[发明专利]基于IRS辅助分布式射频携能传输系统及用其提高能量收集效率的优化方法

说明书

本发明提供了IRS辅助分布式射频携能传输系统，包括智能反射面IRS、分布式射频信号发射器/基站BS、联合信息接收和能量收集用户EU，通过在智能反射面IRS形成被动反射波束，对来自多个分布式无线信号发射机的射频光束进行校准，以补偿信号的衰减。同时，还提供了上述系统在保证信息传输质量的前提下用来提高能量接收者中获得能量最小值的最大化优化方法，是通过联合设计IRS的被动波束成形矢量和多节点分布式射频信号发送器的主动波束成形矢量，能够应对射频无线信号传播过程中信号强度的急剧衰减所带来的挑战，是利用IRS辅助多节点分布式射频发送器发射的信息和能量信号，从而增强信息和能量接收器的信号强度。

技术领域

本发明属于无线充电的技术领域，特别是涉及基于IRS辅助分布式射频携能传输系统及用其提高能量收集效率的优化方法。

背景技术

6G物联网场景会存在数以亿计的低功耗的设备(例如，传感器)来感知环境数据。对于这些经常使用的设备，频繁更换电池和电线的供电方式十分不便利。为此，无线携能传输(SWIPT)技术，特别是基于射频(RF)传输的SWIPT，可以有效解决此问题。因此，基于RF的SWIPT技术已经引起了学术界和工业界的广泛关注。

然而，无线携能传输SWIPT需求激增的同时也面临着各种无线信道损害情况所导致的传输效率低下等技术问题，即基于距离的路径损失、阴影和衰落。在这种情况下，设计一种可减轻信号衰减的方法尤为重要，智能反射面(IRS)是一种很有前途的技术，通过在智能反射面IRS上形成被动反射波束，对来自信号发射机的能量光束进行校准，以补偿信号的高衰减。同时，多节点分布式的射频发射器可以缩短与能量接收器之间的物理距离，从而减轻由于距离带来的无线能量信号的传输损耗。因此，如何基于IRS辅助的多节点分布式无线充电技术，来提高无线充电效率成为重要的研究课题。

发明内容

技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明提出了基于智能反射面IRS辅助的多节点分布式无线携能传输系统下的最大化，进行实现的高能量收集效率的方法，即在IRS的帮助下，设计联合的无源和有源的射频传输成形波束来补偿SWIPT中信号的衰减，收集有效的能量，其目标是在保证信息传输质量的前提下实现能量收集用户中最小收集能量的最大化。

为了解决这一问题，通过交替固定两个变量，本发明将原问题转化为两个易于处理的子问题，并通过对信号波束形成向量和反射波束形成向量的交替优化，提出了一种高效的两层迭代算法来求解原问题。

本发明提出了基于IRS辅助分布式射频携能传输系统，包括智能反射面IRS、分布式射频信号发射器/基站BS、能量收集和信息接收用户EU，通过在智能反射面IRS形成被动反射波束，对来自多个分布式无线信号发射机的光束进行校准，以补偿信号的衰减，其中设置B个基站BS，S个智能反射面，表示为s∈S＝{1，2...，S}，以及B个单天线能量和信息联合接收用户，表示为

进一步地，其中每个EU被一个BS分配一个专用的信号波束，实现B个传输接收对。

同时，本发明还提供了基于IRS辅助分布式射频携能传输系统及用其提高能量收集效率的优化方法，具体为基于IRS辅助的携能传输系统用来提高最少能量接收者中获得能量值的优化方法，包括以下步骤：

(1)构建上述基于IRS辅助的信息传输和能量收集系统，并获得该系统的用户EU端的接收无线射频能量与信号的增益；

(2)建立智能反射面IRS辅助的多节点分布式无线携能传输系统模型和提出最大化能量接收者中获得能量最小值的优化问题；

(3)分别固定信号波束成形向量和固定反射波束成形向量，将步骤(2)中的问题转化为两个易于处理的子问题；

(4)采用主动波束成形和反射波束成形联合设计的交替优化算法求解。