一种基于无线能量传输的双智能反射面辅助中继协作通信系统及工作方法

本发明提供一种基于无线能量传输的双智能反射面(irs，intelligentreflecting surface)辅助中继协作通信系统及工作方法，属于协作无线通信。

背景技术：

1、目前，人们对无线传输的需求持续增长，全球所部署的通信节点日益增多，在网络覆盖范围和容量提升的同时也带来了一系列问题，比如严重的同频干扰、更高的能源消耗和维护成本。采用先进的技术手段虽然可以应对爆发增长的无线传输需求，比如mimo(massive multiple input multiple output，多输入多输出)、毫米波通信甚至太赫兹通信等，但是这些技术的实施需要部署更多节点并安装更多的天线，势必会大幅增加系统的硬件成本以及信号处理的复杂性。在城市范围内，无线信号传播极易受到障碍物的阻挡，在丰富散射环境中，无线信号经过直射和多路径反射，多径信号在接收端叠加后会呈现出随机衰落的效果，并且无线信号的远距离传输会遭受严重的路径损耗。因此，在复杂通信环境中，接收端接收到的信号强度非常微弱且起伏不定，难以有效保障通信质量。智能反射面(irs)作为一种新型的无源可调节信号反射元件，可以重新配置无线传输环境，使得到达接收端的信号叠加后变得更强，有助于提高通信质量和系统容量。irs的部署可以优化无线通信环境，有效对抗信号衰落和干扰，并且它不需要对物理层标准进行大幅度修改就可以灵活地集成到现有的无线网络中，部署成本较低，有望在未来无线网络中发挥关键作用。

2、协作中继传输通过获得空时分集和多用户分集增益，有效提升通信的鲁棒性，扩展网络覆盖范围。传统的中继节点大多是需要外接电源的有源器件，所供给的能量非常有限，特别是在能量受限网络中，中继节点采用容量有限的电池供电。中继节点需要耗费自己的能量来完成数据转发任务，这对于某些中继节点是不公平的，因此中继节点更倾向于在不损耗自己能量的情况下协助源节点转发数据。为了实现能量的自给，学术界提出了多种能量收集策略，包括太阳能、热能、风能和动能等多种能量来源。基于电磁波的无线能量收集受到更为广泛的关注，这是因为，相对于突发和间断的能量来源，接收端可以指定发射端发送专属的能量信号，以实现按需能量收集，能量收集过程具有更好的预见性和确定性，更容易满足通信质量需求。swipt(simultaneous wireless information and powertransfer，无线携能通信)技术可以通过rf(radio frequency，射频)信号实现信息与能量的同时传输，同时满足能量受限设备的能量和数据传输需求，大幅延长网络的生命周期。各个通信节点通过收集特定rf信号的能量，并将所收集到的能量保存到电池或超级电容中，以实现数据采集和传输的目的，有助于减少碳排放，实现低功耗绿色通信，节约系统运营成本，提高通信系统的可靠性和可持续性。由于中继节点的能量收集和信息解码电路结构通常是分离的，因此eh(energy harvesting，能量收集)和id(information decoding，信息解码)元件可分别在时间和功率域内使用ts(time switching，时间切换)和ps(powersplitting，功率分裂)技术来完成。对于ts技术，分配一部分时间用于能量收集，剩余时间则用于信息解码；对于ps技术，接收端将所接收的信号按功率分成两个部分，一部分信号用于能量收集，另一部分则用于信息解码。

3、近年来，irs在协作无线通信系统以及swipt系统中的辅助应用引起了广泛关注。irs在传统中继网络中的部署为通信链路的稳定性提供了较强的保障，有助于克服距离较远或障碍物阻塞较多等不利的通信情形，扩展系统的覆盖范围，保障用户的通信质效。而在swipt系统中，irs对射频信号的处理可以减轻能量信号在复杂通信环境中的衰落，使能量接收机收集到更多能量，提高无线能量传输的效率。传统模型一般假设所部署的irs与系统内其他节点之间均存在视距链路，并没有充分考虑节点的随机位置分布和一些潜在障碍所带来的负面影响，这种假设在实践中不甚合理。在现有irs辅助协作通信系统中，中继节点大多采用电池供电，电池容量有限，一旦能量供应无法满足其通信要求时，就难以保证整个通信系统的可靠运行，甚至会造成系统瘫痪。所以，在irs辅助的协作中继通信中，通过引入无线能量传输，可以大幅延长中继节点的生命周期，irs的效用也可以得到更大程度的发挥。irs通过优化信号的传播环境，不仅能够提升信息传输的质效，还可以提高接收机能量收集效果，保障通信节点的持续能量供应。本发明考虑到障碍物、深度衰落、路径损耗等对通信环境的不利影响，在能量受限网络中实现高效的数据及能量传输，能够满足网络绿色通信、节点自适应性增强、网络覆盖范围扩展等需求，指导基于irs和swipt的中继传输系统设计和部署，具有重要的理论意义和应用价值。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种新颖的基于无线能量传输的双irs辅助中继协作通信系统及工作方法，中继的能量供应全部来自从源节点所收集的rf能量。相比于现有的irs辅助中继系统或单irs辅助的swipt系统进行信息中继或者能量收集的方法，本发明可以将irs的优势在中继协作通信系统中得到更大程度的发挥，提高rf能量的收集效率及端到端信息成功传输概率，大幅提升系统的遍历容量，扩大通信覆盖范围。

2、为了保证第一跳信号的成功传输，本发明将第一个irs部署在源节点和中继节点之间，这样不仅可以增加中继节点所收集到的能量，还可以在第一跳获得协作分集增益，提升信息传输的鲁棒性。中继节点采用ts或ps技术获取rf能量并对源数据进行解码，如果中继节点解码源数据成功则转发数据给目的节点，如果中继节点解调源节点数据失败，则无法进行数据的转发。第二个irs被部署在中继节点和目的节点之间，用于辅助中继节点在第二跳将数据转发到目的节点，改善第二跳的信号传播环境，提高第二跳的信号传输质效。由于中继节点所收集到的能量有限，转发数据时中继节点仅依赖其在第一跳所收集的全部能量，因此在第二跳上部署irs可以减少信号在传输过程中的衰落，提升中继传输的可靠性，有助于克服中继节点能量受限的困境，从而保证目的节点的接收信号强度能够满足通信质量要求。

3、本发明的技术方案为：

4、一种基于无线能量传输的双智能反射面辅助中继协作通信系统，由一个源节点(s)，一个中继节点(r)，一个目的节点(d)和两个智能反射面(irs)组成，源节点、中继节点、目的节点均安装一根全向天线并且采用半双工方式工作；

5、两个智能反射面分别为irs1、irs2，irs1、irs2之间有障碍，irs1部署在源节点和中继节点之间，irs2部署在中继节点和目的节点之间，以便于irs逐跳辅助信号的传输和中继节点的能量收集。调节irs的每个反射单元以实现最佳相移和并保证最大反射振幅，以便将信号传播环境调至最优；

6、源节点和目的节点具有稳定的能量供应，比如它们可以连接到电网或者采用大容量电池供电，中继节点的能量有限，需要从源节点所发送的射频(rf)信号中获取能量维持供电，并根据解码转发(decode and forward，df)协议将源数据转发到目的节点。

7、优选的，中继节点同时具有能量收集、信息解码、信息传输的功能；在基于ps的中继协议中，每个时间块包含t秒，将被分成两个持续时间相等的阶段；其中，第一个阶段用于从源节点(s)到中继节点(r)的无线携能通信(swipt)，第二个阶段用于从中继节点(r)到目的节点(d)的数据转发；

8、通过ps因子ρ可将第一阶段接收到的信号分为两个部分，分别用于中继节点的能量收集(eh)和信息解码(id)；在基于ts的中继协议中，通过ts因子α将一个时间块进行分割，首先前αt秒用于能量收集(eh)，剩下的时间被分成两个相等的部分，其中第一个(1-α)t/2用于中继节点的信息解码(id)，第二个(1-α)t/2用于从中继节点(r)传递到目的节点(d)的数据；只有当中继节点(r)正确解码源数据时才能将数据传输到目的地，否则将不会在分配的时间内转发数据。

9、优选的，源节点s到中继节点r，源节点s到irs1以及irs1到中继节点r的信道系数分别记作hsr，hsi和hir，中继节点r到目的节点d，中继节点r到irs2以及irs2到目的节点d的信道系数分别记作grd，gri和gid；

10、假设所有链路都经历独立的小规模衰落和大规模衰落，小规模衰落遵循瑞利分布，大规模衰落主要为路径损耗；第一跳链路各个信道系数可以表示为hsr＝ksrlsr，hsi＝ksilsi，hir＝kirlir，其中p∈{sr,si,ir}表示大规模衰落系数，dp表示s→r,s→irs1，以及irs1→r的距离，r表示路径损耗指数；类似地，第二跳链路各信道系数可以表示为grd＝krdlrd，gri＝krilri，gid＝kidlid，用q∈{rd,ri,id}表示大规模衰落的路径损耗，dq是r→d,r→irs2，和irs2→d的距离；ksr，krd，以及均为均值为零，单位方差为零的圆对称复高斯随机变量，用于表示小规模衰落系数；

11、将数据传输时间划分为等长的时间块，每个时间块的长度记作t；每个信道的小规模衰落在每个时间块中保持不变，但在不同的时间块中独立变化，不同信道的小规模衰落是相互独立的；在数据传输过程中，节点的位置是固定不变的，因此大规模路径损耗在每个时间块中也是不变的。

12、优选的，对于基于ps的能量收集和中继传输协议，s在时间块的前半段同时向r和irs1发送射频(rf)信号，irs1将所接收到的入射信号经过相位优化处理后反射给r；r在第一跳接收到的信号记作yr，可表示为：

13、

14、其中是源节点s的发射功率；表示irs1的反射系数矩阵，θ1i∈[0,2π)和η1i∈[0,1]分别表示irs1的第i个元件的相位和反射振幅增益；s是归一化信号，表示信号的平均功率为1；是加性高斯白噪声，表示噪声功率；是第一跳的复合信道系数，可以被改写为其中hsi表示从s到irs1的第i个反射元件的信道系数,hir表示从irs1的第i个反射元件到r的信道系数，θsr，θsi和θir分别表示hsr，hsi和hir的相位；假设irs1的每一个反射单位都有相同的反射振幅增益和最优相移，所以θ1i＝θsr-(θsi+θir)，η1i＝η，那么第一跳的复合信道系数可以记作h1，为了表达简便，可由下式给出：

15、

16、其中λ1＝ηlsilir，

17、根据数学推导，h1的分布函数的闭合表达式可以近似计算为：

18、

19、其中γ表示下不完全伽玛函数，x，y表示函数的自变量；基于ps中继协议，其中中继节点r接收信号的ρ部分被用于eh，这部分可以被表示为：

20、

21、表示用于中继节点进行eh的部分信号；

22、噪声可以忽略不计，r在第一跳中收获的能量可表示为：

23、

24、其中ζ∈(0,1)表示能量转换效率，在中继节点r处用于id的信号可以表示为：

25、

26、其中是信号从rf频段转换到基带时引入的噪声；中继节点r处的信噪比可表示为：

27、

28、表示天线噪声的功率，表示将频带信号转换为基带信号时所产生的转换噪声的功率；

29、如果中继节点r在第一跳正确解码源数据，它将在第二跳中使用所收集到的全部能量将数据转发给d；为了简化第二跳传输的性能分析，定义了有限个能量级别来近似中继节点r的实际发射功率；μ表示中继节点的最大可达发射功率，定义m+1个能量级别，即l0＝0,...,lm＝μ；其中，m是一个非零整数，m越大，离散能量级别与连续能量值之间的近似度越高；给定中继节点r的实际可用功率pr，那么r的近似发射功率级别可记为如果实际功率pr满足li＜pr＜li+1,i∈{0,1,...,m-1}，则r的发射功率可近似为这一能量级别，δ是任意两个相邻能级之间的间隔但是，当r所收集的能量等于或大于电池容量时，r的近似发射功率记为对于ps协议，r的实际发射功率记为表示为：

30、

31、在一个时间块的后半部分，中继节点r将解码后的数据转发给目的节点d和irs2，irs2将所接收到的入射信号反射给d；那么d接收到的信号可由下式给出：

32、

33、其中表示irs2的反射系数矩阵，θ2i∈[0,2π)和η2i∈[0,1]分别表示irs2处第i个反射元素的相移和反射振幅增益；表示目的节点d的加性高斯白噪声，rf基带信号转换所引入的噪声为表示第二跳的复合信道系数；与第一跳相似，irs2的每个反射单元都可以实现最大的反射振幅增益并选择最优相移，第二跳的复合信道系数记为g2，可表示为：

34、

35、其中gri和gid分别是r到irs2的第i个反射单元和irs2的第i个反射单元到d的信道系数；g2的分布函数推导类似于h1，可以表示为：

36、

37、其中λ2＝ηlrilid，

38、那么基于ps协议，在目的节点d处的信噪比可以表示为：

39、

40、对于基于ps的能量收集和中继传输协议，信号从源节点s到目的节点d成功传输时，定义该事件为如果信号在第一跳上传输时发生中断，则该事件记为如果信号在第二跳上发生中断，则该事件记为事件的发生意味着在系统内信号成功地传输到了目的节点，没有一跳发生信号中断；

41、根据信号传输的成功概率与中断概率的关系，系统的成功概率可表示为：

42、

43、pr{}表示求事件的概率；

44、当系统的瞬时信噪比低于预定阈值时，信号传输将会发生中断；那么第一跳的中断概率表示为：

45、

46、其中v表示数据传输速率；经过公式推导，pr{bps}可以表示为：

47、

48、其中

49、类似地，第二跳的中断概率可以推导为：

50、

51、其中

52、中继的发射功率与第一跳信道系数有关；对于基于ps的协议，中继节点r的实际连续发射功率记为它的近似离散发射功率记为当时，δ是任意两个相邻能级之间的间隔发生该情况的概率可以计算为：

53、

54、当时，将近似为最大能级，该情况的发生概率可以计算为：

55、

56、经过对r发射功率的离散化，第二跳中断概率可近似为：

57、

58、其中是一个指示随机变量(公式19中1(i≠m)就是这个指示随机变量)，当条件满足时该变量等于1，否则等于0；将和pr{cps}代入即可得到成功概率；

59、通信系统的端到端可达速率和遍历容量分别表示为rps和可表示为利用jensen不等式，遍历容量的上界推导为其中和分别表示和的上界；使用holder不等式，可以得到的期望为：

60、

61、gsr表示|hsr|的信道功率增益；表示b1的信道功率增益；

62、经过数学推导，的结果为：

63、

64、其中同理，可以计算为

65、

66、其中

67、优选的，对于基于ts的能量收集和中继传输协议，在第一跳信号传输中，中继节点r接收到的信号与基于ps协议下接收到的信号相同，用yr表示；与ps协议不同的是，ts协议将一个时间块内的前α部分分配给eh，在这部分时间中继节点r所收集到的能量记为ets，表示为然后，(1-α)/2部分的时间将会被用于中继节点r处的id，这部分信号可表示为

68、

69、那么中继节点的信噪比为：

70、

71、采用表示r的实际发射功率，它可以由下式给出：

72、

73、第二跳的复合信道系数g2与基于ps协议下的相同，那么中继节点d所接收到的信号可记为表示为

74、

75、相应的，目的节点d处的信噪比可表示为：

76、

77、对于基于ts的协议，定义从s到d的数据成功传输为事件第一跳上的信号发生中断为事件第二跳上的信号发生中断记为事件那么采用ts中继协议时系统的成功概率可以写成

78、

79、与基于ps的协议不同，基于ts协议的信噪比阈值为那么系统第一跳的中断概率可表示为：

80、

81、其中同理，第二跳的中断概率可表示为：

82、

83、其中

84、在基于ts协议中，r的实际发射功率记为r的近似离散发射功率记为

85、当时，这种情况发生的概率可以计算为：

86、

87、当时，的近似值为发生该情况的概率可计算为：

88、

89、对r的发射功率进行离散化后，第二跳的中断概率可近似为：

90、

91、将和pr{ctss}代入即可得到成功概率；

92、与基于ps协议类似，基于ts协议的端到端可实现速率定义为它可以由给出，的上界记为表示为经过数学推导；的上界为：

93、

94、其中同理，的计算结果为：

95、

96、其中

97、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

98、本发明的有益效果为：

99、1、本发明提出了一种基于双irs和无线携能通信的中继传输系统，第一个irs能够辅助中继节点收集更多的能量，保证源节点数据的成功解调，第二个irs能够辅助中继节点转发数据给目的节点，有助于克服中继节点能量受限的困境，保证目的节点成功解调数据。

100、2、本发明引入了三种基准系统与本发明的系统进行对比，分别是单中继系统、irs1-中继系统和中继-irs2系统。通过对比，我们可以看到双irs系统可以大幅改善通信环境，提升了中继节点能量收集和数据转发效果，相较于三种基准系统，本发明的成功概率和遍历容量均为最佳。

101、3、本发明通过设置有限个能量级别将中继节点的发射功率离散化，将中继节点的能量收集与数据转发操作解耦，降低系统性能分析的复杂度。基于中继节点的离散能量状态，根据信道衰落的统计特性，推导出本发明双irs辅助能量传输中继通信系统的成功概率和遍历容量的闭合表达式。经过广泛的实验验证，理论结果和仿真结果高度吻合，可以证明理论分析的准确性，该理论结果为基于irs的无线携能通信提供了指导意义。

102、4、本发明揭示了源节点发射功率、各节点的部署位置等关键参数对系统通信成功概率和遍历容量的影响。通过系统通信成功概率与各个节点的部署位置之间的关系，我们发现相较于三种基准系统，本发明系统可大大节约系统发射功率，并且本发明系统每一跳的irs在水平方向上位于两个节点中间时，通信效果更好，这也为irs辅助的中继通信系统的节点部署提供了参考。