基于非正交多址的智能超表面辅助水声数据传输方法

本发明涉及水下通信，尤其是涉及适用于海洋水声信道存在障碍物阻挡的基于智能超表面（reconfigurable intelligent surface，简称ris）极板中继通信架构的基于非正交多址（non-orthgonal multiple access，简称noma）的智能超表面辅助水声数据传输方法。

背景技术：

1、随着社会经济的发展，人类愈发重视对海洋的开发。在捕捞渔业、海洋运输业、海洋军事战略等发展过程中，水下通信技术愈发凸显其重要性。由于电磁波在水下的衰减速度快，水声通信成为水下通信的重要方式。水下地形环境往往是复杂起伏的，如海山阻挡，在水声数据传输过程中，直线信道时常会受到障碍物阻挡，造成信号的大幅衰减。如何在直接信道被阻挡的非典型水声通信模型下通信，是一个重要研究方向。

2、智能超表面（reconfigurable intelligent surface，简称ris）技术具有调控无线信道的能力，为通信系统的设计提供一种新范式，是未来6g中颇有前景的关键技术之一。ris极板具有良好的信号中继能力，即能在直接信道受阻的场景下，通过对反射信号的相位调节形成定向反射路径，有效解决直接信道受阻问题。近年来，ris被广泛研究运用在电磁波陆地环境中，在电磁波通信中具有优良的中继能力，且其部署方便、成本经济、功耗节能，具有很好的应用前景。目前，国内外对ris的研究应用已经有较大进展，现有技术提出一个具有m个ris单元的可重构智能表面的用户分配问题，通过构造每个用户在每个ris单元上基于基站发射功率的代价矩阵，利用库恩-曼克尔斯算法找到最优匹配，主要研究多个ris极板对于多用户的分配问题；现有技术对于ris极板的波束赋形和定向信号增强能力提出详细数学推导和证明。

3、ris极板不仅可以在陆地电磁波通信场景中使用，还可以在水下声信号通信场景中使用。现有技术提出一种基于压电声反射换能器的水下ris结构，使其可以进行声信号的反射和调相。现有技术提出一种基于压电阵列的ris硬件设计，实现对水声信号的控制，建立一个严格的等效电路模型来表征反射元件，引入有源ris元件来放大反射波。通过解决阵列色散和单元色散两种色散效应，设计声学ris的超宽带波束形成技术，提出一种切实可行的波束斜视缓解方案和一种轻量级、鲁棒性强的声学ris操作方案。以上证实使用ris极板作为中继水声信号在硬件层面的可行性。现有技术利用自主水下航行器搭载ris系统进行能量空洞的水声数据中继工作，其中ris系统针对不同信息重要度数据及目的节点位置进行ris分块设计与波束赋形矩阵，向不同用户创建特定ris声反射路径，实现同时向不同用户进行水声数据传输的过程，降低总体ris波束赋形计算复杂度，旨在解决能量空洞位置的数据中继问题。以上研究表明，水下ris具有极大的应用可能。

4、非正交多址（non-orthgonal multiple access，简称noma）通过将多目标信号在功率域叠加和串行干扰消除技术，实现多目标信息的同时传输。对于noma算法的应用也已有了不少研究成果。现有技术在面对基于noma的无线携能终端直通（device to device，简称d2d）网络鲁棒能效资源分配问题，提出串行干扰消除约束、最大发射功率约束、用户服务质量约束和资源块分配约束，建立基于随机信道不确定性的鲁棒能效最大资源分配模型。现有技术在异构云无线接入网下行传输场景下，提出以队列稳定和前传信道为约束，联合优化用户关联、资源块分配和功率分配，构建用户公平和网络能效的随机优化问题，以上主要讨论基于noma算法网络的鲁棒性和网络能效问题。将ris极板与noma进行结合，赋予ris极板同时对多下行信道目标传输的能力，提高ris极板的中继工作效率。现有技术提出一个多用户智能超表面技术-非正交多址网络，为提高可达速率，提出了联合用户关联、下行信道分配、功率分配、相移设计和译码顺序优化问题。但该方法是基于陆地电磁波通信的应用，未涉及水声信号通信的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决海洋水声信道存在障碍物阻挡场景下，如何实现可靠、高效水声数据传输等问题，提供一种基于非正交多址的智能超表面辅助水声数据传输方法。一个水声信号发射器通过ris极板与多个不同距离、不同方位的目标节点进行通信，ris极板针对各个目标节点的距离和方位进行ris单元分块和波束赋形。对不同接收端设定ris反射路径，采用noma技术对各个水声信号接收器的下行信号进行功率域叠加，通过ris极板进行定向发送，实现多目标同时通信，完成对水声信号发生器总功率的分配和充分利用。

2、本发明包括以下步骤：

3、1）考虑由单个水声信号发射器、ris极板浮标和n个水声信号接收器组成的存在海山阻挡直接信道的水声通信场景；针对直接信道受海山阻挡问题，在海山上方部署搭载ris极板浮标进行辅助通信；其中，ris极板浮标搭载了ris极板，ris极板由若干个ris单元组成；

4、ris极板与n个水声信号接收器建立通信信道，n为大于等于1的任意整数；水声信号发射器向ris极板浮标发射声信号，设ris极板从水声信号发射器处接收的信号信噪比为，单位为db；设定噪声功率为1瓦，则接收的信号功率为，单位为瓦；设ris极板在收发过程中无功率损耗，则从ris极板发射给n个水声信号接收器的功率总和亦为ps；ris极板与第i个水声信号接收器之间的信道，称为第i个信道，i=1,2,3,...,n，设在第i个信道上分配的功率为pi，满足；由于ris极板与n个水声信号接收器的距离不同，所以各信道所分配的功率各不相同；

5、2）将ris极板浮标放置于障碍物a的正上方水面；由于直接信道在障碍物a处遭到阻挡，水声信号发射器将信号发射至ris极板浮标，进而将信号传输给n个水声信号接收器，该过程称为下行数据传输，相应的ris极板与各水声信号接收器之间的信道称为下行信道；设第i个水声信号接收器的噪声功率分别为pwi（i=1,2,...,n）；

6、3）设置蒙特卡洛法仿真次数为sim，计算n个水声信号接收器的中断概率，并确定不同水声信号接收器的功率分配系数：

7、3.1）通过randn（sim）函数取sim个服从标准正态分布的随机数，形成1×sim规模的矩阵，用于模拟sim次从ris极板到n个水声信号接收器下行数据传输的事件；

8、3.2）针对第i个水声信号接收器ui（i=1,2,...,n），ris极板与水声信号接收器ui之间的信道增益矩阵可表示为：

9、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>h</mi><msub><mrow /><mrow><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>s</mi><mi>,</mi><mi>u</mi><msub><mrow /><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mi>=</mi><mrow><mo>|</mo><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msqrt><mfrac><mrow><mi>l</mi><mi>×</mi><mi>（</mi><mi>d</mi><msub><mrow /><mrow><mi>s</mi><mi>,</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mi>+</mi><mi>d</mi><msub><mrow /><mrow><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>s</mi><mi>,</mi><mi>u</mi><msub><mrow /><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mi>）</mi><msup><mrow /><mrow><mi>-</mi><mi>3</mi></mrow></msup></mrow><mi>2</mi></mfrac></msqrt><mi>×</mi><mi>(</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>d</mi><mi>n</mi><mi>(</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>m</mi><mi>)</mi><mi>+</mi><mi>j</mi><mi>⋅</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>d</mi><mi>n</mi><mi>(</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>m</mi><mi>)</mi><mi>)</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><msup><mrow /><mi>2</mi></msup></mrow><mo>|</mo></mrow></mstyle>

10、其中，j为虚数单位，ds,ris表示水声信号发射器s与ris极板之间的距离，表示ris极板与水声信号接收器ui之间的距离，l为路径损耗参数；

11、考虑存在两个水声信号接收器的场景，则第2水声信号接收器u2与第1水声信号接收器u1之间的信道增益矩阵可表示为：

12、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>h</mi><msub><mrow /><mrow><mi>u</mi><msub><mrow /><mi>2</mi></msub><mi>,</mi><mi>u</mi><msub><mrow /><mi>1</mi></msub></mrow></msub><mi>=</mi><mrow><mo>|</mo><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msqrt><mfrac><mrow><mi>l</mi><mi>×</mi><mi>d</mi><msub><mrow /><mrow><mi>u</mi><msub><mrow /><mi>2</mi></msub><mi>,</mi><mi>u</mi><msub><mrow /><mi>1</mi></msub></mrow></msub><msup><mrow /><mrow><mi>-</mi><mi>3</mi></mrow></msup></mrow><mi>2</mi></mfrac></msqrt><mi>×</mi><mi>(</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>d</mi><mi>n</mi><mi>(</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>m</mi><mi>)</mi><mi>+</mi><mi>j</mi><mi>⋅</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>n</mi><mi>d</mi><mi>n</mi><mi>(</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>m</mi><mi>)</mi><mi>)</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><msup><mrow /><mi>2</mi></msup></mrow><mo>|</mo></mrow></mstyle>

13、其中，表示第2水声信号接收器u2与第1水声信号接收器u1之间的距离；

14、令dris,u1、dris,u2分别表示ris极板与u1、u2之间的距离，且dris,u1>dris,u2；设第1水声信号接收器u1的功率分配系数分别为，第2水声信号接收器u2的功率分配系数分别为；

15、3.3）设置第2水声信号接收器u2的功率分配系数p2的迭代步长为β，迭代起始值为；设第k次迭代时u1和u2的功率分配系数分别为p1k、p2k，且满足，k=1,2,...,np；对于第k次迭代，包括：

16、在第2水声信号接收器u2上计算来自ris极板途经u2发送给u1的接收信号信噪比矩阵为：

17、

18、在第1水声信号接收器u1上计算来自ris极板发送给u1的接收信号信噪比矩阵为：

19、

20、在第1水声信号接收器u1上计算来自ris极板途经u2发送给u1的接收信号信噪比矩阵为：

21、；

22、其中，η表示ris极板发送的水声信号经过第2水声信号接收器u2发送给第1水声信号接收器u1的能量转换效率；

23、在第2水声信号接收器u2上计算来自ris极板发送给u2的接收信号信噪比矩阵为：

24、

25、3.4）设第1水声信号接收器u1、第2水声信号接收器u2正常接收信号所需的最低信号速率分别为v1、v2，则u1、u2正常接收信号所需的最小信道增益分别为、；

26、设函数max（x，y）为取x与y的较大者，函数min（x，y）为取x与y的较小者；则第1水声信号接收器u1接收信号的实际信噪比为：

27、；

28、当满足时，记为第1水声信号接收器u1出现一次中断事件；遍历完sim次后，得出第1水声信号接收器u1出现中断事件的次数；

29、当满足时，或满足时，记为第2水声信号接收器u2出现一次中断事件；遍历完sim次后，得出第2水声信号接收器u2出现中断事件的次数；

30、则第1水声信号接收器u1、第2水声信号接收器u2的中断概率分别为、；

31、3.5）执行步骤3.3）和3.4），直至最大迭代次数np，求得各次迭代时的u2的功率分配系数情况下水声信号接收器u1、u2各自的中断概率op1k、op2k，k=1,2,3,...,np；寻找各个情况下，的最小值对应的，即为最优功率分配系数，并设为；

32、则第1水声信号接收器u1所分配的功率为，第2水声信号接收器u2所分配的功率为；

33、4）ris极板浮标上配备有mm个ris单元组成的ris极板，且可根据下行数据传输目标分配的信号功率和目标节点位置，进行ris单元的分块和反射路径设计；根据n个水声信号接收器信道的信号功率分配情况，第i个信道对应的ris单元分块面积为，，其中mx,i和my,i分别表示第i个信道对应的ris单元分块的横向长度、纵向长度；信道上信号需分配的功率越大，对应的ris单元分块面积越大，所有ris单元分块面积si的和等于ris极板总面积s，即，，；

34、5）下行信道的信号功率分配完毕后，进行ris极板的面积分配，水声信号接收器ui（i=1,2,...,n）通信的下行信道分配ris单元分块面积，，准备进行定向波束赋形；

35、6）水声信号发射器将按照步骤3.5）得到的功率分配结果，将总功率ps分配给n个水声信号接收器ui（i=1,2,...,n），分配的功率为pi（i=1,2,...,n），并进行信号的功率域叠加后发送至ris极板；ris极板将叠加信号定向反射给第i个水声信号接收器的通信任务分配给ris单元分块si（i=1,2,...,n）；

36、7）搭载ris极板的浮标按照ris单元分块和目标节点的位置进行波束赋形，通过相移器对各个下行信道进行定向信道增强，分别实现与对应水声信号接收器的通信。

37、本发明针对水下障碍物阻挡使得水声直接信道受阻的场景，利用浮标搭载ris极板进行中继，建立从水声信号发射器到ris极板浮标再到水声信号接收器的双跳传输模型，为原本无法通信的双方建立了高效、可通信信道。在水声信号传输到浮标的过程中，将ris与noma技术结合，水声信号发射器向搭载ris极板的浮标发射基于noma功率域叠加后的声信号。经ris极板反射，各目标节点即可接收到各自的信息，提高通信效率。由于各目标节点与浮标的距离不同，各信道状态也不同，对各目标节点所分配的功率不同，对距离较远的节点分配更高的功率；并且按照功率给目标节点分配ris极板分块面积，可使得每个ris极板分块分别对应一个目标进行波束赋形，提高水声通信的定向性和高效性。

38、与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

39、1）提出用浮标搭载ris极板以解决水声通信的直接信道受阻问题，同时利用ris板可调控信道环境的特点，通过波束赋形技术设计不同接收方向下ris板的反射路径，提高数据率和通信效率。

40、2）提出将非正交多址技术与ris极板辅助通信结合，利用串行干扰消除技术，将原本的时分水声信号传输转变为了同时传输，并进行下行信道最佳功率分配求解，提高水声通信的效率。