背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，無(wú)線設(shè)備的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)導(dǎo)致流量需求激增，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來(lái)優(yōu)化無(wú)線資源利用和無(wú)線設(shè)備的可持續(xù)能源供應(yīng)，在這種背景下，速率分割多址(rsma)成為未來(lái)6g網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)有前途的技術(shù)，與多天線系統(tǒng)中的傳統(tǒng)方法相比，rsma在頻譜和能量效率方面取得了顯著進(jìn)步。

2、可重構(gòu)智能表面(reconfigurableintelligencesurface,ris)包括一個(gè)包含大量高性價(jià)比反射器的超表面，是一種能通過(guò)控制無(wú)源反射原件的幅度和相位,智能地重新配置無(wú)限傳播環(huán)境的技術(shù)，ris可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的干涉和定向傳播，這種精確的信號(hào)控制使得信號(hào)在有限的空間中聚焦、增強(qiáng)或抑制,可以很好的解決無(wú)線通信場(chǎng)景中通信鏈路受阻的情況,并提升無(wú)線通信性能；速率分割多址rsma是一種新型的、通用性強(qiáng)、頻譜資源利用效率高的多址框架，作為一種通用的非正交接入方案，可以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率；用功率分裂ps來(lái)管理接收到的信號(hào)，在速率和能量權(quán)衡之間提供了最佳平衡；非線性eh模型可以有效提高swipt系統(tǒng)性能和優(yōu)化資源分配；為在6g網(wǎng)絡(luò)中最大化系統(tǒng)的頻譜效率，建立基于rsma技術(shù)以及ris輔助的misops-swipt系統(tǒng)，使用更符合實(shí)際的非線性eh模型和功用戶率分配最大化系統(tǒng)的頻譜效率。

3、雖然有許多學(xué)者分別對(duì)ris、rsma技術(shù)和ps-swipt的優(yōu)化進(jìn)行研究，但現(xiàn)有的研究似乎缺乏對(duì)上述技術(shù)的聯(lián)合優(yōu)化。受這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)的啟發(fā)，將其集成研究以進(jìn)一步提高無(wú)線系統(tǒng)的安全性、能效和覆蓋范圍具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

4、本發(fā)明研究基于有源智能超表面輔助的無(wú)線攜能通信傳輸問(wèn)題，在最小bs和有源ris功率、用戶可達(dá)速率約束下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化bs預(yù)編碼、ps比和相移變量，構(gòu)建頻譜最大化問(wèn)題并提出一種高效交替迭代算法來(lái)解決原優(yōu)化問(wèn)題，給出一種基于有源智能超表面輔助的無(wú)線攜能通信傳輸方法和裝置的設(shè)計(jì)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是進(jìn)一步提高無(wú)線系統(tǒng)的頻譜效率，建立一種基于有源智能超表面輔助的無(wú)線攜能通信通信系統(tǒng)模型；

2、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于有源智能超表面輔助的無(wú)線攜能通信傳輸方法，它包括：

3、s1：建立一個(gè)基于rsma技術(shù)和有源ris輔助的misops-swipt的通信系統(tǒng)模型；

4、s2：在最小bs和有源ris功率、用戶可達(dá)速率約束下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化bs預(yù)編碼、ps比和相移變量，構(gòu)建頻譜最大化問(wèn)題；

5、

6、rc≥rc,min(1e)

7、

8、其中，ps,max是bs最大的輸出信號(hào)功率，pr,max是有源ris最大的輸出信號(hào)功率，其中[θ]m表示θ的第m個(gè)元素，已知[θ]m＝θm；此外，rc,min是預(yù)先確定的最小公共消息速率，ek是第k個(gè)用戶所需的最小收獲功率；(1a)是一個(gè)非凸優(yōu)化問(wèn)題，(1b)為bs最大發(fā)射功率約束，(1c)為有源ris最大的輸出信號(hào)功率約束，(1e)表示第k個(gè)用戶的最小可達(dá)速率約束，(1g)代表ps比率需求約束；

9、s3：將目標(biāo)函數(shù)通過(guò)交替優(yōu)化算法分解為波束成形和ris相移兩個(gè)子問(wèn)題,在交替迭代框架下采用半定松弛sdr算法釋放將子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,再利用凸優(yōu)化cvx工具箱進(jìn)行求解，最終得到最大頻譜效率傳輸方法。

10、所述的步驟s1具體包括：

11、建立一個(gè)基于有源智能超表面輔助的無(wú)線攜能通信的系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)包括一個(gè)裝有n天線的基站bs、一個(gè)配置m個(gè)反射單元的有源ris、k個(gè)配備ps結(jié)構(gòu)的用戶，該基站采用rsma技術(shù)，bs通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題確定最優(yōu)相移，然后通過(guò)反饋通道將其傳遞給ris控制器。

12、所述的步驟s2具體包括：

13、在本發(fā)明中，通過(guò)在bs使用rsma技術(shù)，采用非線性eh結(jié)構(gòu)，將消息mk分成公共部分和私有部分在發(fā)射端進(jìn)行覆蓋編碼，根據(jù)ps比將輸入的信號(hào)分為分別給id模塊和eh模塊的兩個(gè)流，在接收端解碼公共流s0并使用sic從接收信號(hào)中減去s0，將其他私有流視為噪聲來(lái)解碼接收方自己的私有流；在最小bs和有源ris功率、用戶可達(dá)速率約束下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化bs預(yù)編碼、ps比和相移變量，構(gòu)建頻譜最大化問(wèn)題；所有公共信息編碼為sc；私有部分被獨(dú)立地編碼為私有流編碼為bs處發(fā)射信號(hào)：

14、

15、第k個(gè)用戶處的接收信號(hào)：

16、

17、其中，f、θ分別為瑞利信道、ris-k用戶、bs-ris的信道系數(shù)以及有源ris的反射系數(shù)矩陣；用戶的ps結(jié)構(gòu)將輸入信號(hào)劃分為兩個(gè)流，分別用于id模塊和eh模塊，ps比ρk∈(0,1)，id處和eh處接收信號(hào)分別：

18、

19、傳統(tǒng)的線性收集器模型固定的能量轉(zhuǎn)換效率ηk∈(0,1]

20、

21、非線性eh模型基于邏輯函數(shù)，定義為：

22、

23、其中，mk表示第k個(gè)用戶的eh電路可以獲得的最大功率。參數(shù)ak和bk是與eh電路相關(guān)的常數(shù)，在實(shí)踐中，給定eh硬件電路，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合工具獲得固定參數(shù)mk、ak和bk。

24、所述的步驟s3具體包括：

25、鑒于優(yōu)化問(wèn)題中目標(biāo)函數(shù)和約束條件具有非凸性,并且存在耦合優(yōu)化變量,很難求解,我們將利用引理1近似邊界，將問(wèn)題重述為：

26、定理1：對(duì)于任意的ν和λ，都有：

27、其中是定點(diǎn)，則根據(jù)定理1可得：其中

28、同理，其中根據(jù)以上變形，問(wèn)題(1)重寫(xiě)為：

29、

30、(1b)-(1g).(10c)將(1f)等效表示為可將(11)轉(zhuǎn)化為其中又(10)是非凸函數(shù)，但可解耦為兩個(gè)子問(wèn)題，再用交替法獲得(10)的解，先集中討論子問(wèn)題的公式化和求解；

31、a給定θ時(shí)w和ρk的優(yōu)化

32、定義

33、

34、則子問(wèn)題變?yōu)椋?/p>

35、

36、(1b)，(1c)，(1e)，(1g).(13d)

37、當(dāng)固定θ時(shí)，問(wèn)題(13)的目標(biāo)函數(shù)是凸函數(shù)，可以通過(guò)優(yōu)化工具箱cvx求解；

38、b給定w和ρk時(shí)的θ優(yōu)化

39、我們首先定義θ＝[θ1,...,θm]h，此外，為了使問(wèn)題更易處理，我們還應(yīng)用了變量的變化，則問(wèn)題(10)可以改寫(xiě)如下：

40、

41、其中，

42、

43、由于問(wèn)題(14)包含二次不等式和等式約束，因此整個(gè)問(wèn)題是非凸的，可使用sdr技術(shù)將問(wèn)題(14)轉(zhuǎn)化為凸問(wèn)題；

44、我們引入定義且δ≥0,rank(δ)＝1，則(14)可化為：

45、

46、δ≥0,δ(m,m)≤αm,max,(1e)(15e)

47、其中和是具有額外零行和零列的矩陣，(15)是可以使用cvx求解的sdp；

48、如果δ不是秩一矩陣，我們提出了一種基于懲罰函數(shù)的方法來(lái)近似ris相位矢量的近似最優(yōu)解。將矩陣定義為半正定矩陣，則有有tr(δ)≥λmax(δ)，其中λmax(δ)是從δ矩陣中獲得的最大特征值，并且tr(δ)＝λmax(δ)僅當(dāng)δ秩＝1；因此，我們通過(guò)添加懲罰函數(shù)來(lái)重新表達(dá)問(wèn)題(15)：

49、

50、s.t.(15b)-(15e).(16b)其中μ≥0表示懲罰因子，需要足夠大以滿足tr(δ)＝λmax(δ)，然而，λmax(δ)是凸函數(shù)，因此，我們通過(guò)使用基于迭代的解決方案來(lái)重新表述問(wèn)題(16)，用引理2來(lái)近似λmax(q)；

51、引理2：給定兩個(gè)半正定矩陣p和q，我們得到以下不等式,

52、其中νmax,q是與最大特征值λmax(q)相關(guān)聯(lián)的單位特征向量；

53、因此，基于引理2并給定可行的λmax(q)，我們可以近似為λmax(δ)如下：

54、

55、在第j次迭代時(shí)，凸問(wèn)題定義為：

56、

57、s.t.(15b)-(15e).(18b)故同問(wèn)題(13),可以通過(guò)cvx工具箱解決問(wèn)題(18)。

58、建立一種基于有源智能超表面輔助的無(wú)線攜能通信傳輸裝置，它包括：

59、模型建立模塊，建立一個(gè)有源ris輔助并使用rsma的misops-swipt的通信系統(tǒng)模型；

60、方程構(gòu)造模塊，在最小bs和有源ris功率、用戶可達(dá)速率約束下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化bs預(yù)編碼、ps比和相移變量，構(gòu)建頻譜最大化問(wèn)題；

61、

62、rc≥rc,min(1e)

63、

64、

65、其中，ps,max是bs最大的輸出信號(hào)功率，pr,max是有源ris最大的輸出信號(hào)功率；[θ]m表示θ的第m個(gè)元素，已知[θ]m＝θm，此外，rc,min是預(yù)先確定的最小公共消息速率，ek是第k個(gè)用戶所需的最小收獲功率。(1a)是一個(gè)非凸優(yōu)化問(wèn)題，(1b)為bs最大發(fā)射功率約束，(1c)為有源ris最大的輸出信號(hào)功率約束，(1e)表示第k個(gè)用戶的最小可達(dá)速率約束，(1g)代表ps比率需求約束；

66、迭代求解模塊，將目標(biāo)函數(shù)通過(guò)交替優(yōu)化算法分解為波束成形和ris相移兩個(gè)子問(wèn)題,在交替迭代框架下采用半定松弛sdr算法釋放將子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,再利用凸優(yōu)化cvx工具箱進(jìn)行求解，最終得到最大頻譜效率傳輸方法。

67、所述的模型建立模塊具體包括：

68、建立一個(gè)基于rsma技術(shù)和有源ris輔助的misops-swipt通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)裝有n天線的基站bs、一個(gè)配置m個(gè)反射單元的有源ris、k個(gè)配備ps結(jié)構(gòu)的用戶，該基站采用rsma技術(shù)，bs通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題確定最優(yōu)相移，然后通過(guò)反饋通道將其傳遞給ris控制器。

69、所述的方程構(gòu)造模塊具體包括：

70、方程構(gòu)造模塊，通過(guò)在bs使用rsma技術(shù)，將消息mk分成公共部分和私有部分在發(fā)射端進(jìn)行覆蓋編碼，根據(jù)ps比將輸入的信號(hào)分為分別給id模塊和eh模塊的兩個(gè)流，在接收端解碼公共流s0并使用sic從接收信號(hào)中減去s0，將其他私有流視為噪聲來(lái)解碼接收方自己的私有流；在最小bs和有源ris功率、用戶可達(dá)速率約束下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化bs預(yù)編碼、ps比和相移變量，構(gòu)建頻譜最大化問(wèn)題。

71、所述的迭代求解模塊具體包括：

72、迭代求解模塊，將目標(biāo)函數(shù)通過(guò)交替優(yōu)化算法分解為波束成形和ris相移兩個(gè)子問(wèn)題,在交替迭代框架下采用半定松弛sdr算法釋放將子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,再利用凸優(yōu)化工具cvx工具箱進(jìn)行求解，最終得到最大頻譜效率傳輸方法。