本发明涉及基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，属于无线通信。
背景技术：
1、随着车联网(iov)技术的快速发展，实现高效可靠的车辆间通信变得日益重要。在此背景下，多用户多输入单输出(mu-miso)技术因其能在多个传输信道上同时服务多个用户而被广泛应用。同时，非正交多址接入(noma)与正交时频空间调制(otfs)技术的结合为高速移动环境下无线通信综合性能的提升提供了新的途径。noma技术通过在功率域中完成用户多址接入，提升了系统用户容量和频谱效率，而otfs技术通过利用时延-多普勒域的结构特性，并在该域进行信号调制，可有效对抗高速移动环境中的不利影响，如频率选择性衰落和多普勒效应等，特别适合于动态车联网环境。同时，noma-otfs系统中合理的功率分配和波束成形设计对提高系统吞吐量至关重要，通过精准的功率分配可以保证noma用户在不同功率水平上接入网络，并最大化系统频谱效率和容量，而波束成形则可通过调整基站发射天线的权重向量来控制信号的方向性，增强信号传输质量，并减少对其他用户的干扰。作为一种广泛用于解决资源分配问题的数学方法，凸优化算法非常适合于复杂优化问题的最优值求解。通过构建优化模型，可将noma-otfs系统波束成形和功率分配矢量作为优化变量，来最大化系统吞吐量，从而进行求解。这种方法可以确保找到全局最优解，且计算过程高效，易实现。
2、丁志国等([1]z.ding,"robust beamforming design for otfs-noma,"in ieeeopen j.commun.soc.,vol.1,pp.33-40,2020.)针对不同移动性用户提出了一种新的noma方法，结合ofdm和otfs技术为tf域的低速用户和dd域高速用户提供服务，并在接收端对高速用户信号采用频域线性均衡技术消除符号间干扰。同时考虑信道状态信息存在误差情况下的otfs-noma系统波束设计，证明了所提波束成形方案可以显著提升系统用户公平性及各noma用户最小速率。尽管该方案在系统波束成形方面进行了优化，但其采用所有用户共享同一波束成形矢量的策略，未考虑各用户的地理位置差异，可能导致波束覆盖不精确，从而影响信号定向性能和通信效率。同时，该方案未充分考虑功率分配对系统整体性能的影响，而这在车联网通信系统中也是一不可忽视的因素。
3、随着车联网技术的迅速发展和对数据的需求不断上升，如何有效提升车联网系统通信效率和覆盖质量的问题亟待解决。因此，针对车联网通信中基于noma-otfs系统的功率分配与波束成形联合设计进行深入研究显得尤为重要。
技术实现思路
1、针对车联网通信中数据传输可靠性及系统容量问题，本发明提出了一种基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法。在发射信噪比为30db时，该方法下的系统吞吐量相比于现有技术中的方案提升了大约5bps/hz。
2、术语解释：
3、1、noma：非正交多址(noma)是一种允许多个用户在相同的时间频率资源上进行通信的多址接入技术。它通过在功率域(使用不同的功率级别)来区分用户，使得多个用户可以共享同一频道。noma通过使用超位置编码和逐层解码技术，提高了频谱利用率，并可以在用户之间提供更公平的服务质量。
4、2、otfs：正交时频空间(otfs)是一种调制技术，旨在充分利用时域和频域的正交性，特别适合于处理高速移动环境下的信道效应，如多普勒频移和时变衰落。otfs通过在所谓的时延-多普勒域上映射数据，能够有效抵抗这些不利影响，提供稳定和可靠的信号传输。
5、3、波束成形：波束成形(beamforming)是一种使用多天线(阵列)发送或接收信号的技术，通过调整每个天线的信号相位和幅度，可以有意识地增强信号在特定方向上的发射或接收。这种技术可以提高信号的接收质量，减少干扰，增加通信的方向性和距离。
6、4、fd-le：频域线性均衡(fd-le)是一种在通信系统中常用的均衡技术，特别适用于高速数据传输和多径传播环境。其通过将接收信号进行快速傅里叶变换转换到频域，利用预设均衡系数对信号进行调整，补偿信道失真和干扰，处理后的信号通过逆变换恢复至时间域输出。
7、5、sic：串行干扰消除(sic)是一种高效的信号处理技术，用于在接收端减少多用户干扰。sic首先识别并解调信号中最强的用户信号，然后从总信号中消除该已解调信号的影响，逐步重复此过程以恢复其他用户的信号。这种方法通过逐个消除干扰源，有效改善了信号的接收质量和系统的错误率性能。
8、6、csi：信道状态信息(csi)是指在无线通信系统中关于信道传输特性的知识，包括信道的增益、相位偏移、时延扩展等参数。通过测量这些参数，系统能够了解信号在从发射端到接收端过程中受到的各种影响，从而使发射机更加精确地调整其传输策略。
9、7、sinr：信号干扰噪声比(sinr)是无线通信中一个关键的性能指标，用于描述在特定时间和频率上，期望信号强度相对于干扰和噪声总和的比例。sinr是评估无线信号质量和通信可靠性的重要指标，它影响着数据传输速率、错误率和系统容量。
10、本发明的技术方案如下：
11、基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，所述车联网下行通信系统包括基站、分布式车辆单元和信号处理模块；基站配备多元发射天线阵列；分布式车辆单元包括采用dd域调制的高速车辆用户即高速用户和采用时频域调制的多个低速车辆用户即低速用户；信号处理模块包括串行干扰消除器和频域线性均衡器；
12、假设接收噪声为加性高斯白噪声；包括：
13、首先，在高速用户接收端恢复dd域中高速用户信号，随后在各低速用户接收端恢复低速用户信号；
14、其次，通过分析各用户对应的csi，计算每个用户的sinr，并基于每个用户的sinr，构建联合优化问题，以最大化车联网下行通信系统总吞吐量，进而对功率分配矢量和各用户波束成形矢量进行联合优化；
15、最后，通过连续凸逼近和半正定规划算法进行求解，输出最优波束成形和功率分配矢量。
16、根据本发明优选的，所述车联网下行通信系统的构建过程包括：
17、假设车联网下行通信系统中存在k+1个用户ui，i＝0,…,k，其中，高速用户记为u0，低速用户记为uj，j＝1,…,k；假设车联网下行通信系统中每个时频资源块包括n个ofdm符号且k+1≤m，其中，m为系统子载波数；各低速用户在tf域中独立占用子载波资源，之后通过noma技术将低速用户信息符号和高速用户信息符号进行叠加，并在发送端通过精确的波束成形策略，为每个用户定制化地调整信号，以优化整体的信号传输质量和系统性能。
18、进一步优选的，所述车联网下行通信系统中；
19、基站第v根天线的tf域发送信号为：其中γi及wv,i,i＝0,…,k，分别为系统中用户i的功率分配系数及其在第v条路径上的波束成形权重，为用户i在tf域的发送信号；
20、高速用户dd域输入输出关系为其中，y0表示高速用户的接收信号向量，xi,i＝0,…,k，表示基站发送至系统中用户i的信号向量，即i＝0时，xi表示基站发送至高速用户的信号向量，i＝j且j＝1,…,k时xi表示发送至第j个低速用户的信号向量，v为发射天线数，代表基站第v根天线至高速用户的信道矩阵，z0为高速用户处的加性高斯白噪声向量；
21、第j个低速用户的接收信号向量为其中代表基站第v根天线至第j个低速用户的信道矩阵，zj为低速用户j处的加性高斯白噪声向量；
22、高速用户信道均衡矩阵设定为其中，fn和fm为n点和m点的傅里叶变换矩阵，(·)h表示复共轭转置操作，为基站第v根天线至高速用户的等效信道矩阵，为对角阵，且的第(km+l+1)个对角元素为其中，为的第(nm+m+1)行，第一列元素；
23、对y0进行均衡从而恢复dd域中高速用户信号，得均衡后信号为：
24、其中，等式右侧第一项为基站发送至高速用户信号，第二项为低速用户干扰项，第三项为加性高斯白噪声；假定所有用户传输的信号幅度相同，且噪声功率均做归一化处理，此时各用户发送信噪比表示为通过计算期望信号、干扰和噪声功率，推导出高速用户处sinr为其中，gk,l为基站至高速用户信道矩阵，且
25、根据本发明优选的，在各低速用户接收端恢复低速用户信号；包括：
26、对均衡后的高速用户信号进行dd域检测，并在各低速用户处执行sic消除高速用户干扰，继而对各低速用户信号进行恢复；具体是指：
27、假设低速用户的信道为时不变信道，即低速用户不经历多普勒频移，因此，第v根天线至用户j处的信道矩阵为块对角矩阵，加上检测矩阵后即有效均衡恢复低速用户信号，其中，为基站第v根天线至低速用户j的等效信道矩阵，为对角阵，且其第(l+1)个对角元素为其中，为的第(m+1)行，第一列元素。
28、根据本发明优选的，计算每个用户的sinr；包括：
29、假设高速用户信号被完美解调和消除，则得到高速用户u0在第j个低速用户uj干扰下的sinr为：其中，hj,l为基站至第j个低速用户的信道矩阵，从而得到sic后tf域低速用户uj处的接收信号为其中，为基站第v根天线至第j个低速用户的时频信道响应，为用户j的时频域发射信号；假设所有noma用户信道为时不变信道，则第j个noma用户对应的sinr为
30、根据本发明优选的，在满足高速用户qos、低速用户完美执行sic及总功率约束下，最大化noma-otfs吞吐量实现资源的高效利用和用户体验的优化，所建立的波束成形和功率分配联合优化问题如下：
31、
32、
33、
34、
35、其中，p为基站发射总功率；约束c1a为高速用户qos和完美sic约束，r0为满足高速用户qos所需的最低数据速率；约束c1b表示基站波束成形功率约束；约束c1c为系统总功率约束。
36、根据本发明优选的，通过连续凸逼近和半正定规划算法进行求解，输出最优波束成形和功率分配矢量；功率分配-波束成形联合优化算法具体包括：
37、假设noma用户数为2，固定波束成形矢量w0,wj,j＝1,2，求解功率矢量γ，具体如下：
38、首先，转化功率分配优化子问题为：
39、
40、将子问题转化为凹差函数，则有：
41、
42、使用连续凸逼近技术进行进一步转化，将函数转化为凸函数，转化为及
43、其次，通过引入辅助变量将原始目标函数转化为并进一步通过固定变量将目标函数转化为继续引入辅助变量将原目标函数转化为在优化波束成形矢量时均使用目标函数，固定功率分配矢量γ及低速用户的波束成形矢量w1及w2，此时针对w0的优化子问题为：
44、
45、使用如下变换将该问题转化为凸问题，即令并用tr(w0)≤1，rank(w0)＝1,w0,n,n≥0,n＝1,...,v改写约束c4b，其中tr(·)为迹函数，w0,n,n为w0矩阵的主对角线元素；通过松弛约束，将原优化问题转化为：
46、
47、tr(w0)≤1 (c5b)
48、w0，n，n≥0,n＝1,...，v (c5c)
49、采用高斯随机化技术得到其次优解；固定功率分配矢量γ及波束成形矢量w0及w2，优化w1的子问题如下：
50、
51、令矩阵并松弛掉秩1矩阵约束后有：
52、
53、tr(w1)≤1 (c7d)
54、w1,n,n≥0,n＝1,...,v (c7e)
55、其中，(c7e)中w1,n,n为w1矩阵的主对角线元素；采用高斯随机化技术恢复问题次优解。
56、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法的步骤。
57、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法的步骤。
58、本发明的有益效果为：
59、1、与传统的采用波束成形技术的noma-otfs系统相比，本发明提出功率分配-波束成形联合优化算法，通过联合优化系统中的功率分配与各用户波束成形矢量，具有更高的资源利用效率和通信质量，极大地提升了系统吞吐量和可靠性。
60、2、本发明提出的基于凸优化的功率分配-波束成形联合优化算法，能在10次迭代以内有效保证系统吞吐量收敛至预定范围，以满足通信系统对吞吐量的性能要求。
1.基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，所述车联网下行通信系统包括基站、分布式车辆单元和信号处理模块；基站配备多元发射天线阵列；分布式车辆单元包括采用dd域调制的高速车辆用户即高速用户和采用时频域调制的多个低速车辆用户即低速用户；信号处理模块包括串行干扰消除器和频域线性均衡器；
2.根据权利要求1所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，所述车联网下行通信系统的构建过程包括：
3.根据权利要求1所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，所述车联网下行通信系统中；
4.根据权利要求1所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，在各低速用户接收端恢复低速用户信号；包括：
5.根据权利要求1所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，计算每个用户的sinr；包括：
6.根据权利要求1所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，在满足高速用户qos、低速用户完美执行sic及总功率约束下，最大化noma-otfs吞吐量实现资源的高效利用和用户体验的优化，所建立的波束成形和功率分配联合优化问题如下：
7.根据权利要求1-6任一所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法，其特征在于，通过连续凸逼近和半正定规划算法进行求解，输出最优波束成形和功率分配矢量；功率分配-波束成形联合优化算法具体包括：
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一所述的基于noma-otfs的车联网下行通信系统功率分配与波束成形方法的步骤。
