一种基于QoS约束的IRS-MU-OAM-OFDMA下行资源优化方法及系统

本发明涉及一种基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma下行资源优化方法及系统，属于通信。

背景技术：

1、自无线通信诞生以来，时间、频率和空间等维度已被广泛利用，以最大化系统容量。然而，现有资源已不足以支撑未来通信需求的急剧增长，迫切需要开拓新的维度。轨道角动量（orbital angular momentum, oam）因其潜在的无限容量而受到广泛关注，许多学者已研究将oam与多输入多输出（multiple input multiple output，mimo）、非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，noma）等技术结合，以提升系统容量。

2、然而，传统的oam系统限制在（line-of-sight，los）传播环境。虽然已有不少研究较好地缓解了单用户los环境中大气湍流、天线不对准、多径干扰等多重干扰，但仍然对传播环境有较高要求，而且在视距信道受到阻塞的非视距（non line-of-sight，nlos）场景中无法正常通信。目前nlos-oam系统的研究较少。并且研究场景均为单用户，关于多用户（multiuser, mu）nlos-oam系统中的资源分配方案尚未得到充分研究。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma下行资源优化方法及系统，基于服务质量（quality of service，qos）约束，基于广义斯涅尔反射定律，智能反射表面（intelligent reflective surface， irs）因其在绕过障碍物、增强网络覆盖、抑制干扰等方面出色的效果成为6g无线通信的潜在技术之一。irs具备大量的无源反射单元，可以在已知信道状态信息（channel state information， csi）时通过软件主动地改变入射信号的幅度和相位，实现对涡旋信号的精准控制和定向传播。

2、为了实现阻塞状况下的多用户nlos oam通信，本发明引入了可以作为中继来调整波束的irs。引入irs的oam系统则可以主动地修改无线通信传播环境，为死区用户提供虚拟视线链路来增强网络覆盖和系统容量，克服收发不对准失真大的局限。同时使用了ofdma技术，ofdma（orthogonal frequency division multiple access）即正交频分多址，是一种基于正交频分复用（ofdm）原理的多址技术。ofdma既能提高用户数量和频谱效率实现信道容量的增强，也能很好地缓解多径干扰。解决了背景技术中披露的问题。

3、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

4、一种基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma下行资源优化方法：

5、建立irs-mu-oam-ofdma通信系统模型；

6、建立基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma通信系统模型的下行资源优化模型；

7、在所述下行资源优化模型下，对子表面分配因子、子载波分配因子、用户功率分配系数、模式功率分配系数、反射相位分别进行优化；

8、根据优化后的子表面分配因子、子载波分配因子、用户功率分配系数、模式功率分配系数、反射相位分配通信资源。

9、进一步地，建立irs-mu-oam-ofdma通信系统模型的方法为：

10、设置发射机模块，所述发射机模块配备均匀圆形阵列构成发射阵列；发射阵列由均匀分布的个天线阵元构成，服务于个用户；发射阵列的天线阵元拆分出个组合，每个组合充当一个用户的发射机；其中拆分方式为等间隔抽取法，使得被拆分出的每个组合仍为均匀圆形阵列，并且各组合的相邻天线间隔和半径完全一致；发射阵列用于为每个用户分别传输模式值为的oam涡旋波；可用模式集合定义为；发射机模块采用ofdma技术，载波集合为,子载波数量为；以发射阵列的中心作为原点，垂直地平线方向为y轴，与地平线平行方向为z轴建立笛卡尔坐标系；基于该坐标系，第根发射天线的位置为：

11、（1）；

12、式中为天线方位角，表示均匀圆形阵列中指定的第一个参考天线阵元在参考坐标系下的方位角；为发射阵列的半径；为刚体变换中的俯仰角变换，为刚体变换中的横滚角变换，用于描述发射阵列绕x轴旋转和绕y轴旋转弧度使得oam波束指向irs，以确保信号传输方向经过该用户的子表面中心；将第个用户的发射天线的位置描述为集合；其中，表示维度为的实数集，该集合中共有个元素，每个元素为三维向量，向量中的每个元素的取值为实数；

13、设置irs模块，所述irs模块一共有个反射单元，分别为沿着z方向和y方向的单元数量，单个用户使用的子表面被分配个单元；以发射阵列的中心作为原点，垂直地平线方向为y轴，与地平线平行方向为z轴建立笛卡尔坐标系；irs的位置与yoz平面平行，第个子表面中心位置的坐标描述为：，第个子表面的反射单元的坐标表示为：，具体计算如下：

14、（2）；

15、其中，，和分别表示相邻反射单元在和方向的间隔；表示用户可选的子表面的中心坐标集合：

16、（3）；

17、设置接收机模块，所述接收机模块包括个用户的接收机，个用户随机分布在与发射阵列视距路径被阻塞的区域，每个用户的接收机配备了天线数量为的均匀圆形阵列构成接收阵列；以发射阵列的中心作为原点，垂直地平线方向为y轴，与地平线平行方向为z轴建立笛卡尔坐标系；基于该坐标系，第个用户接收阵列的中心位置的坐标描述为；第个接收阵列的第根天线的位置为：

18、（4）；

19、其中，为天线方位角，表示均匀圆形阵列中指定的第一个参考天线阵元在参考坐标系下的方位角；表示接收阵列的半径；为刚体变换中的俯仰角变换，为刚体变换中的横滚角变换，用于描述接收阵列绕x轴旋转和绕y轴旋转弧度使得oam波束指向irs，以确保信号传输方向经过该用户的子表面中心；用户的接收天线的位置描述为集合，；

20、刚体变换表示为：

21、（5）；

22、刚体变换表示为：

23、（6）；

24、发射机模块向irs模块，以及irs模块向接收机模块传输信号的信道为太赫兹信道，利用kirchhoff散射理论和射线追踪技术，得到等效的太赫兹信道：

25、（7）；

26、式中的表示太赫兹频段的自由空间损耗，与收发天线阵元之间的距离和波长相关；表示分子吸收损失，受信道中的分子温度、压力和波长影响；表示无线通信中受传播距离影响的相位变化；

27、发射阵列和irs，以及irs和用户之间的传输信道为视距信道；发射阵列的第根发射天线到第个子表面的反射单元的第个反射单元的距离为：

28、（8）；

29、第个子表面的反射单元的第个反射单元到第个用户的第根接收天线的距离为： （9）。

30、进一步地，建立基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma通信系统的下行资源优化模型的方法为：

31、irs-mu-oam-ofdma通信系统的用户接收信号描述为：

32、（10）；

33、其中，表示基于式（7）得到的irs和接收机模块之间的信道矩阵，同理表示发射阵列与irs之间的信道矩阵，其中，表示维度为的复数集，该集合中共有个元素，每个元素内部又有个元素用来描述反射单元的相位，每个相位的取值为复数；发射阵列具有根天线，下行信道矩阵表示为：，其中，表示维度为的复数集，该集合中共有个元素，每个元素内部又有个元素用来描述反射单元的相位，每个相位的取值为复数；表示对角形式的irs相移矩阵；为均值为0，方差为的加性高斯白噪声；表示已调oam信号，其螺旋化通过idft矩阵实现：

34、（11）；

35、其中，为载波分配因子，描述用户是否被分配子载波，为该载波的功率；表示分配给用户各个oam模式的功率；表示发送符号；为维度为的dft矩阵，其中，

36、（12）；

37、接收机模块使用dft矩阵与接收信号相乘得到解螺旋信号；基于解螺旋信号，完成信息传递；

38、基于香农公式，irs-mu-oam-ofdma通信系统的用户的速率

39、（13）；

40、其中，表示该用户其他模式带来的模式间干扰，表示高斯噪声；表示用户的模式矩阵：

41、（14）；

42、考虑irs的相移功能，的连续相移场景，建立优化问题：

43、（15）；

44、其中，目标函数为最大化系统容量；表示一个ofdm子载波只能被分配给一个用户；表示所有用户的发射功率之和不大于可行的最大总功率，并且任一用户的发射功率均为正数；表示每个用户的各个oam模式的发射功率之和小于等于该用户的发射功率，并且任一用户的任一模式发射功率非负；为irs的相位约束；表示用户使用的irs只能是内的子表面；为qos约束，使得任一用户的系统容量均大于。

45、进一步地，在所述下行资源优化模型下，对子表面分配因子、子载波分配因子、用户功率分配系数、模式功率分配系数、反射相位分别进行优化的方法为：

46、采用发射天线中心点到子表面中心点，再到接收天线中心点的信道增益来描述信道的好坏；

47、（16）；

48、标记用于描述用户，用于描述子表面；遍历所有的和，可以得到信道增益集；为每个用户选择增益取最大值时的第个子表面；如果有多个用户在同一个子表面处信道最佳，则将子表面分配给取值最大的用户，直到没有冲突为止，确定子表面分配因子；

49、在确定子表面分配因子的基础上，多次随机生成irs的反射相位，每次生成随机的相位之后，进入内部优化；

50、所述内部优化包括：保持相位不变，优化子载波分配因子；保持子载波分配因子不变，优化用户功率分配系数；保持子载波分配因子、用户功率分配系数不变，优化各用户的模式功率分配系数；保持子载波分配因子、用户功率分配系数及模式功率分配系数不变，优化反射相位；

51、重复执行内部优化，直到满足收敛精度要求或达到迭代次数；

52、记录每轮内部优化解，直到irs-mu-oam-ofdma系统容量收敛或者达到迭代次数为止；

53、输出的结果是非凸优化资源分配过程中irs-mu-oam-ofdma系统容量取最大值时的次优解，以及相应的子表面分配因子、子载波分配因子、用户功率分配系数、模式功率分配系数、反射相位。

54、进一步地，保持相位不变，优化子载波分配因子的方法为：

55、irs模块的相位随机生成之后，进入内部优化中的子载波分配；基于qos对各用户分配的子载波进行优化，用户功率被平均分给所有用户，使得各用户的发射功率均为；用户的发射功率被均分给所有模式，各模式功率为；基于随机产生的irs相位为各用户匹配如式容量取最大值时的ofdm载波；如果存在一个载波匹配多个用户的情况，则将载波分配给容量值更大的用户直到不产生矛盾；

56、（17）；

57、上述分配用集合来描述，表示分给用户的子载波；可用的载波数量大于等于用户数，暂时未被分配的载波集为；基于式获得qos满足度最差的用户：

58、（18）；

59、基于qos满足度进行二次分配，即在未分配集中遍历出满足式的载波分给用户，使得该用户具有双载波；

60、（19）；

61、基于二次分配更新，并不断重复二次分配的过程，得到满足所有用户qos需求的ofdm子载波分配方案；如果最后仍然有未被分配的载波，将未被分配的载波全部分配给信道条件最好的用户以最大化系统容量，得到子载波分配因子。

62、进一步地，保持子载波分配因子不变，优化用户功率分配系数的方法为：

63、如果一个用户占用多个子载波，占用的子载波数量已在载波分配过程中确定；假设任意用户在其占用子载波上的发射功率是相等的，均为；取对角元素的均值作为用户的信道增益，的均值作为高斯噪声；建立注水功率分配优化模型如下：

64、（20）；

65、基于拉格朗日乘子法可以求得上式的最优解，令

66、（21）；

67、令其一阶导数导数为0，得到：

68、（22）；

69、再根据式的约束条件，求解出，得到注水分配的表达式：

70、（23）；

71、此时，得到所有用户在其占用载波上的发射功率，其中；用户的总功率为；此时求解得到的集合即为用户功率分配系数。

72、进一步地，保持子载波分配因子、用户功率分配系数不变优化各用户的模式功率分配系数的方法为：

73、得到用户功率之后，优化用户在单个载波上的模式功率，建立以下优化问题：

74、（24）；

75、对进行二次变换得到以下优化：

76、（25）；

77、固定功率时，得到的闭式解：

78、（26）；

79、其中，是上一次迭代得到的解；固定后，上述优化为凸优化问题，基于matlab cvx工具箱求解出任意用户的模式功率；重复迭代得到收敛解，此时求解得到的集合即为模式功率分配系数；至此，用户功率和相应的模式功率分配完毕。

80、进一步地，保持子载波分配因子、用户功率分配系数及模式功率分配系数不变，优化反射相位的方法为：

81、基于随机的irs反射相位，在子表面分配因子、子载波分配因子、用户功率分配系数以及模式功率分配系数均被优化完毕后，交替优化irs反射相位，得到以下优化模型：

82、（27）；

83、为了求解上述非凸难题，先将模式信道增益写成：，；再令，，，则

84、（28）；

85、其中，得到

86、（29）；

87、式中，；

88、优化问题变成：

89、（30）；

90、式中的约束是非凸的，采用半正定松弛方法进行松弛，再通过二次变换将目标函数变成如下形式：

91、（31）；

92、其中，（32）；

93、是已知的上一次迭代的解；固定后，优化问题（31）变成凸优化问题，基于matlab cvx工具箱求解反射相位，多次迭代得到收敛解。

94、相应地本发明还提供一种基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma下行资源优化系统，包括irs-mu-oam-ofdma通信系统和控制器；

95、所述irs-mu-oam-ofdma通信系统包括发射机、irs和接收机；

96、所述发射机由数倍于单个用户天线数的均匀圆形阵列构成，每个均匀圆形阵列均匀地等间隔划分成多个子发射机模块；每个子发射机模块服务于一个用户，用于基于信道状态信息改变天线指向，用于基于多个ofdm子载波以及波束调向技术向智能反射面同时发射全模式的oam信号；

97、所述irs由若干反射单元组成，通过改变波束的相位来改变波束波前朝向；基于用户数量，拆分成多个子表面，每个子表面服务于一个用户，用于将该用户需要接收的发射信号反射至该用户的接收机模块；

98、所述接收机包括多个由均匀圆形阵列组成的用户接收机模块，每个用户接收机模块服务于一个用户，用于实现oam信号的接收和解调；

99、所述控制器设有下行资源优化模块，所述下行资源优化模块用于对子表面分配因子、子载波分配因子、用户功率分配系数、模式功率分配系数、反射相位进行优化，使irs-mu-oam-ofdma系统容量的最大化。

100、进一步地所述下行资源优化模块包括外部优化模块和内部优化模块；

101、所述外部优化模块用于在确定子表面分配因子的基础上，多次随机生成irs的反射相位，直到irs-mu-oam-ofdma系统容量收敛或者达到迭代次数为止，实现将无法求解的联合优化转化为交替优化；每次生成随机的相位之后，进入内部优化模块；

102、所述内部优化模块用于保持相位不变，优化子载波分配因子；保持子载波分配因子不变，优化用户功率分配系数；保持子载波分配因子、用户功率分配系数不变，优化各用户的模式功率分配系数；保持子载波分配因子、用户功率分配系数及模式功率分配系数不变，优化反射相位；直到满足收敛精度或者迭代次数限制。

103、本发明所达到的有益效果：

104、本发明针对不存在视距信道的多用户oam通信场景，提供一种基于qos约束的irs-mu-oam-ofdma下行资源优化方法及系统。其优点一在于，克服了传统oam系统只能适用于视距信道的缺点。其优点二在于，在保障系统各用户qos需求的前提下实现了系统容量的最大化，并且有比传统方法更低的误码率。