[发明专利]一种基于STAR-RIS辅助的共生无线电传输方法

权利要求书

1.一种基于STAR-RIS辅助的共生无线电传输方法，其特征在于，目标区域中存在共生无线电传输系统，包括基站、次用户SU、至少一个主用户PU，在次用户SU和主用户PU之间设置STAR-RIS，所述STAR-RIS为同时传输和反射可重构智能反射面，STAR-RIS具有若干个元件，每个元件包括反射元件和传输元件，STAR-RIS将目标区域划分为R区和T区，所述R区为反射区，T区为传输区，基站和各主用户PU位于STAR-RIS的R区，次用户SU位于STAR-RIS的T区，执行如下步骤S1-步骤S3，获得最小化的基站发射功率，完成无线电传输：

步骤S1：获取从基站到各主用户PU的信道数据、从基站到次用户SU的信道数据、从基站到STAR-RIS的信道数据、从STAR-RIS到各主用户PU的信道数据、从STAR-RIS到次用户SU的信道数据、基站波束成形向量、STAR-RIS反射和传输系数矩阵；

步骤S2：基于步骤S1所获得的各信道数据、基站波束成形向量、STAR-RIS反射和传输系数矩阵，构建基站发射功率函数；

步骤S2的具体方法如下：

计算共生无线电传输系统中第k个主用户PU的传输速率如下式：

式中，和为第k个主用户PU处的信干噪比，R_k为第k个主用户PU的传输速率，Θ_r为STAR-RIS的反射系数矩阵，为主用户PU集合，K为主用户PU总数，w_k为第k个主用户PU的波束成形向量，w_i为第i个主用户PU的波束成形向量，为第k个主用户PU处的噪声功率；h_k为从基站到第k个主用户PU的信道数据，g_k为从STAR-RIS到第k个主用户PU的信道数据，h_i为从基站到第i个主用户PU的信道数据，g_i为从STAR-RIS到第i个主用户PU的信道数据，上标H为埃尔米特共轭，F为从基站到STAR-RIS的信道数据；

计算共生无线电传输系统中在次用户SU处译码第k个主用户PU的传输速率如下式：

式中，和分别表示在次用户SU处译码第k个主用户PU信号时次用户SU符号为+1和-1时的信干噪比，R_s,k为在次用户SU处译码第k个主用户PU的传输速率，R_s，K为在次用户SU处译码第K个主用户PU的传输速率，Θ_t为STAR-RIS的传输系数矩阵，为次用户SU处的噪声功率；h_s为从基站到次用户SU的信道数据，g_s为从STAR-RIS到次用户SU的信道数据；和分别表示次用户SU符号为+1和-1时的平均信干噪比；

计算共生无线电传输系统中在次用户SU处译码次信号的信噪比如下式：

式中，γ_c为在次用户SU处译码次信号的信噪比，L表示次用户SU符号周期是主用户PU符号周期的倍数；

步骤S3：基于基站发射功率函数，构建基站发射功率最小化问题，并计算使基站发射功率最小的基站波束成形向量、STAR-RIS反射和传输系数矩阵；

步骤S3所构建的基站发射功率最小化问题P1如下式：

C3：γ_c≥γ_min

式中，为STAR-RIS的元件集合，为STAR-RIS第m个元件的反射系数幅度，为STAR-RIS第m个元件的反射系数相位，为STAR-RIS第m个元件的传输系数幅度，为STAR-RIS第m个元件的传输系数相位，R_min表示主用户PU正常工作所需要的译码主用户信号最低可达速率，γ_min表示次用户SU正常工作所需要的译码次用户信号最低信噪比，||w_k||表示w_k的欧几里得范数；

对基站发射功率最小化问题P1进行求解，具体步骤如下：

步骤S31：给定Θ_r和Θ_t，通过半正定松弛方法和连续凸逼近方法求解基站发射功率最小化问题P1，获得w_k的次优解给定的Θ_r和Θ_t具体如下式：

式中，v_r为反射系数向量，v_r中的表示STAR-RIS的各元件的反射系数，v_t为传输系数向量，v_t中的表示各元件的传输系数，为第m个STAR-RIS元件反射系数幅度，为第m个STAR-RIS元件传输系数幅度，为第m个STAR-RIS元件反射系数的相位，为第m个STAR-RIS元件传输系数的相位，1≤m≤M，函数diag()表示向量的对角矩阵，e表示自然常数，上标j表示虚数单位；

步骤S32：根据所得到的w_k的次优解引入辅助变量λ_r、λ_t和ρ，给定各辅助变量，通过惩罚对偶分解法求解Θ_r和Θ_t，分别得到Θ_r和Θ_t的次优解和

步骤S33：根据所得到的Θ_r和Θ_t的次优解和求解和得到和的最优解和

步骤S34：根据所得到的和以及和更新λ_r、λ_t和ρ；

步骤S35：重复步骤S31-步骤S34，直至收敛，所获得的解为基站发射功率最小化问题P1的次优解次优解中的Θ_t即为步骤S₃所述的使基站发射功率最小的基站波束成形向量、STAR-RIS反射和传输系数矩阵。