【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及信息通信领域，具体是智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法。
技术介绍
1、近年来，物联网技术飞速发展，伴随着物联网技术在智能家居、智能城市等方面的广泛应用，物联网中的无线设备数量也呈现爆炸性增长。无线终端设备通常依靠内置的电池供电，其使用时长通常受到电池存储电量的限制。对于物联网中大规模部署的低功耗设备，例如传感器，其分布地点丰富多样，电池的更换不方便，更换需要的人力与物力成本较高[bi s,zeng y,zhang r.wireless powered communication networks:an overview[j].ieee wireless communications.2016,23(2):10-18.]。为了解决这类设备的充电问题，无线供电通信网络(wireless powered communication network,wpcn)应运而生。经典的wpcn由一个可以提供通信接入服务、同时也能稳定供给能量的混合接入点(hybridaccess point,hap)和一些需要从外界获取能量的通信设备组成。wpcn中的一个完整的通信过程可分为能量传输(wireless power transfer,wpt)阶段和信息传输(wirelessinformation transfer,wit)阶段。wpt阶段hap发送能量信号为无线设备供能，无线设备在wit阶段利用收集的能量向hap发送信息。目前在wpcn的相关研究中，主要工作集中在下行wpt与上行wit的时间分配、波束赋形和发送功率等的联
2、智能反射表面(intelligent reflecting surface,irs)是一种成本低廉的无源设备，其没有射频单元和基带处理电路，仅反射无线信号，反射单元能够独立地控制入射信号振幅和相移，从而实现对无线环境的智能控制[wu q,zhang r.towards smart andreconfigurable environment:intelligent reflecting surface aided wirelessnetwork[j].ieee communications magazine.2020,58(1):106-112.]。irs可灵活部署在建筑物表面、室内墙面和天花板等地方。在wpcn中部署irs，有助于消除覆盖盲区，提高能量和信息的传输效率[gong s,lu x,thoang d,et al.toward smart wirelesscommunications via intelligent reflecting surfaces:a contemporary survey[j].ieee communications surveys&tutorials.2020,22(4):2283-2314.]。已有不少文献对利用irs增强wpcn性能进行了研究。例如，文献[cao h,li z,chen w.resource allocationfor irs-assisted wireless powered communication networks[j].ieee wirelesscommunications letters.2021,10(11):2450-2454.]研究irs辅助tdma-wpcn系统的优化问题。通过采用交替优化、凸差规划、基于惩罚的方法和逐次凸逼近(successive convexapproximation,sca)方法，求解能量波束赋形、irs相移和时间分配的联合优化问题，最大化系统和速率。文献[song d,shin w,lee j.a maximum throughput design forwireless powered communication networks with irs-noma[本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(1)所述通信系统包括HAP、IRS和K个单天线用户，HAP配置M根天线，IRS包含N个反射单元，在IRS的辅助下，HAP通过下行链路向用户发送能量信号，用户利用收集的能量通过空分多址接入的方式向HAP发送信息。
3.根据权利要求2所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：在所述通信系统中一个完整的通信过程的时长为T，τ(0≤τ≤1)为时间分配系数，则下行能量传输WPT阶段的时长为τT，上行信息传输WIT阶段的时长为(1-τ)T，设所有信道均为准静态平坦衰落信道，且上行和下行链路的信道满足互易性，HAP已知所有信道的信道状态信息。
4.根据权利要求1或2或3所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(2)所述数学模型包括对下行能量传输阶段用户接收到的信号与收集到的能量、上行信息传输阶段HAP接收到的信号、HAP解码用户消息时的
5.根据权利要求4所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(2)优化数学模型以最大化最小的用户可达速率为目标在HAP最大发射功率Pmax的约束下，联合优化HAP发射和接收波束赋形w0与wk、IRS的相移矩阵Θ0和Θ1、用户发送功率Pk和时间分配系数优化问题构造为
6.根据权利要求1或5所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(3)所述第1层优化问题为在τ的取值范围内利用一维搜索算法寻找使得最小速率最大的τ，记给定τ下优化后的最小用户速率为Ropt(τ)，则第1层优化问题表示为
7.根据权利要求6所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(3)所述求解两层优化问题具体算法为：设置初始搜索区间[a,b]，其中a＝0，b＝1，搜索精度ε1，区间内搜索的内部点τ1＝b-0.618(b-a)，τ2＝a+0.618(b-a)，将τ1和τ2代入到第2层优化问题的得到最优解Ropt(τ1)和Ropt(τ2)，比较Ropt(τ1)和Ropt(τ2)的大小，选择较小函数值对应的点作为新的搜索区间边界，重复进行上述计算、比较和更新搜索区间的步骤，直到搜索区间的范围达到预设的搜索精度，此时最优的τopt为搜索区间的中点，Ropt(τopt)为最小用户速率的最大值。
8.根据权利要求7所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(5)所述将第2层优化问题分解为两个交替迭代优化的非凸子问题，在τ为定值时，Rk＝(1-τ)log2(1+γk)的大小取决于γk，因此最小速率最大化问题转化为最小信干噪比最大化问题，即
9.根据权利要求8所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：所述第2层优化问题的第1个子问题用其等价的凸约束替换，转换为如下的凸问题：
10.根据权利要求9所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(5)求解第2层优化问题交替迭代优化算法具体为：第一次迭代时设置初始迭代次数n＝0，误差容忍度ε4；固定和求解第1个子问题，得到给定求解第2个子问题，得到将本次迭代得到的最小用户速率与上一次迭代得到的最小用户速率进行比较，判断迭代是否收敛，若未收敛则进行下一轮的迭代，否则结束迭代。
...【技术特征摘要】
1.智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(1)所述通信系统包括hap、irs和k个单天线用户，hap配置m根天线，irs包含n个反射单元，在irs的辅助下，hap通过下行链路向用户发送能量信号，用户利用收集的能量通过空分多址接入的方式向hap发送信息。
3.根据权利要求2所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：在所述通信系统中一个完整的通信过程的时长为t，τ(0≤τ≤1)为时间分配系数，则下行能量传输wpt阶段的时长为τt，上行信息传输wit阶段的时长为(1-τ)t，设所有信道均为准静态平坦衰落信道，且上行和下行链路的信道满足互易性，hap已知所有信道的信道状态信息。
4.根据权利要求1或2或3所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(2)所述数学模型包括对下行能量传输阶段用户接收到的信号与收集到的能量、上行信息传输阶段hap接收到的信号、hap解码用户消息时的信干噪比与用户消息的可达传输速率进行建模；
5.根据权利要求4所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(2)优化数学模型以最大化最小的用户可达速率为目标在hap最大发射功率pmax的约束下，联合优化hap发射和接收波束赋形w0与wk、irs的相移矩阵θ0和θ1、用户发送功率pk和时间分配系数优化问题构造为
6.根据权利要求1或5所述智能反射表面辅助无线供电多用户通信系统的优化方法，其特征在于：步骤(3)所述第1层优化问题为在τ的取值范围内利用一维搜索算法寻找使得最小速率最大的τ，...
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