有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法技术方案

本申请提供一种有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，该方法包括如下步骤：构建有源智能反射面辅助无线携能通信系统模型；基于有源智能反射面辅助无线携能通信系统模型，计算有源智能反射面辅助无线携能通信系统的能量效率；建立有源智能反射面辅助无线携能通信系统的能量效率的优化问题；针对优化问题，进行多变量解耦联合优化处理。本申请提升无线携能通信系统的能量效率。升无线携能通信系统的能量效率。升无线携能通信系统的能量效率。

【技术实现步骤摘要】
有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法


[0001]本申请涉及无线通信
，尤其涉及一种有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着各种智能终端设备广泛应用以及应用场景的多样化，无线通信技术取得了飞速进步。到了第五代移动通信系统时，移动通信网络的数据速率相较于4G大幅提升，基本满足了当今社会对移动通信速率的需求。在此背景下，各国于2020年正式进入5G时代，5G技术商业化开发成为国际社会广泛关注的热点。与4G相比，5G速度更快、时延更低、容量更大，为人们提供更佳的通信体验，对促进数字经济发展发挥积极作用。各国政府和运营商已投入大量资源推动5G发展，预计未来几年将有更多5G基站投入使用，5G网络将在更广泛的区域内实现覆盖。同时，随着5G技术成熟和应用场景拓展，将涌现更多5G应用，如自动驾驶、智能制造、虚拟现实等，为我们的生活带来更多便利和改变。然而，面临5G时代业务量需求急剧增加和大规模物联网设备接入的情况下，仍面临着一个严峻问题，即如何缓解能量消耗。5G相对于4G其功耗增加非常大，而在未来的5.5/6G时代，这种情况将会更加严重。因此，在满足未来通信业务需求的同时降低能量消耗已成为亟待解决的问题，即如何实现绿色通信，提高移动通信系统的能量效率和获取利用更清洁的能源。
[0003]随着物联网的快速发展，智慧交通和智慧城市等应用场景给无线终端设备带来了许多挑战，包括电池容量和续航问题。这些问题直接影响通信网络的质量和寿命。对于大多数物联网设备而言，由于它们通常具有更小的电池并且与访问节点频繁交互，能耗成为其不可避免的问题。通常情况下，这些设备是由工作时间有限的电池进行供电，虽然可以用替换或给电池充电来解决，但也存在着成本较高的问题。所以，为了解决能源供给的难题，考虑从周围环境中收集能量来为无线智能终端设备提供持久的能源。这种解决方案包括利用风能、太阳能等清洁能源。这些清洁能源可以通过各种设备来捕捉，如太阳能电池板和小型风力涡轮机。此外，这种能量收集技术还可以减少对化石燃料的依赖，从而减少对环境的负面影响。能源收集技术也可以提高能量利用效率，使能源的使用更加可持续。然而，受气候变化、地域差异等因素的影响，能源资源通常是不稳定的、难以预测的，很难为设备提供稳定、可持续的能源。随着近年来对射频能量收集技术的发展，可以将接收到的射频信号通过转化，并以电能的形式存储下来为设备的持续工作提供保障，现有技术中提出了能够使设备同时对射频信号进行信息解码和能量收集的无线携能通信技术，而这可大大提高射频信号的能量利用率，也就是提升了整个通信系统的能量效率，而这也正是呼应了能量效率(EE)在5.5/6G网络的性能指标中具有很高的优先级。
[0004]具体来说，在2008年，SWIPT(无线携能通信)技术首次被提出，这种技术实现了信息和能量的同时传输。初期关注在无线通信中信息传输速率和能量采集之间的平衡问题。为了达到这种平衡，提出了信息
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能量函数的概念，以帮助优化无线通信系统的性能。但是，由于接收端对接收端的要求不一样，且接收端的能量与接收端的门限也不一样，造成了很
大的困难。目前，提出了多种新型接收机，如分体型，时隙切换，功率分割等接收机，以此来降低这些问题的难度。其中，时隙切换和功率分割已经得到广泛研究和应用。
[0005]针对SWIPT(无线携能通信)系统的设计，对不同的接收机架构的方案进行了分类研究。目前提出了基于多用户多输入单输出(MISO)功率分割的SWIPT系统的联合波束形成器和功率分割比优化，并提出了一种基于半定规划(SDP)的算法，用于在给定的信干噪比(SINR)以及收获功率阈值约束下使得发射功率最小化。还运用分体型接收机方案的SWIPT系统，通过设计基站处发射波束成型优化方案，实现了在保证信息用户QOS约束的条件下，最大化能量用户的接收加权总功率。另外，为了实现通信系统速率的明显提升，设定MIMO
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SWIPT通信场景采用时隙切换接收机方案，设计了一种动态时隙切换接收机结构。在此基础上，进一步研究了目前广泛使用的线性能量收集和非线性能量收集两种模式下的最大信息速率。
[0006]目前，要想提高通信系统的能量效率，已证明SWIPT是一种有效的技术。但是，可以预见的是未来对提升资源利用率、能效以及通信系统的合理性方面会有更高的要求。将无线携能通信技术与其他新技术相结合，例如无人机辅助通信
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[24]、可重构智能表面、非正交多址和认知无线电
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[27]。这些技术的相结合可以进一步提高资源利用效率和系统通信质量。具体来说，尽管SWIPT在能效(EE)和电池寿命方面获得了显著的性能，但由于路径损耗的散射和衰减，其实际实现受到无线功率传输效率低下的高度限制。克服这些限制并获得全部SWIPT潜力的一个技术上可行的解决方案是利用能量波束成形。在所有可能性中，例如大规模多输入多输出(MIMO)技术，其中发射机配备了数百个小型天线，可以向用户设备(UE)提供极端波束。因此，大规模MIMO与SWIPT的结合可以提供替代性的性能增强。大规模MIMO是5G及其他无线通信网络的关键技术。具有将能量射向期望的空间区域的能力可以补偿所经历的传播损耗。此外，高效的功率传输、强的能量方向性、高的空间分辨率和强的鲁棒性等许多优点使多输入多输出系统有吸引力与SWIPT相结合，以提高系统传输效率。
[0007]同时，EE是大规模MIMO网络系统级分析的基本标准，由可实现的和速率与总功耗的比率来描述。然而，为基站(BS)配备更大量的天线会提高可实现的数据速率。另外的天线部署增加了电路功率，这种额外的能源消耗激发了对节能系统设计的需求。近年来，对基于SWIPT的大规模MIMO系统的EE改进，提出了一个部署支持SWIPT的大规模MIMO系统的通用框架，实现了大规模MIMO系统与SWIPT的潜在结合。还研究了大规模MIMO无线通信系统中的上行链路和速率最大化问题。基于用户端的服务质素约束，推导出一个渐近最佳的闭式下行链路(DL)动力传输，以达到最大最小UL资料传输率。还研究了基于SWIPT系统的单小区多用户多输入单输出情景下的DL发射功率最小化问题。该研究在服务质量约束下，包括ID用户的最小最坏情况数据率和EH用户的总收获功率，最小化了BS传输总功率。虽然制定了联合信息解码和能量收集元件最佳化问题，但没有研究电路功耗的影响，这可能会误导对系统的能量效率的分析。现有技术中还提出了一种联合功率分配和分裂方法，旨在最大化基于SWIPT的多链路干扰信道系统中所有用户的最小信干噪比(SINR)。还提出了一种MISO
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SWIPT系统，其中波束成形和PS(功率分割比)被联合设计以最大化EE。同时，采用了迫零波束成形方案来降低计算复杂度。
[0008]同样的，由大量无源超材料元件组成的智能反射表面(RIS)或可重构智能表面(RIS)已成为一种成本高、能效高的解决方案，以释放未来无线网络的潜力。具体地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：构建有源智能反射面辅助无线携能通信系统模型；基于有源智能反射面辅助无线携能通信系统模型，计算有源智能反射面辅助无线携能通信系统的能量效率；建立有源智能反射面辅助无线携能通信系统的能量效率的优化问题；针对优化问题，进行多变量解耦联合优化处理。2.根据权利要求1所述的有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在于，所述有源智能反射面辅助无线携能通信系统模型的组成部分包括一个具有N个反射单元的有源智能反射面、一个具有M根天线的基站以及K个单天线用户。3.根据权利要求2所述的有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在于，有源智能反射面的无线携能通信网络系统的能量效率的计算公式为：其中，λ
EE
表示有源智能反射面的无线携能通信网络系统的能量效率；r
k
表示用户k处的信号干扰噪声比；P
tatal
表示整个系统的总功耗。4.根据权利要求3所述的有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在于，建立有源智能反射面辅助无线携能通信系统的能量效率的优化问题如下：其中，ρ表示功率分割比；Φ表示有源智能反射面处的反射系数矩阵；f表示用户的波束成型向量。5.根据权利要求1所述的有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在于，多变量解耦联合优化处理的方法为：采取交替优化和连续凸近似方法对初始的优化问题进行分解，获得多个子问题，再对各个子问题进行高效率求解。6.根据权利要求1所述的有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在于，针对优化问题，进行多变量解耦联合优化处理的方法包括：对基站处的波束成型矩阵进行优化；对有源智能反射面处反射系数矩阵进行优化；对功率分割比进行优化。7.根据权利要求6所述的有源RIS辅助无线携能通信系统的能量效率优化方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，雷雪梅，宋凯鹏，王磊，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：