一种面向光纤太赫兹通信网络的非正交多址接入方法

本发明属于接入通信，更为具体地讲，涉及一种光纤太赫兹通信系统的非正交多址接入(noma)方法。

背景技术：

1、太赫兹频段凭借丰富的频率资源优势，具备超高速率传输能力，是未来6g通信的重要备选技术。与毫米波信号相比，太赫兹信号载频更高，面临严重的路径损耗，制约着太赫兹通信系统的传输距离。同时，太赫兹信号波长的减小可以将大量的天线元件封装到较小的尺寸中，这使得超大规模天线阵成为了可能。大规模mimo技术通过调整天线阵列的相位，形成指向接收机方向的电磁波的叠加，提高接收机处的信号强度，也支持对多个数据流进行预编码，提高了系统的频谱效率。

2、在传统的预编码方案下，模拟波束成形生成与路径物理方向一致的定向波束，这样的模拟波束成形适用于窄带系统，因为窄带系统中所有子载波都可以近似看作中心频率。然而对于宽带太赫兹大规模mimo系统，由于移相器是频率无关的，不同载频的子载波分裂成完全分离的物理方向，这种效应被称为波束分裂效应。

3、随着通信接入设备爆炸式增长和虚拟/增强现实、万物互联等多种应用场景的出现，6g通信网络面临异构数据流量、海量连接、超高带宽效率和超低延时等前所未有的挑战。根据是否为每个用户分配正交资源，目前的多址技术大致可以分为两类，即正交多址接入(oma)和非正交多址接入。由于传统的oma系统中，单个资源块仅为一个用户服务，频谱效率低，为了打破这一限制，需要将noma引入到太赫兹通信系统中。与oma不同，noma的关键思想是允许不同用户共享相同的资源块。这种方式虽然增加了发送端和接收端的复杂性来消除非正交资源分配所引起的干扰，但可以获得显著的效益，例如支持大规模连接，实现高频谱效率和高能量效率保证用户公平性。

4、传统的noma系统对于同一分组内的用户考虑的均为单波束传输，只有位于同一模拟波束内的用户才能配对进行noma传输，当用户之间角度差异较大时，性能增益会显著降低。文献“performance analysis of opportunistic beam splitting noma inmillimeter wave networks,in ieee transactions on vehicular technology,vol.71,no.3,pp.3030-3043”提出当分组用户角度差异较大时，将发射天线分成两部分，分别形成指向两个用户的波束做非正交多址传输。公开号为cn115278848a、申请名称为“一种基于noma的联合预编码和功率分配方法”的专利申请公开了一种非正交多址接入场景下的联合预编码和功率分配方法，以最大化各用户可达速率为目标，将联合优化问题分解成两个子问题，通过迭代求解全局最优解。但以上方案考虑的均是窄带毫米波系统，没有考虑到宽带太赫兹系统的波束分裂效应，无法应用于光纤太赫兹系统。文献“design of thz-nomainthe presence of beam misalignment,in ieee communications letters,vol.26,no.7,pp.1678-1682”提出大规模mimo应用使波束宽度非常窄，波束未对准的用户有效信道非常弱，允许该用户单独占用资源块的频谱效率很低，因此提出允许其他次要用户与该用户共享频谱以提高频谱效率。这种方案虽然通过接入额外的用户来提升系统频谱效率，但无法保证主用户的传输速率，影响系统的公平性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种面向光纤太赫兹通信网络的非正交多址接入方法，通过控制单射频链分裂的波束指向不同用户，多个用户可以在同一时间访问相同的资源块，以实现noma传输的用户功率分配优化，提升系统的频谱效率。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种面向光纤太赫兹通信网络的非正交多址接入方法，在包括多个单天线用户的noma传输系统中，基站采用各向同性辐射天线阵元构成的均匀nt元直线阵，且各天线阵元间距d为中心载频的半波长；

4、基站的预编码网络包含模拟预编码网络和光真时延补偿网络，其中模拟预编码网络用于形成频率无关的相位补偿，光真时延补偿网络用于形成频率相关的相位补偿，该预编码网络基于频率无关的相位补偿和频率相关的相位补偿共同形成指向用户的波束；即在基站的射频链和移相器之间增设光真时延补偿网络；

5、基于所有用户的接收信号构建用户的和速率优化问题；

6、基于用户的和速率优化问题的求解结果获取面向光纤太赫兹系统的非正交多址方案中用户功率分配方案；

7、光真时延补偿网络基于频率相关的相移，控制单射频链分裂的波束指向不同的用户方向，即控制分裂波束的指向目标用户，使多个用户在同一时间访问相同的资源块，该光真时延补偿网络包括：光频梳产生器、光交叉连接网络、电光调制器和光真时延单元，其中，光频梳产生器产生均匀光载波并输入光交叉连接网络，光交叉网络通过解复用器将均匀光载波分离为多个不同波长的光载波，再通过特定的波长间隔从分离出的光载波中组合成一个包含nt个波长的光载波模式组，不同光载波模式组选取的波长间隔不同；通过电光调制器将射频链上的信号调制到光交叉连接网络选出某一光载波模式组中的光载波上，通过色散介质后得到调制到光载波上的太赫兹信号并输入光真时延单元；其中，不同波长光载波通过色散介质产生的时延差为δτ＝dlδλ，δτ表示模式组特定的波长间隔，d表示色散介质的色散系数，l表示色散介质的长度；光真时延补偿网络的每一个光载波模式组对应一种补偿模式，光真时延补偿网络通过选择不同的补偿模式可以实现不同的时延，在载频为fm的子载波下产生的相位补偿表示为然后通过频率无关的移相器连接到基站的每根天线上；从而通过这种方式将传统的通过移相器实现的频率无关移的波束成形转化为通过光真时延补偿网络补偿的频率相关的波束成形；

8、光真时延单元包含解复用器，光多路复用器和光电探测器，调制到光载波上的太赫兹信号输入到光真时延单元后，通过解复用器将不同的波长分配给不同的光多路复用器和光电探测器，即光真时延补偿网络中通过选择不同的补偿模式可以实现不同的时延。

9、进一步的，光真时延补偿网络产生的波束补偿矩阵为：

10、

11、其中，φm表示第m个子载波的波束补偿矩阵，s表示模式数，ζm,i表示第m个子载波处的第i个波束补偿模式，基于所选出的补偿模式组确定；

12、其中，补偿模式通过在光真时延补偿网络中选择最接近需要补偿相位的波束补偿模式即可针对不同频率同时实现所需不同的相位补偿，第m个子载波处的相移τn表示光真时延单元产生的第n个时延，n＝1,2,…,nt。

13、进一步的，本发明还包括：

14、设置基站的模拟预编码向量为其中，k＝2π/f，f表示子载波频率，θ表示用户所在的方位角度，δ表示相邻阵元间的弧度，e表示自然底数，j表示虚数单位；模拟预编码向量frf中的各元素表示基站的每个移相器为每根天线补偿的相位差；

15、基于选择出的使得最小的波束补偿模式ζm,i确定时延单元产生的各用户的频率相关的预编码，记为其中用户编号k＝1,2,…,k，k表示用户数；

16、在光真时延补偿网络中选择使得最小的波束补偿模式ζm,i

17、构建用户的和速率优化问题为：

18、

19、

20、rk≥γk

21、

22、rk＝log2(1+sinrk)

23、其中，rk、pk、γk、hk、snrk分别表示用户k的传输速率、分配功率、传输速率阈值(该用户的传输速率不能低于该阈值)、无线信道向量和信噪比，此处默认k个用户信道增益降序排列，即|h1|＞|h2|＞…＞|hk|，分别表示时延单元产生的用户u的频率相关的预编码，p0表示系统总功率，σ2表示系统中的加性高斯白噪声。

24、进一步的，对用户的和速率优化问题的求解具体为：

25、选取一个可行的解p0作为初始固定点，将在p0处做一阶泰勒展开，获得用户的部分目标函数的部分线性化函数；

26、基于用户的目标函数的部分线性化函数得到目标函数的近似凹下界；

27、基于凸优化求解器对最大化目标函数求解，得到固定点为p0时的最优解；

28、再以当前得到的最优解为当前固定点进行一阶泰勒展开，继续获取当前固定点时的最优解，进有限次迭代求解后，得到用户的和速率优化问题的最终求解结果。

29、本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：

30、(1)本发明中实现波束控制的光真时延补偿网络可以灵活接入现有的混合预编码结构；

31、(2)通过选择合适的时延补偿模式，为子载波提供频率相关的相移，可以灵活控制分裂波束的物理方向；

32、(3)针对太赫兹通信系统波束宽度窄，无法覆盖多用户的问题，利用太赫兹信号波束分裂的特性，使分裂波束指向多个目标用户，实现非正交多址接入向光纤太赫兹通信网络的演进。