一种基于RSMA的无蜂窝毫米波系统无线资源分配方法

本发明属于无线通信，具体涉及一种基于rsma的无蜂窝毫米波系统无线资源分配方法。

背景技术：

1、近年来，毫米波(millimeter wave，mmwave)，大规模多输入多输出(massivemultiple-input multiple-output，mmimo)等关键技术被提出以支持6g网络不断增长的数据流量和连接需求。然而基于mmwave的高频通信会带来巨大的路径损耗，且多天线的使用需要同等数量的rf链，这会导致巨大的成本和硬件功耗。因此，频谱效率(spectralefficiency,se)和能量效率(energy efficiency，ee)成为设计6g无线通信系统时需考虑的两个重要指标。

2、无蜂窝网络架构通过在区域内布置多个接入点来提高宏观多样性，从而提升系统谱效和能效。此外，混和波束成形通过将全数字波束成形分解为高维模拟波束成形和低维数字波束成形来减少rf链的数量，从而提升系统能效。速率分割多址(rate-splittingmultiple access，rsma)通过将部分干扰解码，将剩余部分干扰当作噪声，实现了干扰的灵活处理，且被证明在多数网络架构下优于空分多址(space-division multiple access，sdma)。因此本发明考虑将无蜂窝架构、混和波束成形以及rsma相结合以提升系统谱效和能效。

3、之前基于rsma的无蜂窝系统研究中，均假设所有接入点对公共信息进行编码和发送。然而由于混合波束成形架构中rf链数量有限且通常小于用户数，因此上述假设会导致每个接入点均需要占用一个宝贵的rf链以提供公共信息服务，从而使得私有信息服务质量受到影响。综上所述，在无蜂窝混和波束成形架构中，采用速率分割的多址方式需要进行合理的接入点-服务关联设计，从而权衡公共信息服务和私有信息服务，实现系统性能的最大化。

技术实现思路

1、技术问题

2、为了实现无蜂窝网络架构、混和波束成形以及rsma的有益结合，实现接入点与服务的灵活关联，从而最终实现系统谱效和能效的提升，本发明提供了一种基于rsma的无蜂窝毫米波系统无线资源分配方法。

3、技术方案

4、为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种基于rsma的无蜂窝毫米波系统无线资源分配方法，包括以下步骤：

6、s1：建立基于rsma的无蜂窝毫米波系统通信模型，具体为：

7、配置包含m个接入点和k个用户的无蜂窝毫米波系统，每个接入点配备nt根天线和nrf根rf链，用户设备为单天线，假设nrf≤k≤mnrf。其中，接入点集合表示为用户集合表示为假设信道状态信息已根据信道估计获得并通过中央单元控制在不同接入点之间共享。接入点m与用户k之间的信道建模为：

8、

9、其中，l为独立同分布路径数量，为第l路径的复增益，为nt×1导向矢量，其第n个元素表示为其中，d≤λ/2为接入点处的天线间隔，λ为载波波长，为随机发射角；

10、本发明考虑单层rsma下行通信，每个用户的信息被分为公共信息和私有信息两部分。所有用户的公共信息被组合在一起编码为一个公共数据流其中，每个用户的私有信息被分别独立编码为一个私有数据流其中，

11、在混合预编码架构中，来自接入点m的用户k的数据流首先通过数字波束成形向量进行数字预编码，之后再通过模拟波束成形矩阵进行模拟预编码。由于每个接入点所能发送的数据流数量受到rf链数量的限制且nrf≤k，因此一个接入点无法在提供公共信息服务的同时为所有用户提供私有信息服务。因此，本发明引入二进制变量来表示接入点-服务关联。表示接入点m提供相应信息服务，反之亦然，其中，表示相应私有信息服务，x＝c表示公共信息服务。综上所述，接入点m的发送信号可以表示为：

12、

13、其中，为接入点m分配给相应服务的功率。

14、用户k的接收信号可以进而表示为：

15、

16、其中，为加性高斯白噪声，为噪声方差。

17、用户k首先将私有信息当做噪声来解码公共信息数据流，该操作的信干噪比可以表示为：

18、

19、在解码公共信息数据流并通过连续干扰消除将其移除后，用户k将其余私有信息当做噪声来解码其私有信息数据流，该操作的信干噪比可以表示为：

20、

21、用户k的公共信息的频谱效率和私有信息的频谱效率可以分别通过sec,k＝log2(1+γc,k)和sep,k＝log2(1+γp,k)计算得到。由于公共信息数据流需要以所有用户均可解码的速率进行传输，因此公共信息的频谱效率可以表示为：

22、sec＝minksec,k＝c1+c2+…+ck, (6)

23、其中ck为分配给用户k的公共信息频谱效率。综上所述，用户k的和频谱效率可以表示为：

24、sek＝ck+sep,k。 (7)

25、s2：建立基于rsma的无蜂窝毫米波系统功耗模型，具体为：

26、为了充分表征无蜂窝毫米波系统的功耗，需要同时考虑发射功耗和硬件功耗，表示为：

27、

28、其中，∈m为功率放大器效率，pfix、phb、ptx,m和pbh,m分别表示接入点的固定功耗，混合预编码架构功耗，每个接入点的发送功耗和每个接入点的回程链路功耗。具体来说，每个接入点的发送功耗可以表示为：

29、

30、回程链路功耗可以建模为：

31、

32、其中，为回程链路最大功耗，cbh,m为回程链路容量。本发明仅考虑中央处理器与接入点之间的数据交换，回程链路速率rbh,m可以表示为：

33、

34、其中，b为系统带宽。

35、s3：基于信道强度进行接入点-用户关联，然后基于码书进行模拟波束成形设计，具体为：

36、本方法提出为每个接入点选择nrf个用户进行初步关联，用以进行模拟波束成形设计，初步关联的用户集表示为其中由于每个接入点至多传输nrf条数据流，每条数据流对应一个服务，因此在后续接入点-服务关联设计中，为降低复杂度，本发明仅考虑从所关联用户的私有信息服务和公共信息服务中进行选择。

37、对于模拟波束成形，考虑有限分辨率相移器和相移器恒模约束，模拟波束成形向量通过从码书集合进行选择设计。

38、本方法考虑基于信道强度进行接入点-用户关联，并基于关联结果进行模拟波束成形设计，所提出的接入点-用户关联和模拟波束成形设计算法具体为：

39、1)对每个接入点m，基于选择用户k使得重复此操作直至

40、2)对于每个接入点m，第n个模拟波束成形向量被选择以最大化用户的天线阵列增益，即其中，

41、总之，每个接入点基于信道增益选择用户组成被设置为0，将在后续进行优化，之后从码书中选择模拟波束成形向量来最大化候选用户的天线阵列增益。

42、s4：分别为私有信息和公共信息进行数字波束成形设计，具体为：

43、为减小计算复杂度，根据最大比传输原理，私有信息数据流的数字波束成形向量为dk,m＝hk,m/||hk,m||2；

44、对于公共信息，本方法启发式地将数字波束成形向量设计问题建模为：

45、

46、通过引入辅助变量t以及使用一阶泰勒展开，得到凸问题：

47、

48、其中，

49、通过迭代求解至收敛可求得公共信息数据流的数字波束成形向量。

50、s5：基于混和波束成形设计，联合优化功率分配和接入点-服务关联以最大化系统谱效和能效，具体为：

51、引入常数η∈{0,1}进行目标函数的选择，从而将功率分配与接入点-服务关联的联合优化问题建模为：

52、

53、其中，能效ee表示为约束c1为每个ap的功耗约束，c2为每个用户的服务质量约束，c3为有限rf链带来的约束；

54、由于当且仅当相应功率分配非零时，接入点m提供相应服务，即μx,m＝1，因此，对于同时包含ρx,m和μx,m的部分，μx,m可以被1代替；而当μx,m单独出现时，其可以表示为ρx,m的函数：

55、

56、本发明通过一范数对零范数近似得到

57、

58、其中，αx,m通过迭代更新，τ＞0为固定变量用以提供稳定性；

59、为解决目标函数的非凸性，首先引入辅助变量φ和ωk,从而将目标函数转化为：

60、

61、此操作引入了附加约束：

62、

63、c8:η+(1-η)/ptot≥1/φ； (19)

64、此外，约束c2可以转化为：

65、

66、利用dinkelbach方法将分式结构的目标函数转化为一系列减法结构的子问题，其中，第κ次迭代中的目标函数可以表示为：

67、

68、其中，ζ(κ)可以通过进行更新；

69、对于非凸约束c4和c7，本方法引入辅助变量和将其分别分解为两个约束：

70、

71、

72、

73、

74、根据不等式ln(x)≥1-1/x，可以得到(22)和(24)左侧的凸下界，表示为：

75、

76、

77、接着通过对(23)和(25)左侧进行一阶泰勒展开得到：

78、

79、

80、其中，ρx＝[ρx,1,…,ρx,m]t，

81、

82、

83、最终，通过引入辅助变量约束c8可以分解为：

84、

85、

86、其中，p′tot中的r′bh可以表示为：

87、

88、通过引入辅助变量ξ，约束(31)可以分解为：

89、

90、

91、根据不等式x2≥2x(κ)x-(x(κ))2，(33)可以被迭代近似为：

92、

93、最终，问题可以转化为可迭代求解的凸问题：

94、

95、有益效果

96、本发明公开了一种基于rsma的无蜂窝毫米波系统无线资源分配方法，通过将无蜂窝架构、混合波束成形以及rsma相结合以提升系统谱效和能效。本发明考虑了单层rsma结构，首先分别对模拟预编码器和数字预编码器进行了启发式设计，之后联合优化了功率分配以及接入点-服务关联。相较于sdma以及传统的rsma方法(即假定所有接入点均提供公共信息服务)，本发明能够在不同的网络拓扑下实现系统谱效和能效的提升。