[发明专利]一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法及系统

权利要求书

1.一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建基于IRS的无线供能反向散射通信网络模型：当天线AP发送承载信息的信号给单天线主用户PU时，一部分无线信号能量被反射单元IRS接收到，该能量能够保存到能量存储器或用于反向散射通信，将IRS在一个时间块的运行，建模为一个简单的两阶段过程；

2)表述反向散射通信吞吐量优化问题：以单位带宽的反向散射通信吞吐量最大化为目标，以AP和IRS处的波束成形以及两阶段过程的时间分配为优化变量，对优化问题进行表述；

3)求解反向散射通信吞吐量优化问题和算法复杂性分析：通过将优化问题分解成两个易于解决的优化问题，进而问题通过调用SDR、AO和高斯随机方法完成求解，随后，对求解方案进行了复杂度分析；

4)仿真验证：使用数值仿真对提出的仿真进行验证，通过对比最大比传输、随机相位、随机时间和有源天线方案，证实提出方案的可行性和通信性能增益；

在第一阶段，PU处和SU处的信干噪比SINR由下式表示

其中P是AP的发射功率，是AP到PU的信道增益，是AP到SU的信道增益，w₁是第一阶段用于的信号的波束成形，和分别是PU处和SU处的高斯白噪声的方差；假定IRS处所收集的能量总和正比于接收信号的功率，即如下列关系式所示

E＝η(1-t)P||Hw₁||²，

其中是AP到IRS的信道增益，η是IRS的能量收集效率；

在第二阶段，环境无线信号s到达IRS时被调制成新的信号并被反向散射，本阶段PU处和SU处接收的信号s的表达式由下式表示

其中w₂是第二阶段AP的波束成形，和分别是PU和SU处的高斯白噪声，和分别是从AP到PU的和从AP到SU的信道增益，Ψ＝ΘΞ由反射系数矩阵Θ与调制矩阵Ξ决定；令其中l∈L＝{1,2,...,L}且α_l＝[0,2π]分别指IRS第l个反射单元的振幅和相位；推导出以下表达式

本阶段PU处和SU处的SINR由下式表示

第二阶段和第一阶段所收集能量，满足能量约束η(1-t)P||Hw₁||²≥tLμ，其中μ指反射元素单元的功耗；

联合优化AP和IRS处的波束成形以及两阶段过程的时间分配；该优化问题可表示为(P1)

s.t.η(1-t)P||Hw₁||²≥tLμ， (1)

其中Γ_p指PU处要求的SINR最小值，Θ_l,l指Θ的第l个对角元素；假定AP和IRS之间的信息交换足够顺畅，联合优化参数w₁、w₂、Θ和t使单位带宽的反向散射通信吞吐量最大化；

将问题P1分解为两个更便于解决的优化问题，即反向散射通信速率最大化和参数t和w₁的最优解。

2.根据权利要求1所述的一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法，其特征在于，无线供能反向散射通信网络模型包括一个N根天线的AP、一个单天线主用户PU、一个单天线次级用户SU和一个具有L个反射单元的IRS。

3.根据权利要求2所述的一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法，其特征在于，IRS在该时间块的运行可以建模为一个简单的两阶段过程，将该时间块分成前后两个时间段1-t和t；在第一时间段1-t内，IRS切换为能量收集模式，其接收的无线信号能量被收集并存储在其连接的能量存储器中；在第二时间段t内，先前存储的能量被用于维持IRS的反射元素运行。