智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法技术

本发明专利技术提出一种智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，涉及无线携能通信的技术领域，首先由次用户发射机、次用户接收机、主用户发射机、主用户接收机及IRS组成系统，然后对信息传输阶段持续时间进行划分，次用户发射机在第一持续时间间隙分别传输信息和能量给次用户接收机和主用户发射机，主用户发射机在第二持续时间间隙利用收集的能量传输信息至主用户接收机，再以次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和最大作为目标函数，设置各个约束条件，对目标函数进行优化求解，得到最大总吞吐量，实现能量的可持续性供应，有效提高主次用户的通信性能。有效提高主次用户的通信性能。有效提高主次用户的通信性能。

【技术实现步骤摘要】
智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法


[0001]本专利技术涉及无线携能通信的
，特别涉及一种智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的发展，无线业务数据量呈爆炸式增长，而各种无线设备都需要一定频谱资源和持续的能源供应来传输数据。认知无线电技术是提高频谱利用率的有效手段之一，允许非授权用户在对授权用户不造成干扰的情况下，接入频段，从而提高频谱利用率。无线携能通信技术实现了信息和能量传输的同时传输，为需要能源持续供应的能量受限节点提供了能量收集的新方法。在认知无线电系统中，其频谱可以由两种不同类型的用户共享，即主用户和次用户。
[0003]目前，对无线携能通信技术的研究人员大多数考虑将认知无线携能技术与协作中继技术结合，考虑了将次用户发射机作为中继既传输主用户数据又传输自己的数据，虽然提高了主用户的传输性能，但限制了次用户的通信性能，且对于作为有源中继的次用户发射机来说，增加了其功率的消耗。智能反射平面(Intelligent reflecting surface，IRS)是一项能提高无线通信频谱和能源效率的革命性的新技术，其利用大量低成本无源发射元件，通过软件动态调整反射信号的相移，重新配置无线传播信道，以增强在主次用户处所需信号强度，从而使得用户的通信性能得到进一步的优化。将IRS与无线携能通信技术结合，能够进一步提高主次用户的通信性能。
[0004]现有技术中公开了一种IRS与无线携能通信结合的方法，首先该方法建立一个IRS辅助单个认知无线电网络与主用户网络共存的通信模型，通过利用联合优化次用户发射机的波束成形矢量和IRS的相移矩阵，使次用户发射机的发射功率最小化，但没有考虑在主用户发射机空闲时，次用户发射机发送信息的同时给主用户发射机发送能量，然后在主用户工作时利用收集的能量传输自己的数据，即次用户发射机发射的能量无法可持续性供应，影响主次用户的通信性能。

技术实现思路

[0005]为解决在当前IRS与无线携能通信结合的方法中，次用户发射机发射的能量无法可持续性供应，影响主次用户的通信性能的问题，本专利技术提出一种智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，实现能量的可持续性供应，有效提高主次用户的通信性能。
[0006]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，包括以下步骤：
[0008]S1.建立由次用户发射机、K个次用户接收机、主用户发射机、主用户接收机及IRS组成的多用户无线携能通信认知系统；
[0009]S2.设多用户认知无线携能通信系统内的信息传输阶段包括第一持续时间间隙和
第二持续时间间隙，在第一持续时间间隙中，次用户发射机分别向所有次用户接收机和主用户发射机传输信息，主用户发射机从信息中采集能量；在第二持续时间间隙中，主用户发射机基于收集到的能量，向主用户接收机传输信息；
[0010]S3.对于次用户接收机中的任意一个次用户接收机k，基于次用户发射机发射的传输信息及IRS在第一持续时间间隙、第二持续时间间隙的反射相移矩阵，得到次用户接收机k接收到的信号，且确定次用户接收机k处的接收信干噪比和单位带宽下主用户发射机到主用户接收机的吞吐量；
[0011]S4.基于次用户接收机k处的接收信干噪比，计算单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量；
[0012]S5.基于单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量，计算次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和；
[0013]S6.以次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和最大作为目标函数，以次用户发射机的发射功率、次用户接收机的信干噪比、主用户发射机到主用户接收机的吞吐量、第一持续时间间隙、第一持续时间间隙的IRS反射相移矩阵以及第二持续时间间隙的IRS反射相移矩阵为约束条件，对目标函数进行优化求解，得到次用户发射机到所有次用户接收机k的最大总吞吐量。
[0014]在本技术方案中，首先建立由次用户发射机、次用户接收机、主用户发射机、主用户接收机及IRS组成的多用户无线携能通信认知系统，将IRS与无线携能通信结合，改善了主次用户的信道环境，保证了信息在主次用户之间的传输，提高了次用户发射机到次用户接收机之间的总吞吐量，然后将信息传输阶段持续时间划分为第一持续时间间隙和第二持续时间间隙，次用户发射机在第一持续时间间隙分别传输信息和能量给次用户接收机和主用户发射机，主用户发射机在第二持续时间间隙利用收集的能量传输信息至主用户接收机，保持能量的可持续供应，进一步，以次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和最大作为目标函数，以次用户发射机的发射功率、次用户接收机的信干噪比、主用户发射机到主用户接收机的吞吐量、第一持续时间间隙、第一持续时间间隙的IRS反射相移矩阵以及第二持续时间间隙的IRS反射相移矩阵为约束条件，最后对目标函数进行优化求解，得到次用户发射机到所有次用户接收机k的最大总吞吐量，实现能量的可持续性供应，有效提高主次用户的通信性能。
[0015]优选地，次用户发射机配备M根天线，并设有稳定电源，K个次用接收机、主用户发射机和主用户接收机均配备单根天线，设IRS包括N个无源反射单元，每一个无源反射单元的幅度均为1，次用户发射机到IRS之间的信道为次用户发射机到次用户接收机k之间的信道为k＝{1,...,K}，次用户发射机到主用户发射机的信道为IRS到次用户接收机k的信道为IRS到主用户发射机的信道为IRS到主用户接收机的信道为主用户发射机到主用户接收机的信道其中，表示x
×
y维度的复值矩阵集合，的指数表示复值矩阵的维度，且每一个信道的信道状态信息均已知。
[0016]优选地，在步骤S3中，设多用户认知无线携能通信系统内的信息传输阶段的持续
时间为T，第一持续时间间隙为τ，第二持续时间间隙为T
‑
τ，IRS在第一持续时间间隙τ中的反射相移矩阵表示为：
[0017][0018]其中，φ1＝[q
1,1
,...,q
N,1
]H
,n＝{1,...,N}，β
n,1
∈[0,1]和θ
n,1
∈[0,2π)分别为IRS在第一持续时间间隙τ中第n个反射单元的幅度和相移；
[0019]IRS在第二持续时间间隙T
‑
τ中的反射相移矩阵表示为：
[0020][0021]其中，φ2＝[q
1,2
,...,q
N,2
]H
,n＝{1,...,N}，β
n,2
∈[0,1]和θ
n,2
∈[0,2π)分别表示IRS在第二持续时间间隙T
‑
τ中第n个反射单元的幅度和相移。
[0022]优选地，在第一持续时间间隙τ时，次用户发射机发射的信号表示为：
[0023][002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立由次用户发射机、K个次用户接收机、主用户发射机、主用户接收机及IRS组成的多用户无线携能通信认知系统；S2.设多用户认知无线携能通信系统内的信息传输阶段包括第一持续时间间隙和第二持续时间间隙，在第一持续时间间隙中，次用户发射机分别向所有次用户接收机和主用户发射机传输信息，主用户发射机从信息中采集能量；在第二持续时间间隙中，主用户发射机基于收集到的能量，向主用户接收机传输信息；S3.对于次用户接收机中的任意一个次用户接收机k，基于次用户发射机发射的传输信息及IRS在第一持续时间间隙、第二持续时间间隙的反射相移矩阵，得到次用户接收机k接收到的信号，且确定次用户接收机k处的接收信干噪比和单位带宽下主用户发射机到主用户接收机的吞吐量；S4.基于次用户接收机k处的接收信干噪比，计算单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量；S5.基于单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量，计算次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和；S6.以次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和最大作为目标函数，以次用户发射机的发射功率、次用户接收机的信干噪比、主用户发射机到主用户接收机的吞吐量、第一持续时间间隙、第一持续时间间隙的IRS反射相移矩阵以及第二持续时间间隙的IRS反射相移矩阵为约束条件，对目标函数进行优化求解，得到次用户发射机到所有次用户接收机k的最大总吞吐量。2.根据权利要求1所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，其特征在于，次用户发射机配备M根天线，并设有稳定电源，K个次用接收机、主用户发射机和主用户接收机均配备单根天线，设IRS包括N个无源反射单元，每一个无源反射单元的幅度均为1，次用户发射机到IRS之间的信道为次用户发射机到次用户接收机k之间的信道为次用户发射机到主用户发射机的信道为IRS到次用户接收机k的信道为IRS到主用户发射机的信道为IRS到主用户接收机的信道为主用户发射机到主用户接收机的信道其中，表示x
×
y维度的复值矩阵集合，的指数表示复值矩阵的维度，且每一个信道的信道状态信息均已知。3.根据权利要求2所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，其特征在于，在步骤S3中，设多用户认知无线携能通信系统内的信息传输阶段的持续时间为T，第一持续时间间隙为τ，第二持续时间间隙为T
‑
τ，IRS在第一持续时间间隙τ中的反射相移矩阵表示为：Θ1＝diag(φ
1H
)其中，φ1＝[q
1,1
,...,q
N,1
]
H
,β
n,1
∈[0,1]和θ
n,1
∈[0,2π)分别为IRS在第一持续时间间隙τ中第n个反射单元的幅度和相移；
IRS在第二持续时间间隙T
‑
τ中的反射相移矩阵表示为：Θ2＝diag(φ
2H
)其中，φ2＝[q
1,2
,...,q
N,2
]
H
,β
n,2
∈[0,1]和θ
n,2
∈[0,2π)分别表示IRS在第二持续时间间隙T
‑
τ中第n个反射单元的幅度和相移。4.根据权利要求3所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法，其特征在于，在第一持续时间间隙τ时，次用户发射机发射的信号表示为：其中，s
k...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广驰，乐文英，崔苗，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：