可重构智能表面辅助的上行NOMA系统传输方案研究.pdf

摘要

按照移动通信“使用一代、研究一代”的发展规律，世界各国先后启动了B5G（Beyond

5thGenerationMobileCommunicationTechnology）/6G（6thGenerationMobileCommunication

Technology）研究。为保持我国在6G的领先地位，2019年11月科技部会同多部门联合启动

了中国6G研发专项。目前，国内外众多研究机构将可重构智能表面（ReconfigureIntelligent

Surface，RIS）视为6G的潜在关键技术之一；此外，由于无线资源的有限性，传统正交多址

接入（OrthogonalMultipleAccess，OMA）很难满足未来巨流量、巨连接应用需求。非正交多

址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）技术可支持的并发连接数不受资源块数目

限制，因而得到了学术界与工业界的广泛关注。将RIS与NOMA深度融合是满足未来巨流量、

巨连接应用需求的有效技术手段。本文针对现有研究方法在功率效率方面的不足，在满足用

户差异化服务质量的前提下，设计出完整的可重构智能表面辅助NOMA系统上行低功耗传输

方案，可以大幅节省未来通信系统的能耗，为信息产业实现“碳中和、碳达峰”的目标提供

技术支持。

首先，针对RIS辅助的上行NOMA系统，在满足每个用户的用户服务质量（Qualityof

Service，QoS）的前提下，提出一个最小化系统的总发射功率的问题。利用反证法推导出用

户的最优发射功率与RIS的相移矩阵变量之间的关系，从而将原始优化问题转化为一个纯相

移优化问题；针对转化后的问题，采用两种相移设计算法（半正定松弛法和块坐标下降法）

设计相移，最终得到原始问题的最优解。仿真结果展示了系统的总发射功率与用户服务质量、

RIS的可重构单元数目、用户数量之间的关系，表明提出的方案在总发射功率消耗方面具有

一定的优越性。

其次，针对协作RIS辅助的上行NOMA系统，在满足每个用户QoS的前提下，提出一

个最小化系统总发射功率的问题。根据基站（BaseStation，BS）和两个RIS的部署位置，将

小区覆盖范围内的所有用户分为两个用户群体，同时考虑经由两个RIS协作辅助的双反射链

路。为了求解该非凸耦合优化问题，首先推导出两个用户群体中的用户发射功率与两个RIS

的相移变量之间的关系，之后固定一个RIS的相移，优化另一个RIS的相移，并采用交替优

化思想得到最优解。仿真结果证明了所提算法的收敛性，分析了系统总发射功率与用户QoS

和RIS的可重构智能单元之间的关系；在固定两个RIS的总可重构单元的前提下，通过分配

单元数目使得系统总功耗最低。

最后，针对STAR-RIS（SimultaneouslyTransmittingandReflecting-RIS）辅助的上行NOMA

系统，在满足每个用户QoS的前提下，建立了一个最小化系统总发射功率的问题。根据

STAR-RIS和BS的部署位置，将BS覆盖范围的用户分为三类，并进一步根据约束条件和优

化变量之间的关系，将原始优化问题分为三个子问题，采用交替优化的思想对三个问题各自

独立优化后使系统总发射功率不断降低，直到达到收敛。仿真结果表明本文提出算法具有一

定的收敛性，展示了系统的总发射功率与用户的QoS和STAR-RIS的可重构单元数目之间的

关系，并且与只有反射信号功能的RIS相比，STAR-RIS辅助的NOMA系统能够带来更好的

性能增益。

关键词:可重构智能表面，非正交多址接入，系统总发射功率，交替优化，块坐标下降

法，半正定松弛法

Abstract

Accordingtothedevelopmentlawofexploitingonegenerationandexploringonegeneration

formobilecommunications,theresearchonB5G/6Ghasbeenrolledoutallovertheworld.