联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及6G无线通信网络技术领域，公开了一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法及系统，包括：S1、基站将主链路信号发送给智能反射表面和多个集群，所述智能反射表面将所述主链路信号反射转发给多个所述集群，每个所述集群均包括一个接收机和多个BD设备；S2、多个所述BD设备在对应的时隙将接收到的主链路信号作为载波来调制并传输各自的物联网信息给对应的所述接收机，在传输时，将所述时隙分为两个阶段，在第一阶段所述BD设备进行无源的后向散射传输，同时采用无线供电技术收集能量，在第二阶段，所述BD设备通过收集到的能量进行有源的后向散射传输。本发明专利技术最大化系统后向散射链路的和速率并对抗了BD间干扰。向散射链路的和速率并对抗了BD间干扰。向散射链路的和速率并对抗了BD间干扰。

【技术实现步骤摘要】
联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及6G无线通信网络
，具体涉及一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的发展，高带宽、低时延为未来的万物互联提供了基础，但是物联网(Internet of Things，IoT)时代的到来也带来了一系列问题，比如海量的IoT设备接入无线通信网络中造成了极大的频谱资源占用，不仅浪费了大量的频谱资源，还一定程度上影响蜂窝用户之间的正常通信。另外，大量的IoT节点同时工作会带来巨大的能耗问题，当然这些基础设施的建设也会带来巨大的成本。
[0003]共生无线电(Symbiotic Radio,SR)是一种协作式的环境反向散射通信，具有高频谱效率、高能量效率和低成本的优势。该系统由两条主要的通信链路组成：主链路(蜂窝链路、WiFi等服务于用户)和次链路(IoT链路，传输物联网节点收集到的物联网信息)，次链路将自己的IoT信息调制到接收的主链路信号上，并通过无源的IoT设备(反向散射设备Backscatter Device,BD)将调制后的信息再反射给接收机(用户)，以达到物联网信息通信的目的。在这个过程中，次链路不仅共享了主链路的频谱，还共享了主链路的发射机也就是基站(Base Station,BS)和接收机(用户)等一系列基础设施，并且反向散射设备是无源的，不产生额外的能量资源消耗且成本低。因此共生无线电技术被看作是未来海量物联网设备接入无线通信网络最有效的解决办法之一。
[0004]同时，智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是一种具有高频谱效率、高能量效率及低成本的无线通信辅助技术，近年来引起了无线通信领域的广泛关注，被认为是下一代无线通信的关键技术之一。智能反射表面由大量低成本的无源反射单元构成，各个单元可以独立的调整其反射系数(包括幅度和相位)，通过对数学理论的优化，根据实际通信系统的需求智能地重构无线信道环境，以达到增强有用信号、抑制干扰信号以及保护安全隐私等目的。
[0005]专利号“202210198813.0”公开了“一种联合IRS技术和SR技术的物联网链路优化方法及系统”(称为“前案”)，利用了共生无线电和智能反射表面具有高频谱效率、高能量效率和低成本的优势，使次链路不仅共享了主链路的频谱，也共享了主链路的发射机和接收机等一系列的基础设施；并且通过引入的智能反射表面来动态调整基站与接收机、IoT设备之间的信道，增强有用信号、抑制干扰信号，二者相互配合，从而有效解决多用户场景下的共生通信系统中海量的IoT设备占用大量频谱资源，减弱信息传输速率，影响蜂窝用户通信的问题。并且，IoT设备是无源的，不产生额外的能量资源消耗。此外，该物联网链路优化方法还引入了用户匹配的策略和模型解算方法，在多用户场景下为每一个IoT设备匹配可达最优速率的接收机，从而使物联网信息传输的总速率在满足主链路最低传输速率需求的前提下达到最大，但是前案并没有考虑到如下情况：
[0006]目前存在多用户、大规模BD设备的场景，大规模BD设备的接入会加剧共生通信系
统的双重衰落效应(即由于BD设备的无源特性，导致基站
‑
BD设备及BD设备
‑
接收机的两条链路的衰落)，场景更复杂，容纳网络节点更多，在此种场景下，如何使后向散射链路的和速率最优，是急需解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法及系统，引入智能反射表面技术对无线通信环境进行智能地重构，在保证主链路蜂窝用户最低速率要求下，通过优化各个反射单元的反射系数，以增强后向散射链路的信息传输；同时考虑多用户、大规模BD场景，引入无线供电技术，采用NOMA+TDMA的接入方式，容纳大量的BD节点，并通过优化有源无源传输时间分配策略，使共生通信系统的后向散射链路的和速率达到最优，通过以上两种技术手段以保证共生通信系统在多用户以及大规模BD场景下发挥最大的优势。
[0008]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0009]一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，包括：
[0010]S1、基站将主链路信号发送给智能反射表面和多个集群，所述智能反射表面将所述主链路信号反射转发给多个所述集群，每个所述集群均包括一个接收机和多个BD设备；
[0011]S2、多个所述BD设备在对应的时隙将接收到的主链路信号作为载波来调制并传输各自的物联网信息给对应的所述接收机，在传输时，将所述时隙分为两个阶段，在第一阶段所述BD设备进行无源的后向散射传输，同时采用无线供电技术收集能量，在第二阶段，所述BD设备通过收集到的能量进行有源的后向散射传输。
[0012]作为优化，所述基站和智能反射表面采用TDMA的方式传输信息到所述接收机和BD设备，每个所述集群采用NOMA的方式传输信息到集群中对应的接收机。
[0013]作为优化，所述智能反射表面将所述主链路信号反射转发给多个所述集群的具体过程为：所述智能反射表面接收所述基站发送的主链路信号，并动态调控所述智能反射表面的各反射单元的反射系数，重构所述基站到所述集群的信道环境，重构完成后，所述智能反射表面将所述主链路信号发送给所述集群。
[0014]作为优化，所述接收机接收到的信号为：
[0015]y
m
＝
y
m+y
m
；
[0016][0017][0018]其中，y
′
m
代表第一阶段所述接收机接收到的信号，y
″
m
代表第二阶段所述接收机接收到的信号，x
m
表示基站发送给第m个集群中接收机的信息符号，c
m，n
表示第m个集群中第n个BD设备发送给接收机的信息符号，P＝||w||2为基站的发射功率，μ'
m
表示第一阶段中功率为σ2的零均值加性高斯白噪声，Φ＝diag{φ1,φ2,
…
,φ
Q
}表示智能反射表面的反射系数矩阵，w＝[w1,w2,
…
,w
R
]T
表示基站的有源波束赋形向量，为基站到第m个接收机之间的信道，为基站到第m个集群中的第n个BD设备之间的信道，为基站到智能反射表面之间的信道，为智能反射表面到第m个集群中的接收机之间的信道，为智能反射表面到第m个集群第n个BD之间的信道，Q为智能反射表面的反射
单元的数量，为第m个集群中第n个BD到该集群中的接收机之间的信道，α
m，n
代表第m个集群中的第n个BD设备的反射系数，α
m，n
∈[0，1]，P
m，n
代表第m个集群中的第n个BD设备的有源传输的传输功率，为第m个集群中的第n个BD设备在第一阶段收集到的能量，t为时隙长度，为第m个集群中的BD设备在第一阶段所占时隙比例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，包括：S1、基站将主链路信号发送给智能反射表面和多个集群，所述智能反射表面将所述主链路信号反射转发给多个所述集群，每个所述集群均包括一个接收机和多个BD设备；S2、多个所述BD设备在对应的时隙将接收到的主链路信号作为载波来调制并传输各自的物联网信息给对应的所述接收机，在传输时，将所述时隙分为两个阶段，在第一阶段所述BD设备进行无源的后向散射传输，同时采用无线供电技术收集能量，在第二阶段，所述BD设备通过收集到的能量进行有源的后向散射传输。2.根据权利要求1所述的一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，所述基站和智能反射表面采用TDMA的方式传输信息到所述接收机和BD设备，每个所述集群采用NOMA的方式传输信息到集群中对应的接收机。3.根据权利要求1所述的一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，所述智能反射表面将所述主链路信号反射转发给多个所述集群的具体过程为：所述智能反射表面接收所述基站发送的主链路信号，并动态调控所述智能反射表面的各反射单元的反射系数，重构所述基站到所述集群的信道环境，重构完成后，所述智能反射表面将所述主链路信号发送给所述集群。4.根据权利要求1所述的一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，所述接收机接收到的信号为：y
m
＝y
′
m
+y
″
m
；；其中，y
′
m
代表第一阶段所述接收机接收到的信号，y
″
m
代表第二阶段所述接收机接收到的信号，x
m
表示基站发送给第m个集群中接收机的信息符号，c
m，n
表示第m个集群中第n个BD设备发送给接收机的信息符号，P＝||w||2为基站的发射功率，μ'
m
表示第一阶段中功率为σ2的零均值加性高斯白噪声，Φ＝diag{φ1,φ2,
…
,φ
Q
}表示智能反射表面的反射系数矩阵，w＝[w1,w2,
…
,w
R
]
T
表示基站的有源波束赋形向量，为基站到第m个接收机之间的信道，为基站到第m个集群中的第n个BD设备之间的信道，为基站到智能反射表面之间的信道，为智能反射表面到第m个集群中的接收机之间的信道，为智能反射表面到第m个集群第n个BD之间的信道，Q为智能反射表面的反射单元的数量，为第m个集群中第n个BD到该集群中的接收机之间的信道，α
m，n
代表第m个集群中的第n个BD设备的反射系数，α
m，n
∈[0，1]，P
m，n
代表第m个集群中的第n个BD设备的有源传输的传输功率，为第m个集群中的第n个BD设备在第一阶段收集到的能量，t为时隙长度，为第m个集群中的BD设备在第一阶段所占时隙比例，μ
″
m
为第二阶段的加性高斯白噪声，服从均值为0、方差为σ的高斯分布。5.根据权利要求1所述的一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，在第一阶段：
第m个集群中的所述接收机接收到的主链路信号的信噪比为：第m个集群中的所述接收机接收到的主链路信号的传输速率的期望值为：其中，t为时隙长度，为第m个集群中的BD设备在第一阶段所占时隙比例，表示对后向散射链路传输符号取期望，c
m，n
代表第m个集群中的BD设备的物联网链路发送的信息符号，N为第m个集群中的BD设备的总数量；第m个集群中的所述接收机接收到的第n个BD设备的物联网信号的信噪比为：其中，K为物联网信息的符号的周期与主链路信息的符号周期的比例大小；第m个集群中的所述接收机接收到的第n个BD设备的物联网信息的传输速率为：第m个集群，第n个BD处进行能量收集的公式为：η为第二阶段的有源信息传输的能量比例，η∈(0，1)；在第二阶段：第m个集群中的所述接收机接收到的主链路信号的传输速率为：第m集群中，第n个BD设备与接收机之间的次链路的传输速率为：6.根据权利要求1所述的一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，在S2中，所述BD设备将接收到的主链路信号作为载波来调制并传输各自的物联网信息给对应的所述接收机之前，在保证主传输链路最低通信速率需求的前提下，基于基站的有源波束赋形向量w、智能反射表面的无源波束赋形的反射系数矩阵以及时间分配系数向量建立后向散射传输速率最大化模型并求解，以最大化所有后向散射链路的和速率。7.根据权利要求1所述的一种联合IRS和无线供电的系统后向链路优化方法，其特征在于，所述后向散射传输速率最大化模型具体为：P1:s.t.P≤P
max
,
其中，Φ＝diag{φ1,φ2,
…
,φ
Q
}表示智能反射表面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋清洋，豆舒楠，亓伟敬，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：