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龙图腾网获悉哈尔滨工业大学申请的专利一种多层智能超表面辅助多用户通信系统建模与优化方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN119012249B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-16发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411246822.8，技术领域涉及：H04W24/06；该发明授权一种多层智能超表面辅助多用户通信系统建模与优化方法是由陈舒怡;惠英哲;白智文;孟维晓;韩昀达;苏畅;张秋实;贾骏鸿;胡天宇设计研发完成，并于2024-09-06向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种多层智能超表面辅助多用户通信系统建模与优化方法在说明书摘要公布了：本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多层智能超表面辅助多用户通信系统建模与优化方法，包括以下步骤：步骤一、构建系统模型：设计一个多用户场景，包含多层RIS和MIMO基站的通信系统；使用多端口网络模型，建立相应的物理一致模型；步骤二、采用非理想电路模型来描述通信系统中的噪声和干扰；步骤三、信号传播分析：研究信号在多层RIS和多用户接收天线之间的传播特性，建立输入输出关系，分析互耦合效应对信号传输的影响；步骤四、设计优化算法：提出用户公平性约束下的交替优化算法。本发明能够有效地结合了RIS的灵活性和MIMO技术的优势，为多用户通信提供了完善高效的解决方案，能够在复杂的无线环境中提升系统性。

本发明授权一种多层智能超表面辅助多用户通信系统建模与优化方法在权利要求书中公布了：1.一种多层智能超表面辅助多用户通信系统建模与优化方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一、构建系统模型：设计一个多用户场景，包含多层RIS和MIMO基站的通信系统；使用多端口网络模型，定义各个组件的端口，包括馈源天线、RIS元原子和多用户接收天线，建立相应的物理一致模型； 步骤二、采用非理想电路模型来描述通信系统中的噪声和干扰； 步骤三、信号传播分析：研究信号在多层RIS和多用户接收天线之间的传播特性，建立输入输出关系，分析互耦合效应对信号传输的影响； 步骤四、设计优化算法：提出用户公平性约束下的交替优化算法，首先固定发射功率，优化RIS的相位控制矩阵，以提升信号传输效率，然后固定RIS的相位控制，优化发射功率分配； 所述步骤一包括以下步骤： 首先，设计一个多用户场景，包含多层RIS和MIMO基站的通信系统，通信系统包括馈源天线、RIS元原子和多用户接收天线，其中基于多层RIS和馈源天线构建的多天线基站BS旨在与M位用户进行同步通信，每个用户都配备NR个多用户接收天线； 其中，多天线基站BS配备一个均匀的平面阵列，包括NT≥NR馈源天线和L层平行RIS层，每层平行RIS层都嵌入了NS个元原子；ΔS和ΔT表示馈源天线和RIS层上的均匀天线间距；设NT＝{1,2,…,NT},L＝{1,2,…,L},NS＝{1,2,…,NS},M＝{1,2,…,M},NR＝{1,2,…,NR}分别表示馈源天线、并行多层RIS、每个RIS上的元原子、用户、多用户接收天线的集合；通信系统建模为具有NT+NS+MNR端口的多端口网络 所述步骤一中的多端口网络表示为： 其中，“T”、“S”和“R”分别用于表示馈源天线、多层RIS元件和多用户接收天线；分别表示馈源天线元件、多层RIS元原子和多用户接收天线中的电流分布；表示相应端口两端的电压矢量；电压vT,vS,vR和电流iT,iS,iR之间的关系由欧姆定律控制，并通过系统阻抗矩阵相互连接，该矩阵可分为不同的子矩阵；其中，分别代表馈源天线元件、多层RIS元原子、多用户接收天线的阻抗；对角线元素对应于馈源天线元件、多层RIS元原子和多用户接收天线的自阻抗；非对角元素表示馈源天线元件、多层RIS元原子和多用户接收天线之间的互阻抗；矩阵分别表示馈源天线和多层RIS、馈源天线和多用户、多层RIS和多用户之间的成对互阻抗；由于天线是互易设备，可得出 在实际场景中，多层RIS和多用户之间的传播信道中的信号衰减相当大，即||ZRS||F＝||ZSR||F＜＜min||ZR||F,||ZS||F.因此，多用户多层RIS跨阻ZSR≈0，其中只有馈源天线会影响接收天线的电磁特性； 所述步骤二包括以下步骤： 首先，馈源天线NT电压源的特点是发射机信号源具有发射机内阻R；发射机信号源通过噪声电压源与馈源天线连接，馈源天线由电压-电流对vT,iT表示；多层RIS用电压-电流对vS,iS表示；每个RIS原子都连接到一个可调谐阻抗，即入射波的移相器，可写作这里，表示电抗；鉴于RIS元原子的无损和无源特性，噪声电压源不包括在其模型中；多用户接收天线可通过噪声电压源接收天线内阻Rin来表征电压-电流对vR,iR； 多端口网络仅由受环境温度T影响的无源元件组成；因此，阻抗矩阵中的噪声仅由这些组件的热噪声决定，可使用vN,T和vN,R进行建模；当馈源天线和多用户接收天线考虑互耦合时，会产生噪声相关性；截断的傅里叶变换可用于确定馈源天线中噪声电压vN,T和多用户接收天线中噪声电压vN,R的相关功率谱密度PSD： 其中t0为时间，kb为玻尔兹曼常数，T为环境温度，vN,Tf，vN,Rf为vN,T，vN,R的频域表示，为取实部，鉴于馈源天线和多用户接收天线之间的远场通信，以及作为中间分量的多层RIS的存在，考虑馈源天线和多用户接收天线之间的互相关PSD为零，即 ； 所述步骤三包括以下步骤： 首先，将电路模型集成到基于多层RIS的多用户MIMO通信系统中；第m个用户接收到的复合信号ym通常表示为： 其中表示面向每个用户的符号集，满足Hm表示馈源天线和第m个用户之间的信道；表示馈源天线处的预编码矩阵，n为噪声；馈源天线电流的均方根值可以由给出；可写为多用户场景下的电路模型，从而建立从发射机信号源vG到第m个多用户接收天线电压vR,m的输入-输出关系；为了便于分析，使用傅里叶变换将vG和vR,m转换为频域，即vGf,vR,mf.因此，在远场假设下，从发射机信号源vGf到第m个多用户接收天线电压vR,mf的输入-输出关系表示为： vR,mf＝HmfvGf+nmf, Hmf＝-RinPmZRS,mΦLZSTB, nmf＝RinPm-1vN,R+RinPmZRS,mΦLZSTBvN,T, 其中Hmf,nmf为馈源天线和第m个用户之间的信道及噪声的频域分布，Rin为内阻，ΦL表示第l层RIS的相位控制矩阵 其中R为发射机内阻，可推导出噪声相关矩阵，如下所示： 其中Qm＝-ZRS,mΦLZST，在信号源vG提供的总功率预算Pmax下，分配给第m个用户的功率定义为pm，可得到第m个用户的信干噪比和系统可实现的速率之和为： 可观察到，馈源天线、多层RIS和多用户接收天线的通信功能基本上封装在H中；通过共同设计矩阵H内的阻抗和发射功率，可实现波束成形的目标； 接下来对馈源天线、多层RIS元原子和多用户接收天线的自阻抗和互耦合阻抗进行理论分析； 首先，建立天线的等效电路模型： 其中，V1和I1表示此天线的等效电压和电流，A1表示TM1模式的复系数，a为天线尺寸；k0和η0分别表示自由空间中的波数和波阻抗，j表示虚数单位；利用基本电路理论，自阻抗ZChu写为： 其中c为光速，f为工作频率，两根不重叠CMS天线各自具有自阻抗ZX和ZY，其互阻抗为： 球面坐标表示为r,θ,φ，旋转角度β和γ相对于其连接轴r定义，d为两根天线之间的距离；上式封装的两个CMS天线之间的互阻抗，考虑了它们的物理参数和电场的影响；此外，其可表征不同用户之间的相互耦合； 然后进行馈源天线、多层RIS和多用户之间的传播信道模型推导，首先进行馈源天线和第一层RIS之间的传播信道分析；利用开路电压来确定近场区第一层RIS上馈源天线和元原子之间的跨阻；假设馈源天线平行于第一层RIS，天线之间的互阻抗中的配置参数可设为和相应的NS,NT跨阻抗与NT,NS跨阻抗相等，为： 其中，是第NT个馈源天线与第一层RIS上第NS个元原子之间的距离；接下来，进行RIS层间传播信道模型分析；根据Rayleigh-Sommerfeld衍射方程，RIS层上的每个元原子都可被视为二次波源；其层间跨阻为： 其中as表示每个元原子的面积，dl表示层间距离，表示第l-1层RIS上的第NS个元原子与第l层RIS上的第NS′个元原子之间的距离；然后使用相关瑞利衰落信道来表示从最后一层RIS到第m个用户的信道，记为考虑到天线耦合，空间信道相关性可根据阻抗矩阵来表征；这是因为阻抗矩阵表现出与各向同性环境噪声相同的相关特性，这些特性由阻抗矩阵的实部描述；因此，将定义为： 其中，是独立且同分布的瑞利衰落信道，α是路径损耗指数，dRS是最后一层RIS与第m个用户之间的距离； 所述步骤四包括以下步骤： 首先，通过联合优化馈源天线的发射功率和多层RIS的波域波束成形，使所有用户的总和速率最大化；在解决优化问题时，需确保第m个用户的SINR约束条件Γm最小，以保证用户公平性；同时约束馈源天线的最大发射功率；主要挑战在于多层RIS的多层结构；为解决这一问题，设计了一种有效的算法，通过交替优化的方式，优化RIS各层的发射功率pt＝[p1,p2,…,pM]T和相位控制矩阵；可表述为以下非凸优化问题： 首先进行相位控制矩阵优化，给定发射功率分配pt，优化每个RIS层的相位控制矩阵；将等式Hmf中的ZST展开，即： 基于多层结构，采用梯度上升迭代算法来优化各层的相位控制矩阵；其中RΦl与第l层可调阻抗矩阵的梯度为第l层RIS在迭代t+1次时的可调阻抗矩阵为： 其中，由于RIS的可调阻抗必须是严格虚数，所以加入了算子此外，μl＞0是Armijo步长，通过每次迭代的回溯线搜索确定；上式迭代执行，直到总和率的增量上升低于预定的阈值，达到收敛； 接着进行发射功率分配，通过得到的多层RIS相位控制矩阵，推导出发射功率分配；鉴于是全阶Hermitian矩阵，并假设Rn是可逆的，第m个用户的可实现速率可进一步表示为： 将上式作为pi的函数重写为： Rm表示两个凹函数之差，为非凹函数；利用连续凸近似，对h2pi进行一阶泰勒展开： 其中pi t表示pi在第t次迭代时的值；因此，P1可近似地重新表述为P1.1，可表示为 该问题是一个标准的凸优化问题，利用CVX工具箱可求解，获得发射功率分配。

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