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申请/专利权人：广东工业大学

摘要：本发明提出一种IRS辅助海洋非正交多址通信的稳健波束赋形方法，涉及无线通信的的阵列信号处理的技术领域，首先建立IRS辅助海洋和非正交多址接入通信系统，将智能反射面IRS与海洋通信系统、NOMA通信系统相结合，然后基站向第一海洋用户和第二海洋用户传输信息，接着在不同解码顺序下对信息进行解码，得到在第一海洋用户处和在第二海洋用户处的信息的信干噪比和通信速率，再以基站的最小化发射功率作为目标函数，在设定约束条件下进行稳健波束赋形设计，以此构建优化问题，最后求解得到基站最小化发射功率，符合未来绿色通信的通信愿景，在海洋的信道不确定下，结合NOMA通信技术，提高了海洋无线通信的通信性能。

主权项：1.一种IRS辅助海洋非正交多址通信的稳健波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立IRS辅助海洋的非正交多址通信系统，所述系统包括基站、IRS、第一海洋用户及第二海洋用户；在步骤S1中，所述基站配备有N根发射天线，其中N＞1，所述第一海洋用户和第二海洋用户均配备单根天线，所述IRS设有M个反射单元，并辅助第二海洋用户进行接收信号，设定IRS的反射相移矩阵的具体表达式为：φ＝diagΘ1其中，Θ＝[q1，q2，...，qM]H，XH表示矩阵X的共轭转置，βm表示第m个反射单元的反射幅度，βm∈[0，1]，θm表示第m个反射单元的反射相位，θm∈[0，2ππ，m∈{1，...，M}；S2.考虑IRS的辅助，基站采用波束赋形技术分别向第一海洋用户和第二海洋用户传输信号；在步骤S2中，定义基站到第一海洋用户之间的信道为基站到第二海洋用户之间的信道为基站到IRS之间的信道为IRS到第二海洋用户之间的信道为其中，表示x×y维复值矩阵的集合；基站传输的信号的表达式为：x＝w1s1+w2s22其中，w1和表示波束赋形向量，s1和s2分别表示传输给第一海洋用户和第二海洋用户的信息，不失一般性假设E[|s1|2]＝1，E[|s2|2]＝1；第一海洋用户接收到的信号的表达式为： 第二海洋用户接收到的信号的表达式为： 其中，n1、n2分别表示第k个海洋用户接收到的均值为0，方差为的加性高斯白噪声；在基站分别向第一海洋用户和第二海洋用户传输信号的信道中，存在信道误差，信道分别为基站到第一海洋用户的信道基站到第二海洋用户的信道基站到IRS的信道HBI，将信道信道和信道HBI建模为大尺度衰落和小尺度衰落的乘积，其中大尺度衰落采用两径模型，小尺度衰落采用莱斯衰落模型，所述基站到第一海洋用户的信道的计算表达式为： 基站到第二海洋用户的信道的计算表达式为： 基站到IRS的信道HBI的计算表达式为： 其中，dB_d1表示基站到第一海洋用户的距离，dB_d2表示基站到第二海洋用户的距离，dB_I表示基站到IRS的距离，PLdB_d1、PLdB_d2、PLdB_I分别表示基站到第一海洋用户，基站到第二海洋用户，基站到IRS的路径损耗，和HBI，L分别表示基站到第一海洋用户、基站到第二海洋用户、基站到IRS莱斯衰落中的直射分量；和HBI，N分别表示基站到第一海洋用户、基站到第二海洋用户、基站到IRS莱斯衰落中的非直射分量；Kd1、Kd2、KBI分别表示基站到第一海洋用户、第二海洋用户和IRS莱斯衰落中的莱斯因子；基站到第一海洋用户莱斯衰落中的直射分量的具体表达式为： 基站到第二海洋用户莱斯衰落中的直射分量具体表达式为： 基站到IRS莱斯衰落中的直射分量HBI，L的具体表达式为： αM的计算表达式为： αx的计算表达式为： αz的计算表达式为： αN的计算表达式为： 其中，和分别表示基站到第一海洋用户、基站到第二海洋用户和基站到IRS离开角中的实际方位角，θd1、θd2和θBID分别表示基站到第一海洋用户、基站到第二海洋用户和基站到IRS离开角中的实际仰角，表示IRS到达角中的实际方位角，θBI表示IRS到达角中的实际仰角，表示克罗内克积运算；bB表示相邻基站天线的距离，bI表示IRS相邻反射单元的距离；IRS的反射单元是均匀矩阵阵列，反射单元数M＝Mx×Mz，其中Mx，Mz分别表示IRS沿x轴z轴的反射单元数；对和HBI，L均采用一阶泰勒展开进行近似，分别得到和HBI，L对应信道误差的错误范围；S3.按照不同解码顺序，对第一海洋用户和第二海洋用户接收到的信号进行解码，分别得到在第一海洋用户处和在第二海洋用户处的信息的信干噪比；在步骤S3中，所述解码顺序包括第一解码顺序和第二解码顺序，所述第一解码顺序为：首先解码第二海洋用户的信息，再解码第一海洋用户的信息；所述第二解码顺序为：首先解码第一海洋用户的信息，再解码第二海洋用户的信息；在第一解码顺序下，第二海洋用户解码自己信息时的信干噪比的表达式为： 第一海洋用户解码第二海洋用户的信息的信干噪比的计算表达式为： 第一海洋用户解码自身信息时的信干噪比的计算表达式为： 其中，|a|表示对a进行取模运算；在第二解码顺序下，第二海洋用户解码自身信息的信干噪比的计算表达式为： 第二海洋用户解码第一海洋用户的信息的信干噪比的计算表达式为： 第一海洋用户解码自身信息的信干噪比的计算表达式为： S4.基于不同解码顺序下得到的第一海洋用户和第二海洋用户处的信息的信干噪比，分别计算第一海洋用户和第二海洋用户的通信速率；在步骤S4中，在第一解码顺序下，第二海洋用户解码自己信息的信干噪比时，对应的通信速率的计算表达式为：R2，2＝log21+SINR2→221第一海洋用户解码第二海洋用户的信息的信干噪比时，对应的通信速率的表达式为：R1，2＝log21+SINR1→222第一海洋用户解码自身信息的信干噪比时，对应的通信速率的表达式为：R1，1＝log21+SINR1→123第一海洋用户的通信速率的表达式为：R1＝R1，124第二海洋用户的通信速率的表达式为：R2＝min{R1，2，R2，2}25在第二解码顺序下，第二海洋用户解码自身信息的信干噪比时，对应的通信速率的表达式为：R′2，2＝log21+SINR′2→226第二海洋用户解码第一海洋用户的信息的信干噪比时，对应的通信速率的计算表达式为：R2，1＝log21+SINR2→127第一海洋用户解码自身信息的信干噪比时，对应的通信速率的计算表达式为：R′1，1＝log21+SINR′1→128第二海洋用户的通信速率的计算表达式为：R2＝R′2，229第一海洋用户的通信速率的计算表达式为：R1＝min{R′1，1，R2，1}30S5.考虑基站分别向第一海洋用户和第二海洋用户传输信号的信道的误差，以基站最小化发射功率为目标函数，以第一海洋用户的最差通信速率、第二海洋用户的最差通信速率和IRS单位模的约束为约束条件，分别在不同解码顺序下构建优化问题，对所述优化问题进行优化求解，得到基站的最小化发射功率的最优解；在步骤S5中，所述目标函数在第一解码顺序下的表达式为： 在第一解码顺序下，以第一海洋用户的最差通信速率的约束为约束条件的表达式为： 在第一解码顺序下，以第二海洋用户的最差通信速率的约束为约束条件的表达式为： 其中，γ1和γ2为设定的阈值；在第一解码顺序下，以IRS单位模的约束为约束条件的表达式为： 其中，|Θi，i|表示对Θi，i进行求模运算；所述目标函数在第二解码顺序下的表达式为： 在第二解码顺序下，以第二海洋用户的最差通信速率的约束为约束条件的表达式为： 在第二解码顺序下，以第一海洋用户的最差通信速率的约束为约束条件的表达式为： 在第二解码顺序下，以IRS单位模的约束为约束条件的表达式为：

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