[发明专利]智能反射面辅助的短包无线通信与能量传输系统优化方法

说明书

本发明公开了一种智能反射面辅助的短包无线通信与能量传输系统优化方法,通过考虑无线信息传输和无线能量传输两个阶段都使用短包传输，首先给出了智能反射面辅助的无线能量传输支持的超可靠低时延系统中信噪比的统计特征；然后，推导了系统平均包错误概率的近似表达式；最后，优化了无线信息传输阶段和无线能量传输阶段的信道使用数量，以最大化系统有效吞吐量。在该系统中，发射机和接收机均配备单根天线；本发明考虑了实际物联网系统中无线信息传输和无线能量传输的短包传输场景，不仅对系统平均包错误概率进行了性能分析，还优化了系统有效吞吐量，对工程实践具有指导意义。

技术领域

本发明属于超可靠低时延通信网络技术领域，具体涉及一种智能反射面辅助的短包无线通信与能量传输系统优化方法。

背景技术

随着5G通信网络的部署落地，物联网应用已涉及交通、农业、工业等各个领域，所产生的数据呈指数级增长。然而，超大规模设备连接给网络的时延需求以及能量供应带来巨大挑战。此外，绝大多数物联网应用都需要超可靠低时延通信。例如，智能化工厂可容忍的最大通信时延从250μs到10ms不等，最大可容忍的错误概率为10^-9。因此，物联网可能需要有限长编码的短数据包来减小物理层时延。另一方面，物联网设备通常是由有限能量供应的电池供电，然而频繁为这些大规模部署的设备更换电池是相当不现实的。目前，射频能量收集技术已经成为延长低功耗物联网设备寿命的有效解决方案。携带能量收集电路的低功耗设备可以从射频信号中获得能量，用以维持自身运转和数据传输。此外，无线能量传输技术支持的物联网系统由于固有的小数据负载和低时延需求，可能更喜欢专门使用短包进行能量传输。然而，随着未来无线通信使用的频段越来越高，现实中存在的障碍物将轻易阻挡数据或能量信号的传输，导致无线数据信号传输或无线能量信号传输中断。因此，由于未来5G通信系统对高可靠低时延的需要，寻找克服无线传输信道因遮挡而中断的方法是非常有必要的。

近年来，智能反射面受到工业界和学术界的广泛关注，这是由于智能反射面可以通过调节自身器件单元相位或幅度响应来控制无线传播环境，这可以显著提高系统的频谱和能量效率。智能反射面包含大量无源低成本反射元件，并且每一个器件单元都可以独立地控制入射信号，通过叠加或者消除进行信号功率增强或共信道干扰消除，从而大大增加系统性能。由于智能反射面只被动反射入射信号，因此相对于传统有源中继，可以节省更多的经济成本和能量消耗，并且可以在不需要干扰消除的情况下工作在全双工模式。然而，目前的很多工作只考虑了智能反射面辅助的无限包长度数据通信性能分析或资源优化，而没有考虑无线能量传输技术支持的智能反射面辅助的高可靠低时延通信系统的性能分析及优化，这对于未来物联网系统是非常重要的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种智能反射面辅助的短包无线通信与能量传输系统优化方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种智能反射面辅助的短包无线通信与能量传输系统优化方法，包括以下步骤。

A1、对基站-智能反射面-设备-智能反射面-基站的级联信道增益的统计特性进行近似，获得相应的概率密度函数以及累积分布函数；

A2、推导系统平均包错误概率的近似闭式表达式；

A3、利用所获得的包错误概率，以及无线信息传输和无线能量传输阶段的信道使用约束，建立系统吞吐量最大化问题；

A4、寻找无线信息传输和无线能量传输阶段的最优信道使用数量，进而获得系统最大吞吐量。

具体地，在步骤A2中利用Q函数的线性化近似获得一个可表达的闭式表达式。

进一步地，在步骤A4中利用遗传算法快速找到所求优化问题的解，通过与穷举搜索算法对比，验证遗传算法所获得解的有效性。

本发明的有益效果是：