一种基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法与流程

1.本发明涉及移动通信系统的多址技术领域，尤其涉及一种基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法。


背景技术：

2.近年来，随着第五代移动通信系统(5g)进入商用阶段，第六代移动通信系统(6g)的研发也拉开了序幕。6g将以全覆盖、全频谱、全应用、强安全的形式满足人们日益增长的各类通信需求，潜在的研究方向包括太赫兹通信，人工智能和超大规模mimo技术等。
3.现代移动通信的发展揭示了无线信道的随机性和不确定性是影响无线传输质量的关键因素，发射机的无线电波在传输过程中与传输路径上各种物体不可控制的相互作用，导致接收端信号质量降低。可重构智能表面通过人为调整无线信道环境，显著提高了系统的传输性能，为未来无线通信的发展提供了新的思路。可重构智能表面由精心设计的电磁单元规则排列组成，这些电磁单元通常由金属、介质和可调元件构成。通过控制电磁单元中的可调元件，以可编程方式更改反射电磁波的电磁参数，例如相位和幅度。与传统中继通信相比，可重构智能表面可以工作在全双工模式下，具有更高的频谱利用率，且可重构智能表面无需射频(rf)链路，不需要大规模供电，在功耗和部署成本上都将具有优势。传统的可重构智能表面分为反射型智能表面和透射型智能表面，而新型的可重构智能表面在每个单元上可同时反射和透射无线信号。
4.非正交多址接入技术也是一种能提高频谱效率的热点技术。目前该技术主要的四种方案分别为noma、musa、scma和pdma。其中，noma是仅有功率域应用的非正交多址接入技术。其采用的是多个用户信号强度的线性叠加，硬件结构简单，技术性不高，基于串行干扰抵消(sic)接收机也不复杂，是非正交多址接入技术中最简单的一种，易于与现有通信系统结合。但功率域用户层不宜太多，否则系统复杂性将徒然增加，系统性能将快速下降，所以通常只叠加2个用户。通常，noma需工作在用户与基站距离不相等的情况下，以便利用接收功率差进行sic解调。因此，当不同用户与基站的距离相近时，几乎相等的功率导致误码率急速上升，使noma无法工作。


技术实现要素：

5.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法，该发明能够在用户与基站距离相等的情况下构造出适合noma传输的无线信道环境，有效降低了接收端的误码率，提高了系统容量。
6.技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法，包括以下步骤，
7.步骤1，基站发送导频并控制新型可重构智能表面依次开启m个单元，同时将新型可重构智能表面的反射和透射系数分别设置为1；
8.步骤2，根据发送的导频，依次计算用户a和用户b与基站间经过m个单元反射和透
射的信道和并将信道和反馈至基站；
9.步骤3，基站依次比较信道和的模的大小，筛选出的单元序号，并将其对应单元存储为集合s；
10.步骤4，基站将集合s以外的单元关闭，并将集合s中单元的反射和透射系数分别设置为和
11.步骤5，用户a和用户b分别发送信号和至基站；
12.步骤6，基站将x
b
(n)作为噪声，解调x
a
(n)得到用户a接收信号
13.步骤7，基站抵消x
a
(n)的干扰后，解调x
b
(n)得到用户b的接收信号
14.进一步的，在本发明中：所述步骤2中，用户a在第n个时刻接收到的离散基带等效信号为：
[0015][0016]
其中，表示新型可重构智能表面第1个单元与用户a之间第n个时刻的信道，α1(n)为第1个单元在第n个时刻的反射系数，此处α1(n)＝1，表示基站与新型可重构智能表面第1个单元之间第n个时刻的信道，x
p
(n)表示基站在第n个时刻发送的导频信号，w
a
(n)表示用户a第n个时刻的加性白高斯噪声；
[0017]
由于α1(n)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可以得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道为：
[0018][0019]
其中，表示基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道。
[0020]
进一步的，在本发明中：所述步骤2中，经过新型可重构智能表面第1个单元的透射，用户b在第n个时刻接收到的离散基带等效信号为：
[0021][0022]
其中，表示新型可重构智能表面第1个单元与用户b之间第n个时刻的信道，β1(n)为第1个单元在第n个时刻的透射系数，此处β1(n)＝1，w
b
(n)表示用户b第n个时刻的加性白高斯噪声；
[0023]
由于β1(n)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可以得到基站与用户b之间经过新型可重构智能表面透射的复合信道为：
[0024][0025]
其中，表示基站与用户b之间经过新型可重构智能表面透射的复合信道。
[0026]
进一步的，在本发明中：所述步骤2中，将新型可重构智能表面的反射和透射系数
分别设置为1，在第n时刻，基站控制新型可重构智能表面打开第1个单元，并关闭其它单元，可以得到用户a接收到经过新型可重构智能表面第1个单元反射回来的离散基带等效信号为：
[0027][0028]
在接收端进行信道估计，并在所得结果中减去即可得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道。
[0029]
进一步的，在本发明中：所述步骤2中，在第n 1时刻，基站控制新型可重构智能表面打开第2个单元，并关闭其它单元，此时用户a接收到经过新型可重构智能表面第2个单元反射回来的离散基带等效信号为：
[0030][0031]
其中，表示新型可重构智能表面第2个单元与用户a之间的信道，α2(n 1)为新型可重构智能表面的第2个单元在第n 1个时刻的反射系数，且α2(n 1)＝1，表示基站与新型可重构智能表面第2个单元之间第n 1个时刻的信道，x
p
(n 1)表示基站在第n 1个时刻发送的导频信号，w
a
(n 1)表示用户a第n 1个时刻的加性白高斯噪声。
[0032]
进一步的，在本发明中：所述步骤2中，由于α2(n 1)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道为：
[0033][0034]
进一步的，在本发明中：所述步骤2中，经过新型可重构智能表面第2个单元的透射，用户b接收到的离散基带等效信号为：
[0035][0036]
其中，表示新型可重构智能表面第2个单元与用户b之间的信道，β2(n 1)为新型可重构智能表面的第2个单元在第n 1个时刻的反射系数，且β2(n 1)＝1，w
b
(n 1)表示用户b第n 1个时刻的加性白高斯噪声。
[0037]
进一步的，在本发明中：所述步骤2中，由于β2(n 1)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可得到基站与用户b之间经过新型可重构智能表面透射的复合信道为：
[0038][0039]
进一步的，在本发明中：所述步骤6还包括，假设用户与基站之间的直接信道被阻挡，基站在第n个时刻接收到的离散基带等效信号r
bs
(n)为：
[0040][0041]
进一步的，由于用户a的信道条件较好，基站会先将用户b的信号x
b
(n)作为噪声，
解调用户a的信号x
a
(n)，得到解调后的用户a接收信号
[0042][0043]
进一步的，在本发明中：所述步骤7还包括，基于sic技术，基站先抵消用户a产生的干扰后，再解调用户b的数据，即：
[0044][0045]
其中，y
b
(n)表示抵消干扰后的用户b的接收信号，表示经过硬判或软判后重新生成的符号，最终得到用户b的接收信号为：
[0046][0047]
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明将可重构智能表面和noma技术结合，提出了一种新型的无线通信方案，该方案通过对可同时反射和透射的新型可重构智能表面上的反射和透射单元进行选择，在两个用户各自与基站之间的距离相近或相等的特殊情况下，构造出适合noma传输的无线信道环境，有效降低了接收端的误码率，提高了系统容量，且计算复杂度低，不需要增加任何额外的器件；除了可同时反射和透射的新型可重构智能表面，本发明的单元选择方法还能够适用于其它种类的可重构智能表面，包括只反射的可重构智能表面、带有部分射频链路(rf)的混合可重构智能表面等。
附图说明
[0048]
图1为本发明提出的基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法的整体流程示意图；
[0049]
图2为本发明中新型可重构智能表面的noma原理示意图；
[0050]
图3为分别基于传统方法和本发明提出方法下仿真得到的误码率对比图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0052]
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
[0053]
如图1所示，图1为本发明所述的一种基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法的整体流程示意图，该方法包括以下步骤，
[0054]
构建一个新型可重构智能表面辅助的上行窄带通信系统，该系统的基站包括一根天线，新型可重构智能表面包括m个单元，其中每个单元可同时反射和透射基站发送的信号，且第m个单元的反射系数为α
m
，透射系数为β
m
，m＝1,2，...,m。由于每个单元都是无源的被动反射元件，因此反射系数和透射系数分别满足0≤|α
m
|≤1，0≤|α
m
|≤1。
[0055]
具体的，参照图2的示意，在本发明中用户a和用户b均只有1根天线用于接收反射信号，且用户位于新型可重构智能表面的前面，即位于反射区，用户a能够接收经过新型可
重构智能表面反射的信号；用户b有1根天线，且用户位于新型可重构智能表面的后面，即位于透射区，用户b能够接收经过新型可重构智能表面透射的信号。由于用户可以同时位于新型可重构智能表面的前后两侧，相比于传统只能反射信号的新型可重构智能表面，新型可重构智能表面扩大了覆盖范围。
[0056]
步骤1，基站发送导频并控制新型可重构智能表面依次开启m个单元，同时将新型可重构智能表面的反射和透射系数分别设置为1；其中，开启时单元时每次只开启1个单元。
[0057]
假设基站与用户a之间的直接信道被障碍物遮挡，只存在基站经过新型可重构智能表面反射到达用户a的反射信道，并且由于用户b位于新型可重构智能表面的后面，通常只存在基站经过新型可重构智能表面到达用户b的透射信道。经过频率平坦性衰落信道，用户a在第n个时刻接收到的离散基带等效信号为：
[0058][0059]
其中，表示新型可重构智能表面第1个单元与用户a之间第n个时刻的信道，α1(n)为第1个单元在第n个时刻的反射系数，此处α1(n)＝1，表示基站与新型可重构智能表面第1个单元之间第n个时刻的信道，x
p
(n)表示基站在第n个时刻发送的导频信号，w
a
(n)表示用户a第n个时刻的加性白高斯噪声。
[0060]
假设信道相干时间远大于信道估计和数据传输时间，可认为信道在传输期间保持不变，即信道与时间n无关，因此为了简化表示，在下面的分析中可省略有关信道的时间序号n。由于α1(n)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可以得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道为：
[0061][0062]
其中，表示基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道。
[0063]
同时，经过新型可重构智能表面第1个单元的透射，用户b在第n个时刻接收到的离散基带等效信号为：
[0064][0065]
其中，表示新型可重构智能表面第1个单元与用户b之间第n个时刻的信道，β1(n)为第1个单元在第n个时刻的透射系数，此处β1(n)＝1，w
b
(n)表示用户b第n个时刻的加性白高斯噪声。
[0066]
由于β1(n)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可以得到基站与用户b之间经过新型可重构智能表面透射的复合信道为：
[0067][0068]
其中，表示基站与用户b之间经过新型可重构智能表面透射的复合信道。
[0069]
进一步的，若基站与用户a之间的直接信道未被遮挡，则先关闭新型可重构智能表面上的所有单元，并估计该直接信道，得到：
[0070]
r
bu
(n)＝h
bu
x
p
(n) w
bu
(n)
[0071]
其中，r
bu
(n)表示通过用户a与基站之间的直接信道收到的信号，h
bu
表示基站与用户a之间的直接信道，w
bu
(n)表示直接信道的加性白高斯噪声。
[0072]
由于接收端已知x
p
(n)，可得到该直接信道的估计值为：
[0073][0074]
其中，为直接信道的估计值。
[0075]
进一步的，将新型可重构智能表面的反射和透射系数分别设置为1，在第n时刻，基站控制新型可重构智能表面打开第1个单元，并关闭其它单元，可以得到用户a接收到经过新型可重构智能表面第1个单元反射回来的离散基带等效信号为：
[0076][0077]
在接收端进行信道估计，并在所得结果中减去即可得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道。
[0078]
进一步的，在第n 1时刻，基站控制新型可重构智能表面打开第2个单元，并关闭其它单元，此时用户a接收到经过新型可重构智能表面第2个单元反射回来的离散基带等效信号为：
[0079][0080]
其中，表示新型可重构智能表面第2个单元与用户a之间的信道，α2(n 1)为新型可重构智能表面的第2个单元在第n 1个时刻的反射系数，且α2(n 1)＝1，表示基站与新型可重构智能表面第2个单元之间第n 1个时刻的信道，x
p
(n 1)表示基站在第n 1个时刻发送的导频信号，w
a
(n 1)表示用户a第n 1个时刻的加性白高斯噪声。
[0081]
由于α2(n 1)＝1，且接收端已知x
p
(n 1)，可得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面反射的复合信道为：
[0082][0083]
同时，经过新型可重构智能表面第2个单元的透射，用户b接收到的离散基带等效信号为：
[0084][0085]
其中，表示新型可重构智能表面第2个单元与用户b之间的信道，β2(n 1)为新型可重构智能表面的第2个单元在第n 1个时刻的反射系数，且β2(n 1)＝1，w
b
(n 1)表示用户b第n 1个时刻的加性白高斯噪声。
[0086]
由于β2(n 1)＝1，且接收端已知x
p
(n)，可得到基站与用户b之间经过新型可重构智能表面透射的复合信道为：
[0087][0088]
步骤2，根据发送的导频，依次计算用户a和用户b与基站间经过m个单元反射和透射的信道和并将信道和反馈至基站；
[0089]
具体的，基于步骤1中的方法，接收端最终可以得到基站与用户a之间经过新型可重构智能表面所有单元反射的复合信道估计以及经过新型可重构智能表面所有单元透射的复合信道估计且m＝1,2,...,m。接收端将获取到的和全部反馈至基站。
[0090]
步骤3，基站依次比较信道和的模的大小，筛选出的单元序号，并将其对应单元存储为集合s；
[0091]
具体的，基站从开始m＝1开始，依次比较相同单元下和的模的大小，并筛选出时对应的单元序号，将时应的单元序号存储为集合s。例如，若则s＝{1,2,8}。
[0092]
步骤4，进行数据传输，此时基站将集合s以外的单元关闭，并将集合s中单元的反射和透射系数分别设置为和其中m∈s；
[0093]
具体的，将集合s之外的单元均关闭，集合s中序号对应的单元保持开启，并将这些单元的反射系数α
m
和透射系数β
m
分别设置为：
[0094][0095][0096]
其中，angle(
·
)表示取相角操作，j表示虚数单位。
[0097]
步骤5，用户a和用户b分别向基站发送信号和
[0098]
由于反射系数和透射系数在数据传输阶段保持不变，因此α
m
和β
m
可以忽略时间序号n。用户a和用户b在第n个时刻分别发送信号和其中，p
a
和p
b
分别表示用户a和用户b的发送功率，且p
a
＝p
b
。
[0099]
步骤6，基站将x
b
(n)作为噪声，解调x
a
(n)得到用户a接收信号
[0100]
假设用户与基站之间的直接信道被阻挡，基站在第n个时刻接收到的离散基带等效信号r
bs
(n)为：
[0101][0102]
进一步的，由于在集合s中的模大于的模，因此用户a的信道条件较好，基站会先将用户b的信号x
b
(n)作为噪声，解调用户a的信号x
a
(n)，得到解调后的用户a接收信号
[0103][0104]
步骤7，基站抵消x
a
(n)的干扰后，解调x
b
(n)得到用户b的接收信号
[0105]
具体的，采用sic技术，基站先抵消用户a产生的干扰后，再解调用户b的数据，即：
[0106][0107]
其中，y
b
(n)表示抵消干扰后的用户b的接收信号，表示经过硬判或软判后重新生成的符号，最终得到用户b的接收信号为：
[0108][0109]
为了验证本发明的有益效果，进行如下的仿真实验：构建的新型可重构智能表面包括128个单元，每个单元可同时反射和透射信号，基站距离新型ris为50米。用户a和用户b分别与新型可重构智能表面距离50米，用户a和用户b的信号发送功率同为30dbm，即：p
a
＝p
b
＝1mw。
[0110]
假设基站与用户之间直接信道被阻挡，即不存在直接信道，基站与新型可重构智能表面之间以及新型可重构智能表面与用户之间是莱斯信道，莱斯因子为10，路径衰落指数ple为2.2。参考距离为1米，在参考距离处的路径损耗为
‑
30db。用户a和b在相同的时频资源上发送qpsk信号，基站统计所有接收数据的误码率。在传统方法下，由于用户a和b距离新型可重构智能表面距离相等，信号的接收功率相近，采用全部单元反射和透射的传统方法误码率较高，几乎无法工作。
[0111]
而基于本发明提出的基于新型可重构智能表面的非正交多址接入方法，通过对单元的选择，使用户a的信道优于用户b的信道，构造出适合noma的传播环境，随着噪声方差减小，极大地降低了误码率，保证了传输的可靠性。参照图3的示意，为分别基于传统方法和本发明提出方法下仿真得到的误码率(ber)对比示意图。
[0112]
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。