一项，获得近端用户n在使用psic机制下的中断概率近似表达式为[0050][0051]同理，当ρ→∞时可以通过利用不完备伽马函数级数形式第一项，获得近端用户n在使用psic机制下的中断概率近似表达式为[0052][0053]优选的，步骤七具体包括：根据分集阶数的数学定义式[0054][0055]把公式(12)、(13)、(14)分别带入(15)，推导出在级联莱斯信道下近端用户n在使用ipsic/psic机制下的分集阶数为以及远端用户m的分集阶数分别等于[0056]优选的，步骤八具体包括：近端用户n在使用ipsic/psic机制下的遍历速率可以分别定义为[0057][0058][0059]远端用户m的遍历速率定义为[0060][0061]优选的，步骤九具体包括：通过理论推导可得近端用户n在使用ipsic/psic机制下的遍历速率表达式分别为[0062][0063][0064]其中，ωi为ipsic时干扰信号的信道功率；[0065]通过理论推导可以获得远端用户m的遍历速率表达式为[0066][0067]优选的，步骤十具体包括：通过引入jensen’s不等式[0068][0069]进一步推导出近端用户n遍历速率的上界[0070][0071]根据公式(18)，当ρ→∞时，推导出远端用户m在高信噪比下的遍历速率为[0072][0073]优选的，步骤十一具体包括：遍历速率斜率是确定高信噪比条件下遍历速率的关键参数，对应的定义表达式可以表示为[0074][0075]通过把公式(23)、(24)分别带入(25)，推导出在级联莱斯信道下近端用户n在psic机制下的高信噪比遍历速率斜率为1，远端用户m的高信噪比遍历速率斜率分别为0；由于存在干扰因子影响，ipsic机制下近端用户n的遍历速率在高信噪比条件下趋近于常数，所以其高信噪比遍历速率斜率为0。[0076]与现有技术相比，本发明的有益效果：[0077]本发明在基于同时透射与反射智能超表面的noma通信系统设计中使用相干相移的方法，处理同时透射与反射超表面的相角，得出非正交用户的信噪比，使用拉盖尔级数第一项近似智能超表面的级联莱斯信道分布，进而求解用户的中断概率表达式以及遍历速率表达式，且分析了分集阶数和高信噪比斜率，与oma系统、传统协作通信系统相比性能更好，且该方法实现起来操作简单易行。附图说明[0078]图1是本发明所述的一种基于同时透射与反射智能超表面的noma通信系统模型图；[0079]图2是基于同时透射与反射超表面的noma通信系统与基于同时透射与反射超表面的c的中断性能的对比图；[0080]图3是基于同时透射与反射超表面的noma通信系统在不同莱斯因子下的中断性能对比图；[0081]图4是基于同时透射与反射超表面的noma通信系统在不同智能超表面单元数下的中断性能对比图；[0082]图5是基于同时透射与反射超表面的noma通信系统与基于同时透射与反射超表面的oma通信系统遍历速率的对比图；[0083]图6是本发明所述的一种基于同时透射与反射超表面的noma通信系统设计方法的流程图。具体实施方式[0084]下面结合实例及附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不限定本发明要求保护的范围。[0085]本发明的目的在于在功率域noma系统中引入同时透射与反射超表面，充分挖掘和利用系统有限的通信资源，设计高效的通信传输方案。[0086]一种基于同时透射与反射超表面的noma通信系统设计方法，包括以下步骤：[0087]步骤一：建立基于同时透射与反射超表面的noma通信系统模型，写出近端用户和远端用户的接收信号表达式；[0088]步骤二：给出近端用户使用非理想/理想串行干扰删除机制(imperfect/perfect successive interference cancellation,ipsic/psic)先检测远端用户的信号将其删除，然后再检测自身信号的信干噪比，以及远端用户直接将近端用户的信号当作干扰解码自身信号的信干噪比；[0089]步骤三：使用相干相移处理同时透射与反射智能超表面的相角，使用拉盖尔级数第一项近似处理级联莱斯信道的分布；[0090]步骤四：定义基于同时透射与反射超表面的noma通信系统中近端用户在使用ipsic/psic机制下的中断事件以及远端用户的中断事件；[0091]步骤五：推导出级联莱斯信道下近端用户在使用ipsic/psic机制下中断概率闭合解表达式以及远端用户的中断概率闭合解表达式；[0092]步骤六：进一步推导出在高信噪比下近端用户在使用ipsic/psic机制下的中断概率近似表达式以及远端用户的中断概率近似表达式；[0093]步骤七：给出在级联莱斯信道下近端用户使用ipsic/psic机制下的分集阶数以及远端用户的分集阶数；[0094]步骤八：定义基于同时透射与反射超表面的noma通信系统中近端用户在使用ipsic/psic机制下的遍历速率以及远端用户的遍历速率；[0095]步骤九：推导出在级联莱斯信道下近端用户在使用ipsic/psic机制下的遍历速率表达式以及远端用户的遍历速率表达式；[0096]步骤十：进一步推导近端用户使用psic机制时的遍历速率上界，以及远端用户在高信噪比下的遍历速率表达式；[0097]步骤十一：给出在级联莱斯信道下近端用户在使用ipsic/psic机制下高信噪比遍历速率斜率以及远端用户的高信噪比遍历速率斜率。[0098]具体地，步骤一具体包括：通信系统具体包括一个基站、一块同时透射与反射智能超表面和两个非正交用户，近端用户可以同时接收到来自基站发送给智能超表面再反射来的信号，以及基站通过直接链路发送的信号；远端用户只可以接收到来自基站发送给智能超表面再透射过来的信号。[0099]同时透射与反射智能超表面上包括2k个单元，基站到智能超表面以及智能超表面再到近端用户n和远端用户m的复信道系数分别用hsr、hrn和hrm表示，基站到近端用户n的复信道系数用hsn，并将所有信道建模为莱斯衰落信道且同时考虑大尺度衰落的影响，其中，cn(0,1)，α和η分别是路损因子和频率因子,κ为莱斯因子，dsr为基站到智能超表面的距离；为基站到智能超表面的距离；cn(0,1)，drn为智能超表面到用户n的距离；能超表面到用户n的距离；能超表面到用户n的距离；cn(0,1)，drm为智能超表面到用户m的距离；为智能超表面到用户m的距离；cn(0,1)，dsn为基站到用户n的距离。智能超表面的反射特性和透射特性可以分别通过一个对角矩阵和来反映，和分别表示第k个智能超表面单元的反射和透射幅度特性，并且单元的反射和透射幅度特性，并且假设在2k个智能超表面单元中有k个单元的单元中有k个单元的另有k个单元的另有k个单元的和分别表示第k个智能超表面单元的反射相移和折射相移。基于上述解释，在近端用户n处的接收信号表达式可以表示为[0100][0101]此时，在远端用户m处的接收信号表达式为[0102][0103]其中，an≤am，和分别为用户m和用户n处的高斯白噪声。[0104]具体地，步骤二具体包括：根据noma解码顺序准则，近端用户n解码远端用户m的信号时对应的信干噪比表达为[0105][0106]其中，表示发送端信噪比。具体而言，当和分别表示近端用户n使用了psic和ipsic机制，|hi|2为近端用户使用ipsic时带来的干扰信号对应的信道增益，hi:cn(0,1)。[0107]对于近端用户n，在使用sic机制删除远端用户m的信号后的信干噪比可以表示为[0108][0109]对于远端用户m直接将近端用户n的信号当作干扰解码自身信号，此时对应的检测信干噪比可以表示为[0110][0111]具体地，步骤三具体包括：从应用角度分析，连续改变智能超表面的反射单元幅度和相位有利于增强网络性能，但需要精确设计和昂贵的硬件体系结构，给智能超表面的部署带来较高的成本。为此，本专利将用户n和用户m的级联信道增益分别定义为：通过相干相移设计，智能超表面的相移与智能超表面的衰减增益的相位相匹配，得到根据级联莱斯信道的两个特征，即：①级联莱斯信道的概率密度函数具有单个最大值；②级联莱斯信道的概率密度函数在最大值的两侧都延伸到无穷大，通过拉盖尔级数第一项近似可得级联莱斯信道的概率密度函数表达式为[0112][0113]其中，υ∈(m,n)，其中，υ∈(m,n)，k0(·)和k1(·)分别为0阶和1阶修正贝塞尔函数，γ(·)是伽马函数。[0114]具体地，步骤四具体包括：近端用户n处的中断补事件可以解释为近端用户n可以解码远端用户m的信号，且在使用sic机制删除远端用户m的信号后也可以解码自身的信号。因此基于公式(3)和公式(4)，近端用户n的中断事件用数学表达式可以写为[0115][0116]其中，rυ表示用户υ检测信号xυ时的目标速率。[0117]端用户m处的中断事件可以解释为用户m不能检测自身的信息发生中断。因此基于公式(5)，远端用户m的中断事件用数学表达式可以写为[0118][0119]具体地，步骤五具体包括：通过理论推导可以获得在级联莱斯信道下用户n在使用ipsic/psic机制下的中断概率表达式分别为[0120][0121][0122]其中，ξ@max(τ,β)，其中，ξ@max(τ,β)，其中，ξ@max(τ,β)，表示高斯-拉盖尔积分的加权系数，xp分别是拉盖尔多项式的零点。p和u表示复杂度和准确度之间的折中参数。[0123]通过理论推导可以获得在级联莱斯信道下远端用户m的中断概率表达式为[0124][0125]其中，γ(·)为不完备伽马函数。[0126]具体地，步骤六具体包括：当ρ→∞时，通过理论推导可以获得近端用户n在使用ipsic机制下的中断概率近似表达式为[0127][0128]其中，[0129]当ρ→∞时，可以通过利用不完备伽马函数级数形式第一项，获得近端用户n在使用psic机制下的中断概率近似表达式为[0130][0131]同理，当ρ→∞时可以通过利用不完备伽马函数级数形式第一项，获得近端用户n在使用psic机制下的中断概率近似表达式为[0132][0133]具体地，步骤七具体包括：根据分集阶数的数学定义式[0134][0135]把公式(12)、(13)、(14)分别带入(15)，推导出在级联莱斯信道下近端用户n在使用ipsic/psic机制下的分集阶数为以及远端用户m的分集阶数分别等于[0136]具体地，步骤八具体包括：近端用户n在使用ipsic/psic机制下的遍历速率可以分别定义为[0137][0138][0139]远端用户m的遍历速率定义为[0140][0141]具体地，步骤九具体包括：通过理论推导可得近端用户n在使用ipsic/psic机制下的遍历速率表达式分别为[0142][0143][0144]其中，ωi为ipsic时干扰信号的信道功率。[0145]通过理论推导可以获得远端用户m的遍历速率表达式为[0146][0147]具体地，步骤十具体包括：通过引入jensen’s不等式[0148][0149]进一步推导出近端用户n遍历速率的上界[0150][0151]根据公式(18)，当ρ→∞时，推导出远端用户m在高信噪比下的遍历速率为[0152][0153]具体地，步骤十一具体包括：遍历速率斜率是确定高信噪比条件下遍历速率的关键参数，对应的定义表达式可以表示为[0154][0155]通过把公式(23)、(24)分别带入(25)，推导出在级联莱斯信道下近端用户n在psic机制下的高信噪比遍历速率斜率为1，远端用户m的高信噪比遍历速率斜率分别为0。由于存在干扰因子影响，ipsic机制下近端用户n的遍历速率在高信噪比条件下趋近于常数，所以其高信噪比遍历速率斜率为0。[0156]本发明提出一种基于同时透射与反射超表面的noma通信系统，该系统具体包括一个基站、一块同时透射与反射智能超表面和两个非正交用户。下面通过仿真验证本发明所涉及的一种基于同时透射与反射智能超表面的noma通信系统的中断概率和遍历速率性能。将其远端用户m和近端用户n的功率因子分别设置为am＝0.8和an＝0.2，目标速率分别设置为rm＝0.01bpcu和rn＝0.01bpcu；将基站到智能超表面、智能超表面到用户n和用户m以及基站到用户n的归一化距离设置为dsr＝drn＝drm＝dsn＝0.5，损因子α设置为α＝2。[0157]在基于同时透射与反射超表面的noma通信系统中，根据式子(9)和(10)可以计算用户n在使用ipsic/psic机制下的中断概率，根据式子(11)可以计算远端用户m的中断概率。定义系统总中断事件为两个用户都不发生中断的补事件，则系统总中断概率表达式为：pt＝1-(1-pn,psic)(1-pm)，以此做出图2。从图2可以看出，同时透射与反射超表面的noma通信系统的系统总中断性能优于传统译码转发中继、放大转发中继以及同时透射与反射超表面的oma通信系统。从图2还可以看出近端用户n在使用psic机制下的中断性能优于ipsic出。造成这些现象的主要原因：(1)对多个用户，基于同时透射与反射超表面的noma通信系统较oma系统可以实现更好的用户公平性；(2)全双工译码转发中继由于遭受环路干扰信号的影响，需要使用先进的环路干扰消除技术且成本较高；(3)相对于工作在半双工模式的译码转发中继，同时透射与反射超表面的noma通信系统工作在全双工模式且不受环路干扰的影响，具有较高频谱效率；(4)在ipsic机制下受干扰等因素的影响导致比在psic机制下性能差。[0158]图3呈现了基于同时透射与反射超表面的noma通信系统在不同莱斯因子下对于用户中断性能的影响。从结果可以看出，随着莱斯因子的增大，系统的中断性能也越来越好。这种现象可以解释为，在级联莱斯信道条件下，随着莱斯信道的直射分量越来越大，信道条件越来越好，用户的接收信噪比就越大，给近端用户n和远端用户m带来了更好的中断性能。[0159]图4呈现了基于同时透射与反射超表面的noma通信系统在不同智能超表面单元数条件下对近端用户n和远端用户m中断性能的影响。从结果可以可以观察到，随着智能超表面单元数量的增加，该系统能够实现更好的中断性能。造成这种现象是，随着透射与反射智能超表面单元数越多，传输信道增益越强，用户的接收信噪比就越大，给近端用户n和远端用户m带来了更好的中断性能。[0160]图5呈现了基于同时透射与反射超表面的noma通信系统的遍历速率与oma系统的遍历速率的对比。从图中的对比结果可以看出，在noma系统中近端用户n的遍历性能比oma系统要强，而对于远端用户m，在低信噪比时其在noma系统中的遍历性能更好。造成近端用户n的这种现象是因为，noma系统中近端用户n的频谱效率比oma系统中近端用户n的频谱效率要高。而对于远端用户m，这种现象是因为，在noma系统中远端用户m直接将近端用户n的信号当作干扰，直接解码自身信号，所以当信噪比越来越大时，远端用户m的传输速率会达到一个上限。[0161]最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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