本發(fā)明涉及無線通信，尤其涉及一種ris輔助毫米波無線傳能網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、無線供電通信網(wǎng)絡(luò)(wpcn)包含下行能量傳輸和上行信息回傳兩個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)備使用在下行傳輸中采集的能量來進(jìn)行上行信息回傳。但隨著設(shè)備數(shù)量的急劇增加，頻譜資源短缺成為wpcn所面臨的一大難題。mmwave因其豐富的頻譜資源，被提議作為解決該問題的關(guān)鍵候選技術(shù)之一。

2、為了克服wpcn中的頻譜資源短缺和建筑物遮的問題，學(xué)術(shù)界圍繞基于mmwave頻段的wpcn系統(tǒng)和智能超表面(ris)輔助的wpcn系統(tǒng)展開了廣泛的研究。但是，目前針對(duì)wpcn系統(tǒng)的研究，大多集中在將mmwave應(yīng)用于wpcn系統(tǒng)，或使用ris來提升wpcn系統(tǒng)的傳輸性能。但mmwave與wpcn的結(jié)合面臨著能量傳輸效率低和覆蓋范圍小的挑戰(zhàn)，而ris輔助的wpcn系統(tǒng)又受制于有限的頻譜資源。因此，考慮將wpcn、mmwave和ris結(jié)合起來研究是有必要的。另外，現(xiàn)有wpcn系統(tǒng)所考慮的傳輸結(jié)構(gòu)大多為混合接入點(diǎn)分別在下行和上行傳輸中發(fā)送射頻能量信號(hào)和接收信息信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)中，混合接入點(diǎn)接收和發(fā)送信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生的信號(hào)干擾和網(wǎng)絡(luò)擁塞。還有，目前針對(duì)ris輔助的wpcn系統(tǒng)吞吐量的提升主要通過優(yōu)化ris相移、傳輸時(shí)隙分配和主動(dòng)波束賦形，很少對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化分組。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為至少一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，本發(fā)明的目的在于提供一種ris輔助毫米波無線傳能網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是：

3、一種ris輔助毫米波無線傳能網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

4、基站，用于在下行傳輸期間發(fā)射射頻能量信號(hào)；

5、智能超表面ris，用于反射射頻能量信號(hào)，以使終端設(shè)備接收到射頻能量信號(hào)后，獲得能量；

6、多個(gè)終端設(shè)備，將多個(gè)終端設(shè)備分為若干組，各組的終端設(shè)備用于利用接收到的能量將數(shù)據(jù)采用非正交多址接入策略，在上行傳輸期間發(fā)送至數(shù)據(jù)接收器；

7、數(shù)據(jù)接收器，用于接收各終端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)；

8、其中，對(duì)下行傳輸中設(shè)備分組、基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和ris相移矩陣，以及上行傳輸中設(shè)備的發(fā)射功率分配、ris相移矩陣和傳輸時(shí)隙分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以提升終端設(shè)備在上行傳輸中總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

9、進(jìn)一步地，聯(lián)合優(yōu)化的步驟包括兩個(gè)階段：

10、在階段一，基于終端設(shè)備的信道相關(guān)性，采用結(jié)合kmeans++聚類算法和排斥理論的算法來獲得優(yōu)化的設(shè)備分組；

11、在階段二，根據(jù)階段一獲得的設(shè)備分組信息，通過迭代優(yōu)化算法獲得基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和下行傳輸中ris相移矩陣的最優(yōu)值，從而使所有設(shè)備總的采集能量最大化；然后通過迭代優(yōu)化設(shè)備的發(fā)射功率分配、傳輸時(shí)隙分配和上行傳輸中ris相移矩陣來最大化設(shè)備總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

12、本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是：

13、一種ris輔助毫米波無線傳能網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化方法，包括以下步驟：

14、設(shè)計(jì)ris輔助的mmwave頻段wpcn系統(tǒng)；其中系統(tǒng)包括基站、ris、數(shù)據(jù)接收器和多個(gè)終端設(shè)備；

15、根據(jù)mmwave頻段wpcn系統(tǒng)構(gòu)建mmwave信道建模、下行傳輸中能量采集模型以及上行傳輸中信息傳輸模型；

16、根據(jù)構(gòu)建的模型確定能量采集最優(yōu)化問題；

17、基于優(yōu)化問題，對(duì)下行傳輸中設(shè)備分組、基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和ris相移矩陣，以及上行傳輸中設(shè)備的發(fā)射功率分配、ris相移矩陣和傳輸時(shí)隙分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以提升終端設(shè)備在上行傳輸中總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

18、進(jìn)一步地，所述mmwave信道建模的構(gòu)建方式如下：

19、mmwave信道由一個(gè)視距(los)鏈路和若干非視距(nlos)鏈路表征；第m組中第k臺(tái)設(shè)備與基站或ris之間的mmwave信道分別建模為：

20、

21、其中，a()、a′()代表陣列導(dǎo)向矢量；θm,k、φm,k(βm,k)和分別表示與第m組中第k個(gè)設(shè)備相關(guān)的視距鏈路和第l條非視距鏈路的出發(fā)角和方位角(仰角)；γg,k,m、γr,k,m和分別表示第m組對(duì)應(yīng)射頻鏈路的視距和第l條非視距復(fù)路徑增益；dg,k,m、dr,k,m表示從基站或ris到第m組中第k個(gè)設(shè)備的歐氏距離，α為路徑損耗指數(shù)；

22、基站與ris之間的信道矩陣建模為：

23、

24、其中，φ(β)和φl(βl)分別為與ris相關(guān)的視距鏈路和第l條非視距鏈路的方位角(仰角)，θ和θl分別為與基站相關(guān)的離去角，d代表從基站到ris的歐氏距離。

25、進(jìn)一步地，所述下行傳輸中能量采集模型的構(gòu)建方式如下：

26、基站在下行傳輸時(shí)隙α0t內(nèi)向k個(gè)設(shè)備發(fā)送射頻能量信號(hào)；因此第m組中第k個(gè)設(shè)備接收到的能量信號(hào)寫成：

27、

28、其中，wm，wm′分別表示指向第m組和m′組的能量波束賦形向量；是基站到第m組中第k個(gè)設(shè)備的等效信道，φ0表示下行鏈路中ris相移矩陣，g表示基站與ris之間的信道矩陣，h表示共軛轉(zhuǎn)置；um′,k′是第k′個(gè)設(shè)備的調(diào)度變量；nk表示第k個(gè)設(shè)備接收到的加性白高斯噪聲；sk、sk′分別為第k個(gè)和第k′個(gè)設(shè)備的射頻能量信號(hào)矢量；pm、pm′分別為第m個(gè)和第m′個(gè)射頻鏈路的功率；

29、第m組中第k個(gè)設(shè)備采集到的能量表示為：

30、

31、其中，η0是線性狀態(tài)下的能量轉(zhuǎn)換效率，pth代表每個(gè)設(shè)備的電池飽和功率，是該設(shè)備接收到的射頻功率。

32、進(jìn)一步地，所述上行傳輸中信息傳輸模型的構(gòu)建方式如下：

33、終端設(shè)備在ris的輔助下，利用采集到的能量將各自的數(shù)據(jù)采用非正交多址接入策略進(jìn)行上傳；假設(shè)第k個(gè)終端設(shè)備會(huì)消除信道增益低于自身的設(shè)備的干擾，此時(shí)k個(gè)終端設(shè)備總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量表示為：

34、

35、其中，α1t為上行傳輸階段的持續(xù)時(shí)間；表示k個(gè)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)接收器之間的信道向量，表示k個(gè)終端設(shè)備與ris之間的信道向量，φ1表示上行鏈路中ris相移矩陣，h表示ris與數(shù)據(jù)接收器之間的信道矩陣；qk表示上行鏈路中第k個(gè)設(shè)備的發(fā)射功率。

36、進(jìn)一步地，所述根據(jù)構(gòu)建的模型確定能量采集最優(yōu)化問題，包括：

37、通過聯(lián)合優(yōu)化設(shè)備分組u、基站的發(fā)射功率分配p、無線信息傳輸中各設(shè)備的發(fā)射功率分配q、下行和上行鏈路中ris相移矩陣φ0和φ1、各組的能量波束賦形矢量wm以及傳輸時(shí)隙分配α來最大化總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量；優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(p1)：

38、

39、c6:|(φ0)bb|＝1,b＝1,…,mr

40、c7:|(φ1)bb|＝1,b＝1,…,mr,

41、c8:α0+α1≤1,α0≥0,α1≥0.

42、其中，優(yōu)化問題(p1)中的約束分為兩類：在下行傳輸階段，c1是設(shè)備調(diào)度變量限制，c2表示一個(gè)設(shè)備最多只能與一個(gè)射頻鏈路相關(guān)聯(lián)(只能被分到一個(gè)組內(nèi))，c3表示每組能量波束賦形向量約束，c4是基站的總發(fā)射功率約束，c6表示無線功率傳輸中的ris相移的單位模數(shù)約束；對(duì)于上行傳輸階段，c5是每個(gè)設(shè)備的發(fā)射功率約束，c7表示用于無線信息傳輸時(shí)ris相移的單位模數(shù)約束，c8表示總傳輸時(shí)隙的約束。

43、進(jìn)一步地，所述對(duì)下行傳輸中設(shè)備分組、基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和ris相移矩陣，以及上行傳輸中設(shè)備的發(fā)射功率分配、ris相移矩陣和傳輸時(shí)隙分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，包括：

44、在階段一，基于終端設(shè)備的信道相關(guān)性，采用結(jié)合kmeans++聚類算法和排斥理論的算法來獲得優(yōu)化的設(shè)備分組；

45、在階段二，根據(jù)階段一獲得的設(shè)備分組信息，通過迭代優(yōu)化算法獲得基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和下行傳輸中ris相移矩陣的最優(yōu)值，從而使所有設(shè)備總的采集能量最大化；然后通過迭代優(yōu)化設(shè)備的發(fā)射功率分配、傳輸時(shí)隙分配和上行傳輸中ris相移矩陣來最大化設(shè)備總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

46、進(jìn)一步地，所述階段一具體包括：

47、將終端設(shè)備總的分組數(shù)量設(shè)置與射頻鏈路數(shù)量n相同；由于mmwave波束具有空間方向性，分組原則旨在最大限度地提高同組設(shè)備之間的相關(guān)性，同時(shí)最大限度地降低不同組終端設(shè)備之間的相關(guān)性；兩終端設(shè)備之間的信道相關(guān)性(ncc)的表達(dá)式為：

48、

49、其中，di、dj表示終端設(shè)備，gi、gj分別表示下行傳輸中基站與第i個(gè)設(shè)備和基站與第j個(gè)設(shè)備的等效毫米波信道；

50、初步分組階段：選取信道相關(guān)性值最低的兩個(gè)終端設(shè)備作為第一組和第二組的中心設(shè)備，分別記為ω1和ω2，并記入中心設(shè)備集ω；然后，剩余設(shè)備中，和已確定中心設(shè)備的信道相關(guān)性總和最小的終端設(shè)備被選為第m組的中心設(shè)備ωm；

51、微調(diào)分組階段：當(dāng)兩個(gè)設(shè)備之間的信道相關(guān)性低于總的平均歸一化信道相關(guān)性(sancc)時(shí)，將這兩個(gè)設(shè)備定義為排斥關(guān)系，根據(jù)排斥關(guān)系對(duì)初步分組結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。

52、進(jìn)一步地，所述階段二具體包括：

53、根據(jù)階段一獲得的終端設(shè)備分組結(jié)果，對(duì)其他參數(shù)的優(yōu)化過程分為兩個(gè)子階段；

54、在第一個(gè)子階段中通過迭代優(yōu)化算法獲得基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和下行傳輸中ris相移矩陣的最優(yōu)值，從而使終端設(shè)備總的采集能量最大化；

55、在第二個(gè)子階段通過迭代優(yōu)化終端設(shè)備的發(fā)射功率分配、傳輸時(shí)隙分配和上行傳輸中ris相移矩陣來最大化設(shè)備總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量。

56、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種ris輔助的mmwave頻段wpcn系統(tǒng)，其中設(shè)備首先在下行傳輸中接收基站發(fā)送并經(jīng)ris反射的射頻能量信號(hào)，隨后在ris的輔助下，設(shè)備利用采集到的能量將各自的數(shù)據(jù)采用非正交多址接入策略在上行鏈路進(jìn)行上傳。為了提升設(shè)備在上行傳輸中總的可實(shí)現(xiàn)吞吐量，本發(fā)明提出一種對(duì)下行傳輸中設(shè)備分組、基站的發(fā)射功率分配、能量波束賦形和ris相移矩陣，以及上行傳輸中設(shè)備的發(fā)射功率分配、ris相移矩陣和傳輸時(shí)隙分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化的方法。