[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

说明书

一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法及系统，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；2)表述反向散射通信吞吐量优化问题；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，对求解方案进行了复杂度分析；4)仿真验证。

技术领域

本发明属于无线供能反向散射通信技术领域，特别涉及一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法及系统。

背景技术

低功耗无线网络通信技术中的重要问题之一是能量限制与吞吐量最大化之间的关系。

无线能量收集技术能够使无线系统收集并存储无线环境中的信号能量，实现无源无线通信。另一方面，反向散射通信可以通过调制环境中的无线信号来发送自身的数据。最近，新兴的IRS技术为上述两种低功耗通信技术注入了新的活力。IRS是一种二维超表面，能够通过其反射单元来实时动态控制入射的电磁波特性，包括反射、传播/折射、聚焦/波束成形、极化、准直、分离和模拟处理等。IRS并没有配备有源射频链，通过被动运行，能够实现增强目的信号和抑制干扰的目标。目前，不少研究已经将IRS用于无线能量收集技术或反向散射通信当中。然而，这三种技术的有机结合尚无相关研究。此外，因IRS具有空间调制能力还被用来将反向散射通信与IRS相结合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法及系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于IRS的无线供能反向散射通信方法，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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；