环境反向散射系统中最大化能量效率的方法

本发明属于通信领域，尤其涉及环境反向散射系统中最大化能量效率的方法。

背景技术：

1、随着物联网设备爆炸式的增长，能量受限和频谱资源短缺逐渐成为限制物联网发展的两大因素。于是学者们提出了环境反向散射通信(ambient backscattercommunication，ambc)。ambc是一种新型的低能耗通信技术，它通过将待发送信号调制到周围环境中的射频信号上，实现无源信息传输，并且不占用额外的频谱。与其他的通信技术相比，反向散射通信不需要复杂的基带处理，不需要复杂的射频结构，也不需要功率放大器、高精度晶振、双工器、高精度滤波器等器件，因此，能够简化终端设计，大幅降低终端节点成本。由于反射链路受双衰落效应和传统的单天线反向散射设备(backscatter device，bd)影响，导致反射链路信号通常非常弱，这限制了反向散射通信的传输速率和通信覆盖范围。

2、智能反射面(reconfigurable intelligent surface，ris)是一种由大量可重构反射单元组成的辅助通信设备。通过联合设计所有反射单元的幅度和相位调节系数，ris能实现对入射信号的定向反射，从而能够适应信道传播环境，降低信道损耗、扩大通信范围、提高信噪比并显著提高频谱利用率。此外，ris还可以提高无线通信系统的性能，相对于传统的中继技术具有成本低、功耗低、易部署等特点。因此，ris及ris辅助的无线通信被视为未来通信领域的重要技术之一。

3、将ris应用到ambc中，可以为bd进行无源信息传输，增强反射链路增益，进一步提升通信系统的性能，为未来无线通信带来更多的可能性。文献“ris-assisted ambientbackscatter communication for sagin iot”提出了ris辅助的ambc系统中最大化和速率的方法，适用于包含一个ris、一个无线电射频(radio frequency，rf)源、一个电池供电环境反向散射接收端(backscatter receiver，br)、多个无线供电的bd的系统。然而，功率较低时，系统的和速率和能量效率都随着功率的增加而增大，当功率增加到一定程度时，系统的能量效率随着功率的增加而减小，因此，和速率的增加可能会带来系统能量效率的减小，并且目前尚未由文献研究该系统中最大化能量效率的方法。

技术实现思路

1、综上所述，为了解决现有的技术问题，本发明提出了环境反向散射通信系统中最大化能量效率的方法，适用于包含一个智能反射面、一个无线电射频源、一个环境反向散射接收端、多个无线供电的单天线反向散射设备的系统。

2、本发明是以检测信号时的信干噪比作为约束条件，构建环境反向散射通信系统中最大化能量效率的优化问题，为单天线反向散射设备设置能满足其运行的反射系数的上限，在不考虑约束条件的情况下，采用分数规划算法通过迭代的方法求解优化问题，结合约束条件得到最大化系统能量效率的功率和智能反射面相移。

3、综上所述，本发明提出了环境反向散射通信系统中最大化能量效率的方法，适用于包含一个智能反射面、一个无线电射频源、一个环境反向散射接收端、多个无线供电的单天线反向散射设备的系统，方法包括如下步骤：

4、步骤a，构建环境反向散射系统中最大化能量效率的优化问题，用公式表示为

5、

6、s.t.pt≤pmax

7、η(1-ak)pt|htk|2≥ξk，k＝1，2，…，k

8、sinrt≥γt

9、sinrk≥γ，k＝1，2，…，k

10、ak|(gtkθgr+hrk)htk|2pt≥|(gtmθgr+hrm)htm|2mpt，πm＞πk，k＝1，2，…，k，m＝1，2，…，k

11、0≤ak≤1，k＝1，2，…，k

12、θn∈[0，2π)，n＝1，2，…，n

13、其中，pt表示无线电射频源的发送功率，ak表示第k个单天线反向散射设备的反射系数，htk、ht、hrk、gtk和gr分别表示无线电射频源到第k个单天线反向散射设备的信道、无线电射频源到环境反向散射接收端的信道、第k个单天线反向散射设备到环境反向散射接收端的信道、第k个单天线反向散射设备到智能反射面的信道以及智能反射面到环境反向散射接收端的信道，k＝1，2，…，k，k是单天线反向散射设备的数量，pmax是无线电射频源的最大发送功率，ξk表示第k个单天线反向散射设备操作其电路所需的最小功率，η表示单天线反向散射设备的能量采集效率，sinrt是环境反向散射接收端解码无线电射频源的发送信号时的信干噪比，σ2是环境反向散射接收端接收到的噪声的方差，sinrk是环境反向散射接收端解码第k个单天线反向散射设备信号时的信干噪比，γ表示环境反向散射接收端解码单天线反向散射设备的信号时所需的最低信干噪比，γt表示环境反向散射接收端解码无线电射频源的发送信号时所需的最低信干噪比，是智能反射面的相移矩阵，θn∈[0，2πτ)，n＝1，2，…，n，n是反射元素的数量，πk表示环境反向散射接收端解码单天线反向散射设备信号时的解码次序，πk＝n表示第n个被解码的信号来自第k个单天线反向散射设备，|·|表示绝对值；

14、步骤b，令令g(pt)＝pt

15、且

16、引入变量ρ＝f(pt，θn，n＝1，2，…，n)/g(pt)；

17、步骤c，为pt和θn赋初始值，分别为pt(0)和θn(0)，n＝1，2，…，n，

18、计算ρ(0)＝f(pt(0)，θn(0)，n＝1，2，…，n)/g(pt(0))，令l＝1，设定阈值ζ＞0；

19、步骤d，以pt(l)和θn(l)作为变量，n＝1，2，…，n，以pt(l-1)、ρ(l-1)和θm(l-1)作为已知参数，m＝1，2，…，n且m≠n，

20、计算pt(l)＝argmax{f(pt(l)，θn(l-1)，n＝1，2，…，n)-ρ(l-1)g(pt(l))}，

21、计算θn(l)＝argmax{f(pt(l-1)，θn(l)，θm(l-1)，m＝1，2，…，n，m≠n)-ρ(l-1)g(pt(l-1))}；

22、步骤e，以ρ(l)作为变量，以pt(l)和θn(l)作为已知参数，n＝1，2，…，n，计算辅助函数f(ρ(l))＝max{f(pt(l)，θn(l)，n＝1，2，…，n)-ρ(l)g(pt(l))}；

23、步骤f，如果f(ρ(l))＜ζ，算法收敛，否则令l＝l+1，执行步骤d和步骤e；

24、步骤g，令θn＝mod[θn(i)，2π]，其中，mod[θn(l)，2π]表示θn(l)关于2π的取模运算，计算ak|(gtkθgr+hrk)htk|2，k＝1，2，…，k，将集合{ak|(gtkθgr+hrk)htk|2，k＝1，2，…，k}中的元素从大到小进行排序，

25、若ak|(gtkθgr+hrk)htk|2是该集合的第i个元素，则令πk＝i，用此方法为π1、π2、……、πk赋值，由此确定了环境反向散射接收端解码单天线反向散射设备发送信号时的解码次序，令其中，pmin＝max{c，bk，k＝1，2，…，k}，

26、有益效果：

27、对于智能反射面辅助的环境反向散射系统，尚未有文献研究最大化能量效率的方法。本发明提出的方法根据信道条件和检测时的信干噪比需求设计功率、智能反射面相移和单天线反向散射设备的反射系数，以最大化系统的能量效率，既满足了检测时的信干噪比需求，又提高了系统能量效率。相比相同系统中已有的资源分配方案，所提方案在满足信干噪比需求的情况下提高了系统的能量效率。