RIS辅助的无线携能通信系统及其波束形成方法

本技术涉及无线携能通信，尤其涉及一种ris辅助的无线携能通信系统及其波束形成方法。

背景技术：

1、未来6g通信网络中，iot(智能物联网)设备数量将十分庞大，这将会使未来通信网络面临能量消耗高和频谱资源紧缺两大挑战。此外，大量低功耗iot设备和传感器的部署对维持网络的持续运行又提出了新的挑战。通常情况下，由于维护成本飙升，采用传统的电源线或可更换电池等传统的方法为巨大的设备提供能量似乎是不可能的。因此，swipt(无线携能通信，simultaneous wireless information and power transfer)成为了解决上述难题的一个很有前景的解决方案，其能够高效地利用能量资源和频谱资源，解决大量无线设备的能量供给问题。

2、无线携能通信(simultaneous wireless information and power transfer，swipt)利用射频(radio frequency，rf)信号将信息和能量同时传输到终端设备，有效地缓解了设备高信息传输速率与长服务寿命两者之间的矛盾。然而，其性能主要受接收到的rf信号强度的制约。可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)技术具有控制无线电磁波信号的极化、散射、反射和折射特性，将使克服自然无线传播环境的负面影响变成可能。因此，将其引入来弥补传播损耗和提高传输效率，从而提高功率效率和改善速率-能量权衡。

3、因此，如何将其引入来弥补传播损耗和提高传输效率，从而提高功率效率和改善速率-能量权衡，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，以将其引入来弥补传播损耗和提高传输效率，从而提高功率效率和改善速率-能量权衡。

2、为解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：

3、一种ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，包括如下步骤：步骤s110、建立ris辅助的miso swipt系统；步骤s120、获取ris辅助的miso swipt系统的平均输出dc，并对该平均输出dc进行约束，以提出ris辅助的miso swipt系统的目标优化问题；步骤s130、针对提出的ris辅助的miso swipt系统的目标优化问题进行求解，获得最优系统参数，以在后续使用ris辅助的miso swipt系统中运行最优系统参数。

4、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，ris辅助的miso swipt系统包括：基站、ris设备和用户终端；其中，基站配备有b＞1个天线，ris设备具有n个反射元件，用户终端具有单个接收天线；基站在ris设备的辅助下，在q＞1个正交的且具有均匀间隔的子带上向用户终端同时发送发射信号和能量。

5、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，建立ris辅助的miso swipt系统后，还包括如下子步骤：步骤s111、获取ris辅助的misoswipt系统的子带q上的复合基带等效信道gq的共轭转置步骤s112、获取基站处在时刻t时所有天线上传输的信号x(t)；步骤s113、依据基站处在时刻t时所有天线上传输的信号x(t)和子带q上的复合基带等效信道gq的共轭转置得到在ris设备协助下，配备单个接收天线的用户终端接收到的信号y(t)；步骤s114、依据ris辅助的miso swipt系统的复合基带等效信道gq的共轭转置获得ris辅助的miso swipt系统的可实现信息速率

6、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，步骤s120还包括如下子步骤：步骤s121、依据配备单个接收天线的用户终端接收到的信号y(t)计算得到整流天线模型的平均输出dc；步骤s122、依据ris辅助的miso swipt系统的可实现信息速率和整流天线模型的平均输出dc，定义ris辅助miso swipt系统的速率-能量区域；步骤s123、通过可实现信息速率ris矢量α、功率分割比和速率-能量区域中的基站总发射功率，对整流天线模型的平均输出dc进行约束，以提出ris辅助的miso swipt系统的目标优化问题。

7、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，步骤s130还包括如下子步骤：步骤s131、固定信息预编码器ui、功率预编码器up与功率分割比对ris无源波束形成的子目标优化问题进行求解，获得最优ris矢量α^；步骤s132、空域和频域的设计解耦，进行独立优化，并变化变量的大小，获得最优有源信息预编码器和最优有源功率预编码器；步骤s133、固定ris矢量α、信息预编码器ui、功率预编码器up以及有源信息预编码器bi和有源功率预编码器bp，联合优化多载波调制信息波形幅度si、多载波未调制功率波形幅度sp和功率分割比

8、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，所建ris辅助的miso swipt系统的子带q上的复合基带等效信道gq的共轭转置可表示为：其中，将子带q(q＝1,2,…,q)上，基站-ris设备的基带等效信道表示为gq,i，ris设备-用户终端的基带等效信道表示为gq,r，基站-用户终端的基带等效信道表示为gq,d；表示复数域，xh为x的共轭转置；为ris矩阵，为ris矢量，diag为一个函数，α1为ris设备的第1个反射元件的反射系数，α2为ris设备的第2个反射元件的反射系数，αn为ris设备的第n个反射元件的反射系数；表示子带q处的级联信道。

9、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，在基站处，在时刻t时，所有天线上传输的信号x(t)可表示为其中，xp(t)表示所有天线上传输的多载波未调制功率波形，xi(t)表示所有天线上传输的多载波调制信息波形，表示所有天线在子带q上的功率预编码器，表示所有天线在子带q上的信息预编码器，表示子带q处的信息符号，fq表示子带q的频率，j表示虚数单位。

10、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，在ris设备协助下，配备单个接收天线的用户终端接收到的信号y(t)是无线能量传输yp(t)、无线信息传输yi(t)以及噪声yno(t)i的总和，其可表示为

11、其中，表示噪声。

12、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其中，优选的是，所构建的ris辅助的miso swipt系统的可实现信息速率可表示为其中，表示噪声功率，ui表示信息预编码器，表示功率分割比。

13、如上所述的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，其特征在于，ris辅助的miso swipt系统的目标优化问题为其中，α表示ris矢量，是无源波束形成；ui＝sibi和up＝spbp表示有源波束形成，其中si表示调制波形幅度，sp表示多正弦波形幅度，bi表示有源信息预编码器，bp表示有源功率预编码器表示有源信息预编码，表示功率分割比，为最小可实现信息速率。

14、相对上述背景技术，本技术提供的ris辅助的无线携能通信系统的波形波束形成方法，可以将其引入来弥补传播损耗和提高传输效率，从而提高功率效率和改善速率-能量权衡。