本發(fā)明屬于無線通信、star-ris、swipt、rsma領(lǐng)域，尤其涉及一種star-ris輔助的swipt系統(tǒng)能效優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，智能超表面(reconfigurable?intelligent?surface，ris)技術(shù)以其低功耗且能夠靈活調(diào)配無線通信環(huán)境的特點(diǎn)被廣泛認(rèn)為是6g的待選技術(shù)之一[1]。其原理是通過控制表面上的反射元件來調(diào)整電磁波的傳播方向、相位和幅度，從而實(shí)現(xiàn)對信號的動態(tài)調(diào)節(jié)。智能反射面可以用于各種通信和雷達(dá)系統(tǒng)，為無線通信、物聯(lián)網(wǎng)和雷達(dá)等領(lǐng)域提供了一種全新的性能優(yōu)化手段。

2、然而，在目前的研究成果中，智能超表面只能對入射信號進(jìn)行反射，這意味著當(dāng)接收機(jī)位于發(fā)射機(jī)的對側(cè)時(shí)無法用ris來輔助通信[2]。針對這一問題，[3]提出了混合傳輸超表面(simultaneously?transmitting?and?reflecting?ris，star-ris)，這種超表面可以同時(shí)反射透射入射信號，能夠?qū)崿F(xiàn)360°的通信覆蓋。

3、star-ris擁有三種傳輸協(xié)議：時(shí)間轉(zhuǎn)換(time?switching,ts)，能量分割(energysplitting,es),模式轉(zhuǎn)換(mode?switching,ms)[4]。其中，ts傳輸協(xié)議指的是star-ris的工作時(shí)間被分割成t時(shí)間和r時(shí)間，在t時(shí)間內(nèi)所有的工作元件只能對入射信號進(jìn)行透射，在r時(shí)間內(nèi)所有的工作元件只能對入射信號進(jìn)行反射；而在es傳輸協(xié)議下，每個(gè)工作單元可以同時(shí)對入射信號進(jìn)行反射和透射，通過調(diào)整工作單元的透射反射比例系數(shù)來靈活分配透射信號和反射信號的能量，這為信號傳播的過程提供了額外的自由度，增加了通信方案設(shè)計(jì)的靈活性；在ms傳輸協(xié)議下，star-ris的每個(gè)工作單元可獨(dú)立地選擇進(jìn)行反射或透射。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以根據(jù)場景靈活使用這三種傳輸協(xié)議以獲得更好的綜合性能。

4、在超表面技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，多址接入技術(shù)也在持續(xù)革新。正交的多址接入方式(oma)包括時(shí)分多址(tdma)、頻分多址(fdma)、碼分多址(cdma)，它們都是通過為不同的用戶分配正交的資源來消除多用戶之間的干擾的[5]。但是隨著通信網(wǎng)絡(luò)的容量越來越大，參與通信的設(shè)備越來越多，oma的頻譜效率便得不到保證了。為了進(jìn)一步提高頻譜效率，空分多址接入(sdma)和非正交多址接入(noma)[6]得到了廣泛的研究。通過適當(dāng)利用發(fā)射機(jī)處的空間資源和多天線結(jié)構(gòu)，sdma能夠在相同的時(shí)間-頻率資源中為多個(gè)用戶提供服務(wù)，并且每個(gè)用戶可以通過將多用戶間干擾視為噪聲來直接解碼預(yù)期的數(shù)據(jù)流。而noma則是通過調(diào)整不同用戶的傳輸功率水平，通過給不同用戶分配不同的功率，系統(tǒng)可以利用用戶之間的信道差異性，使其在接收端可以更容易地區(qū)分用戶的信號，將多用戶間的干擾直接進(jìn)行解碼[7]。

5、然而，sdma和noma也有其局限性，sdma適用于多用戶間干擾較弱的情況，當(dāng)多用戶間干擾過于嚴(yán)重時(shí)，sdma的性能會大大下降；noma由于其是將多用戶間的干擾直接進(jìn)行解碼，所以其接收機(jī)較為復(fù)雜，適用于多用戶間干擾較為嚴(yán)重的情形。近期一項(xiàng)新的多址接入技術(shù)：速率分割多址接入技術(shù)(rsma)得到了廣泛關(guān)注[8]，其原理是將用戶消息分為公共和私有部分，在接收端對公共部分進(jìn)行解碼，將其他用戶的私有部分視為噪聲，通過靈活調(diào)整發(fā)射端公共和私有部分的比例，可以實(shí)現(xiàn)對任何等級的多用戶間干擾的靈活管理，這與sdma和noma中使用的極端干擾管理策略形成了鮮明對比。

6、目前對于star-ris的研究主要集中在其與noma技術(shù)結(jié)合的方面，而rsma與star-ris相結(jié)合的場景下的研究則相對較少，這兩種技術(shù)結(jié)合之后在各個(gè)通信場景下的性能分析仍然是一個(gè)開放性的問題。

7、[1]q.wu?and?r.zhang,“intelligent?reflecting?surface?enhanced?wirelessnetwork?via?joint?active?and?passive?beamforming,”ieee?trans.wirelesscommun.,vol.18,no.11,pp.5394–5409,nov.2019.

8、[2]l.yang,y.yang,m.o.hasna?and?m.-s.alouini,"coverage,probability?ofsnr?gain,and?dor?analysis?of?ris-aided?communication?systems,"in?ieeewireless?communications?letters,vol.9,no.8,pp.1268-1272,aug.2020,doi:10.1109/lwc.2020.2987798.

9、[3]y.liu,x.mu,j.xu,r.schober,y.hao,h.v.poor,and?l.hanzo,“star:simultaneous?transmission?and?reflection?for?360°coverage?by?intelligentsurfaces,”ieee?wireless?communications,vol.28,no.6,pp.102–109,dec,2021.

10、[4]x.mu,y.liu,l.guo,j.lin?and?r.schober,"simultaneously?transmittingand?reflecting(star)ris?aided?wireless?communications,"in?ieee?transactionson?wireless?communications,vol.21,no.5,pp.3083-3098,may?2022

11、[5]y.mao?and?b.clerckx,multiple?access?techniques.cham,switzerland:springer?int.,2021,pp.63–100.

12、[6]l.dai,b.wang,y.yuan,s.han,i.chih-lin,and?z.wang,“nonorthogonalmultiple?access?for?5g:solutions,challenges,opportunities,and?future?researchtrends,”ieee?commun.mag.,vol.53,no.9,pp.74–81,sep.2015.

13、[7]y.saito,y.kishiyama,a.benjebbour,t.nakamura,a.li,and?k.higuchi,“non-orthogonal?multiple?access(noma)for?cellular?future?radio?access,”inproc.ieee?77th?veh.technol.conf.(vtc?spring),2013,pp.1–5.

14、[8]y.mao,b.clerckx,and?v.o.k.li,“rate-splitting?multiple?access?fordownlink?communication?systems:bridging,generalizing,and?outperforming?sdmaand?noma,”eurasip?j.wireless?commun.netw.,no.1,p.133,may?2018.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，并提供一種star-ris輔助的swipt系統(tǒng)能效優(yōu)化方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

3、一種star-ris輔助的swipt系統(tǒng)能效優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s1：基于構(gòu)建的star-ris輔助的swipt系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，在基站側(cè)考慮速率分割多址接入方案，構(gòu)建以最大化系統(tǒng)能量效率為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化問題，在考慮接收側(cè)用戶的通信速率需求約束、能量收集需求約束以及基站側(cè)能量限制約束下，對系統(tǒng)基站側(cè)有源波束、速率分割比例和star-ris側(cè)無源波束進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效最大化；

5、s2：通過最大比傳輸-迫零預(yù)編碼方案實(shí)現(xiàn)適合rsma-swipt系統(tǒng)基站側(cè)的預(yù)編碼設(shè)計(jì)；

6、s3：將s1中的優(yōu)化問題分解為三個(gè)子問題，分別為求解star-ris側(cè)幅度系數(shù)的子問題1、求解star-ris側(cè)相位系數(shù)的子問題2以及求解基站側(cè)速率分割比例和用戶側(cè)能量回收比例的子問題3，通過交替迭代求解三個(gè)子問題直至所述優(yōu)化問題收斂，得到所述優(yōu)化問題的求解結(jié)果，將優(yōu)化問題收斂時(shí)各個(gè)優(yōu)化變量的取值作為實(shí)現(xiàn)swipt系統(tǒng)最優(yōu)能效的相應(yīng)設(shè)計(jì)。

7、在上述方案基礎(chǔ)上，各步驟可以采用如下優(yōu)選的具體方式實(shí)現(xiàn)。

8、作為優(yōu)選，步驟s1中，構(gòu)建的系統(tǒng)模型如下：考慮兩用戶star-ris輔助的swipt系統(tǒng)，基站具有m根天線，star-ris具有n個(gè)反射單元以及n個(gè)透射單元，其中，一個(gè)單天線用戶user?1處于star-ris的反射區(qū)，另一個(gè)單天線用戶user?2處于star-ris的透射區(qū)，star-ris采用es傳輸模式，單天線用戶user?1接收star-ris反射而來的信號，單天線用戶user?2接收star-ris透射而來的信號，將基站側(cè)發(fā)送給單天線用戶user?1的信息劃分成第一公有信息部分和第一私有信息部分，將發(fā)送給單天線用戶user?2的信息劃分成第二公有信息部分和第二私有信息部分，將第一公有信息部分以及第二公有信息部分編碼成公有流，將第一私有信息部分編碼成第一私有流，將第二私有信息部分編碼成第二私有流，將公有流、第一私有流以及第二私有流進(jìn)行預(yù)編碼后得到的疊加信號作為基站最終發(fā)送的信號。

9、作為優(yōu)選，步驟s1中，所述優(yōu)化問題的函數(shù)形式如下：

10、

11、ci+rp，i≥λi??(1b)

12、pieh≥ζi??(1c)

13、

14、θi，n∈[0，2π]??(1e)

15、β1，n2+β2，n2＝1??(1f)

16、其中，(1a)為保證每個(gè)用戶能夠成功解碼公有流的約束，(1b)為user?i的通信速率需求約束，(1c)為user?i能量收集需求約束，(1d)為基站側(cè)能量限制約束，(1e)為star-ris單元的相位約束，(1f)為star-ris工作在es模式下幅度系數(shù)約束；

17、式中：ci表示user?i的公共信息速率；wk表示公有流或者私有流的預(yù)編碼向量；αi表示user?i處的能量分割比例；θi，n表示star-ris位于user?i一側(cè)的第n個(gè)單元的相位系數(shù)；βi，n表示star-ris位于user?i一側(cè)的第n個(gè)單元反射或者透射側(cè)的幅度系數(shù)；rp，i表示user?i解碼的私有流的信息速率；rc，i表示user?i解碼的公有流的信息速率；λi表示user?i的最小通信速率需求；pieh表示用于能量回收的功率；ζi表示user?i最小能量收集需求；pmax表示為基站可提供的最大發(fā)射功率；β1，n表示star-ris位于user?1一側(cè)的第n個(gè)單元反射側(cè)的幅度系數(shù)；β2，n表示star-ris位于user?2一側(cè)的第n個(gè)單元的透射幅度系數(shù)。

18、作為優(yōu)選，步驟s2中，最大比傳輸-迫零預(yù)編碼方案具體為：

19、

20、qi＝hihφig

21、式中：h表示共軛轉(zhuǎn)置；qi表示中間變量；zk表示中間變量z＝[z1，z2]的第k列；z＝qh(qqh)表示中間變量；q＝[q1，q2]表示中間變量；q1，q2均表示中間變量；hi是star-ris到useri的信道參數(shù)；φi是star-ris位于user?i一側(cè)的系數(shù)矩陣；g是基站到star-ris的信道參數(shù)。

22、作為優(yōu)選，步驟s3中，得到優(yōu)化問題的求解結(jié)果具體過程為：在第t個(gè)迭代輪次內(nèi)，判斷所述優(yōu)化問題是否收斂：若收斂，則將優(yōu)化問題收斂時(shí)三個(gè)子問題的求解結(jié)果作為優(yōu)化問題的求解結(jié)果；若不收斂，則對三個(gè)子問題各自進(jìn)行求解，得到第t個(gè)迭代輪次三個(gè)子問題的求解結(jié)果，并進(jìn)入第t+1個(gè)迭代輪次，直至所述優(yōu)化問題收斂。

23、作為優(yōu)選，步驟s3中，子問題1的函數(shù)形式為：

24、p1：βtpβ+qtβ(3)

25、

26、

27、q＝[-a1，-a2]t

28、β＝[β1，β2]t

29、式中：β表示star-ris幅度系數(shù)取值向量；t表示轉(zhuǎn)置；βi表示star-ris靠近user?i側(cè)的工作單元幅度系數(shù)；β1表示star-ris位于user?1一側(cè)的任意一個(gè)單元反射側(cè)的幅度系數(shù)；β2表示star-ris位于user?2一側(cè)的任意一個(gè)單元透射側(cè)的幅度系數(shù)；p，tikti0tii，b1，b2，a1，a2均表示中間變量；σ2表示復(fù)加性高斯白噪聲的方差；γi表示輔助變量。

30、作為優(yōu)選，步驟s3中，子問題2的函數(shù)形式為：

31、

32、s.t.|θi，n|≤1??(4f)

33、

34、式中：θi表示star-ris位于user?i一側(cè)工作單元的相位系數(shù)向量；c表示正數(shù)；ai、bi分別表示輔助變量的指數(shù)；gik，ci，k，gi0，cii，ci，0，di，gii均表示中間變量；分別表示第t-1個(gè)迭代輪次內(nèi)θi，n，θi，ai，bi的取值；n表示star-ris工作單元數(shù)量。

35、作為優(yōu)選，步驟s3中，子問題3的函數(shù)形式為：

36、

37、式中：ui，0，ui,k，ui,i，di，ei，fi均表示中間變量；分別表示第t-1個(gè)迭代輪次內(nèi)中間變量di，ei，fi的取值。

38、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下有益效果：

39、(1)能效性能更優(yōu)：本發(fā)明在star-ris輔助的swipt系統(tǒng)中采用了rsma的多址接入方案，其能效性能相較于現(xiàn)有的采用noma、sdma的多址接入方案而言更加優(yōu)越。

40、(2)綠色通信網(wǎng)絡(luò)：本發(fā)明的通信方案考慮了無線攜能，接收端的能量收集過程能夠減少接收端iot設(shè)備的電池更迭次數(shù)，這對未來6g綠色通信網(wǎng)絡(luò)的搭建與評估有一定的研究價(jià)值。