[发明专利]IRS辅助的SWIPT系统中基于能效优先的波束成型优化方法

说明书

本发明公开了IRS辅助的SWIPT系统中基于能效优先的波束成型优化方法。本发明步骤如下：步骤1、IRS辅助的SWIPT系统的场景假设与建模；步骤2、设计最佳接收端能量门限值；步骤3、固定IRS相移矩阵设计有源波束成型向量；步骤4、固定有源波束成型向量设计IRS相移矩阵。本发明IRS辅助的SWIPT系统可以显著降低系统能量收集接收端的能量阈值。IRS能够有效提升SWIPT系统能量收集与信息解码的效率，当IRS反射阵源数与发送端天线数均为最大值时，系统可达最大能效。

技术领域

本发明属于信息与通信工程领域，提出了智能反射面(Intelligent ReflectingSurface,IRS)辅助的无线携能通信(Simultaneous Wireless InformationandPowerTransfer,SWIPT)系统中基于能效优先的发送端多天线有源波束成型与智能反射面无源波束成型的优化方法。该方法有效提升了SWIPT系统能量收集与信息解码的效率，并且可以显著降低系统能量收集接收端的能量阈值，提升系统的整体能效。

背景技术

智能反射面(IRS)是由多个低成本可重构无源反射单元构成的平面阵列，以一个软件控制器协调其工作模式，其中每个元件均可以控制入射电磁波的反射角和反射强度，从而实现对反射信号的相位和幅度进行控制，使反射电磁波独立产生相移，形成满足差异化通信需求的三维无源波束。IRS单元通过控制入射信号的幅度和(或)相位反射入射信号，从而协同实现细粒度的三维波束成形，用于定向信号的增强和抵消。虽然5G物理层技术通常能够适应无线环境的变化，但信号的传播本质上是随机的，很大程度上是不可控的。而智能反射面可以通过软件控制反射，来重构无线传播环境。具体地说，IRS是由大量低成本无源反射单元组成的平面，每个单元可以独立改变入射信号的振幅或相位，从而协同实现细粒度的三维波束成形。IRS通过可控的反射修改了无线信道环境，为无线通信提供了一个新的自由度，为实现智能可编程无线环境铺平了道路，这与现有的发射机/接收机无线链路配置形成了鲜明对比。由于IRS不使用射频链(一种成本高能耗大的器件)，并且工作距离短，成本低、能耗低，因此可以密集部署，不需要考虑IRS之间的干扰管理。

IRS在传统多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统中的部署可以是在协助多天线发射机和用户之间的通信的系统中部署一个IRS。信号从发射器发出，发射机和用户之间可能存在通信的直接路径，并且在发射机上进行波束成型以改善用户的信号接收。同时，由于无线信道的广播性质，信号也被IRS接收，此时IRS将反射该信号，借助于IRS控制器，可以控制反射的主方向。特别是，在所有的元表面上引入适当的相移，以建设性地创建它们各自散射的信号的相干组合，从而创建聚焦于用户的信号束，表面越大，光束就越窄，这种策略也被称为能量聚焦。另一方面，如果由于严重阴影或阻塞而不存在直接路径，则发射机应该执行相对于IRS的波束成形。然后，IRS可以充当非放大继电器，将事件信号反射并聚焦到用户，以协助端到端通信。

IRS辅助的多输入单输出(Multiple Input Single Output，MISO)的无线携能通信(SWIPT)系统中传输天线的设计，采用IRS简化发射机结构。为避免大型系统线性整数问题(Linear IntegerProblem,LIP)的高复杂度，可以引入IRS反射系数设计的元素-元素迭代策略。由IRS辅助的SWIPT系统中发送端有源波束成型与IRS侧无源波束成型联合设计，经过联合优化，能最大限度地减少发送端的发射功率，同时需要受限于信息接收端的信干噪比(Signal to Interference andNoise Ratio,SINR)约束和能量收集约束。将IRS技术和MISO SWIPT技术相结合，是通信感知一体化的结果，目前已经受到了研究人员的广泛关注。

发明内容