[发明专利]基于智能反射面的无线携能通信系统鲁棒资源分配方法

说明书

本发明涉及一种基于智能反射面的无线携能通信系统鲁棒资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：构建基于IRS辅助的无线携能下行传输系统模型；S2：考虑能量中断概率约束、吞吐量中断概率约束、能量站最大发射功率约束和子载波分配约束，构建总能效最大化资源分配问题；S3：利用Bernstein近似方法将概率约束转化为确定性约束，然后利用Dinkelbach方法、子载波匹配方法和交替优化方法，将确定性非凸优化问题转化成凸优化问题；S4：采用基于迭代的鲁棒波束成形方法，得到使系统总能效最大化的参数。本发明能有效提高系统能效、降低中断概率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于智能反射面的无线携能通信系统鲁棒资源分配方法。

背景技术

随着物联网技术快速发展，物联网设备分布在生活的方方面面。然而，如何维护大规模能量受限设备运行是物联网发展的一个关键挑战。无线携能通信网络被认为是解决物联网设备能量短缺问题的有效技术之一。该技术充分利用电磁波的辐射特性，允许物联网设备优先收集空间中的射频信号，然后再与信息接收机通信，从而达到延长物联网设备运行寿命的目的。然而，在无线携能通信网络中，无线设备的上行信息传输性能极度依赖于下行能量传输效率，由于能量传输存在路径损耗，限制了通信性能。因此，目前国内外学者对无线携能通信网络资源分配进行初步研究，包括单天线混合基站供电多用户场景下联合优化传输时间和发射功率，来最大化系统吞吐量；用户间相互协作通信机制下通过联合优化时间和发射功率实现加权和速率最大化。

然而，在实际大规模物联网通信场景下，由于复杂的通信环境，无线设备随机性部署，导致能量传输链路极易遭受遮蔽效应影响。而智能反射面(Intelligent ReflectingSurfaces,IRS)作为一种新兴技术应运而生。具体地说，智能反射面使用大量集成在表面上的无源反射元件控制入射信号的幅度或相位，可增加能量站的覆盖范围和提升无线携能通信系统能量传输效率。鉴于此，基于IRS的辅助无线携能通信网络在学术界得到广泛关注。目前对IRS与无线携能通信网络的研究包括引入IRS辅助能量传输和信息传输，通过联合优化传输时间和无源波束成形矩阵，最大化系统和速率；联合优化单天线混合基站的波束成形向量和IRS的无源波束成形矩阵来最大化多用户系统吞吐量。尽管当前专家学者为IRS辅助的无线携能通信系统做出很大贡献，但并未考虑到无线携能通信系统的能量效率的问题和信道参数不确定性带来的影响。一方面IRS属于无源器件，仅反射信号，不具有信号发送和接收功能，因此无法进行精确的信道估计。另一方面，完美信道状态信息过于理想，会导致用户中断概率增加。

因此，亟需一种能够考虑不完美信道状态信息下最大化系统能量效率的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于智能反射面辅助的无线携能通信系统鲁棒资源分配方法，考虑不完美信道状态信息和最大化能量效率，从而提高无线携能通信系统的鲁棒性，降低用户的中断概率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于智能反射面辅助的无线携能通信系统鲁棒资源分配方法，具体包括以下步骤：

S1：构建基于智能反射面辅助的无线携能下行传输系统模型；

S2：考虑能量中断概率约束、吞吐量中断概率约束、能量站最大发射功率约束和子载波分配约束，构建总能效最大化资源分配问题；

S3：利用Bernstein近似方法将概率约束转化为确定性约束，然后利用Dinkelbach方法、子载波匹配方法和交替优化法，将确定性非凸优化问题转化成凸优化问题；

S4：采用基于迭代的鲁棒波束成形方法，得到使系统总能效最大化的能量传输矩阵W、无线能量传输时间t₁、无线信息传输时间t₂、智能反射面反射系数向量v、子载波分配因子a_k,l和子载波传输功率p_k,l。