[發(fā)明專利]一種反向散射輔助協(xié)同NOMA系統(tǒng)中的最大和速率優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110658363.4
• 申請(qǐng)日: 2021-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN113473497B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李興旺;朱明甫;張海洋;張威;洪振東;倪水平;馬傳琦;劉文奇;常振
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南垂天科技有限公司
• 主分類號(hào): H04W24/02
• 分類號(hào): H04W24/02
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務(wù)所(普通合伙) 41117
• 代理人: 楊妙琴

1.一種反向散射輔助協(xié)同NOMA系統(tǒng)中的最大和速率優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟：

A、用BS表示基站，U₁和U₂表示兩個(gè)用戶，Tag表示反向散射標(biāo)簽，g₁和g₂以及g₃表示基站到用戶U₁和U₂以及反向散射Tag的信道增益，f₁和f₂表示反向散射Tag到用戶U₁和U₂的信道增益，h₁和h₂表示用戶U₁到U₂和反向散射Tag的信道增益，P是基站的發(fā)射功率；

B、通過在i-SIC解碼的基礎(chǔ)上對(duì)兩個(gè)時(shí)隙的功率分配和反向散射系數(shù)以及U₁的總功率和時(shí)間的聯(lián)合優(yōu)化達(dá)到對(duì)該反向散射輔助協(xié)同NOMA系統(tǒng)的和速率最大化，將所考慮的優(yōu)化問題可以在數(shù)學(xué)上表示為

s.t:TR₁≥R_min

TR₂+(1-T)R₃≥R_min

Pr≤Pr_max

0≤T≤1,0≤φ₁≤1,0≤φ₂≤1,0≤Λ≤1.

其中TR₁和TR₂分別表示第一個(gè)時(shí)隙中的U₁和U₂的可實(shí)現(xiàn)速率，由于第一時(shí)隙的中繼轉(zhuǎn)發(fā)在U₂處的速率為(1-T)R₃,而在第一個(gè)時(shí)隙U₂信號(hào)在U₂處的解碼速率為P_Υ為U₁處的可用總功率，Λ和(1-Λ)是基站功率P的功率分配系數(shù)，φ₁和φ₂是第一時(shí)隙和第二時(shí)隙的反向散射系數(shù)，TR₁≥R_min和TR₂+(1-T)R₃≥R_min確保滿足用戶的最低速率要求，保證滿足所需的合作，P_γ≤P_γmax確保在U₁處的功率分配將遵循功率預(yù)算，其中P_γmax是用戶的電池容量，0≤T≤1,0≤φ₁≤1,0≤φ₂≤1,0≤Λ≤1確保了時(shí)間，功率分配系數(shù)和反射系數(shù)的值將保持在實(shí)際范圍內(nèi)；

其中，可實(shí)現(xiàn)速率R₁、R₂、R₃和表示為

其中σ²表示高斯白噪聲的方差，β表示U₁在解碼自己的信息時(shí)所面臨干擾的百分?jǐn)?shù)；

C、求解B中的優(yōu)化問題，得到優(yōu)化最大和速率，具體步驟如下：

由于目標(biāo)函數(shù)φ₁，φ₂和P_Υ是內(nèi)凹的，因此引入拉格朗日方程為：

其中λ₁，λ₂，μ，η，ζ₁和ζ₂是拉格朗日乘子；

然后應(yīng)用KKT條件，對(duì)φ₁以及φ₂求導(dǎo)，得到：

其中

Γ＝1+Λ，以及v＝1+λ₁；

由條件約束可知P_γ是一常數(shù)，因此將約束條件轉(zhuǎn)化為(2^ψ-1)σ²≥Pr(h₁+φ₂f₂h₂)，

同樣，應(yīng)用KKT條件，對(duì)拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)

對(duì)于完美的SIC，β＝0；此時(shí)，目標(biāo)函數(shù)對(duì)于為Λ而言是凹函數(shù)，可求其解；但對(duì)于i-SIC，目標(biāo)函數(shù)中Λ的特征值等同于

其中χ＝(aΛ+σ²)²(c-cΛ+σ²)²(c+bΛ-cΛ+σ²)²，

κ＝a²(c⁴(-1+Λ)⁴+σ⁶(2bL+σ²)+2cσ⁴(b(3-2Λ)Λ-2(-1+Λ)σ²)-2c³(-1+Λ)(bΛ(1-Λ+Λ²)+2(-1+Λ)²σ²)+c²(b²Λ⁴+2bΛ(3-4Λ+2Λ²)σ²+6(-1+L)²σ⁴))-2abΛσ²(c+σ²)(2c(c(-1+Λ)-σ²)+b(c-2cΛ+s))-bσ⁴(c+σ²)(2c(c(-1+Λ)-σ²)+b(c-2cΛ+σ²))，

a＝P(g₂+φ₁f₂g₃)，b＝P(g₁+φ₁f₁g₃)，c＝Pg₁β；

此時(shí)，目標(biāo)函數(shù)對(duì)于Λ而言也是凹函數(shù)；ω(ρ)表示目標(biāo)函數(shù)中Λ＝ρ，函數(shù)為凸就意味著ω(uρ₁+(1-u)ρ₂)≤uω(ρ₁)+(1-u)ω(ρ₂),其中u∈[0,1],目標(biāo)函數(shù)的最大值是Λ的兩個(gè)極值之一；同時(shí)，因?yàn)閁₁比U₂更加接近BS，則g₁g₂，所以無論Λ為何值，約束條件總是滿足的；約束的可行性就只取決于P_Υ的值，因?yàn)棣闹凳軆蓚€(gè)用戶速率要求的限制，且U₁速率要求的下限為

同樣，對(duì)于P_Υ^*的上限為

其中

并且要求a_L＝min(a_L1,1)，α_U＝min(a_U1,0)；此時(shí)，Λ^*就直接得到，當(dāng)ω(α_L)ω(α_U)時(shí)，Λ^*＝α_L，否則Λ^*＝α_U；

采用次梯度法求解拉格朗日乘子，在每次迭代中對(duì)偶變量的值更新為：

η^T+1＝η^t-δ(Pr_max-Pr)

由于系統(tǒng)中Λ是凸的，所以利用給出的Λ^*來實(shí)現(xiàn)T的優(yōu)化，計(jì)算Λ^*以及Pr^*來得到T^*；因此，采用二分法對(duì)T的值進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的步驟如下：

1)初始化所有的系統(tǒng)參數(shù)；

2)對(duì)于給定的T，T＝0.5-Δ,其中，Δ是一個(gè)接近0的很小的正數(shù)，然后計(jì)算Λ^*以及Pr^*的值；

3)初始化二分法的邊界，下限τ_L以及上界τ_U分別設(shè)置為0和1；然后計(jì)算給定值的目標(biāo)函數(shù)值Λ^*，Pr^*以及T^*，表示給定參數(shù)下目標(biāo)函數(shù)的值，設(shè)其中Rbest表示到目前為止可達(dá)到的總和速率的最大值；

4)檢查τ_L和τ_U之間的差異是否大于允許的錯(cuò)誤ε，即|τ_L-τ_U|ε

5)如果差值ε大，則計(jì)算T的期望解

6)當(dāng)T＝τ時(shí)，計(jì)算Λ^*以及Pr^*的值；

7)如果那么更新Rbest的值，即T^*＝τ,τ_L＝τ；否則上界τ_U＝τ；

8)重復(fù)步驟5-7，直到|τ_L-τ_U|ε；

D、將優(yōu)化后的Λ^*，Pr^*以及T^*帶入速率公式,得到優(yōu)化的可實(shí)現(xiàn)速率，將該速率帶入B中的優(yōu)化問題以得到優(yōu)化后的最大和速率。