本發(fā)明涉及屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體為一種star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)(iot,internet?ofthings)的發(fā)展，無(wú)線設(shè)備被廣泛地部署在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。然而，無(wú)線設(shè)備有限的電池容量限制了其使用壽命。雖然通過(guò)更換電池或?qū)﹄姵剡M(jìn)行重新充電等方式可以延長(zhǎng)其使用壽命，但卻增加了組網(wǎng)成本。特別是在未來(lái)第六代(6g,6th?generation)移動(dòng)通信中，將有大量無(wú)線設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)成本將急劇增加，這成為iot發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸。近年來(lái)，基于反向散射通信(backcom,backscattercommunication)技術(shù)的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)正逐步興起。在無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)中，基于backcom技術(shù)的無(wú)源設(shè)備(bd,batteryless?device)無(wú)需裝配電池，而是利用環(huán)境中的射頻(rf,radiofrequency)信號(hào)能量來(lái)滿足其所需的能量消耗，并通過(guò)定期調(diào)整負(fù)載阻抗來(lái)反射瞬時(shí)入射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸。這一特性使得無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)有望突破上述iot發(fā)展面臨的瓶頸。但bd存在傳輸范圍較小和路徑損耗高的缺陷，限制了無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的通信范圍和傳輸效率。

2、可重構(gòu)智能表面(ris,reconfigurable?intelligent?surface)作為未來(lái)6g通信的關(guān)鍵技術(shù)，能夠智能地控制信號(hào)的相位和幅度以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的控制。它可用于無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)，并協(xié)助設(shè)備間通信，從而增加網(wǎng)絡(luò)通信范圍和信息傳輸效率。傳統(tǒng)ris存在半空間限制，即bd僅能部署在ris的反射區(qū)域或透射區(qū)域，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中bd可能會(huì)在全空間分布的需要。

3、同時(shí)透射和反射ris(star-ris,simultaneously?transmitting?and?reflectingris)作為ris的擴(kuò)展技術(shù)，可以克服ris的半空間限制。star-ris將入射信號(hào)分為兩部分：反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。反射信號(hào)被反射到與入射信號(hào)相同的空間，即反射空間。而傳輸信號(hào)被傳輸?shù)较喾吹目臻g，即傳輸空間。本發(fā)明基于star-ris的出色性能，將star-ris應(yīng)用在基于非正交多址接入(noma,non-orthgonal?multipleaccess)的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)中有望提高系統(tǒng)性能。

4、與專利cn?118523799a_一種ris增強(qiáng)的全雙工反向散射通信網(wǎng)絡(luò)資源分配方法的技術(shù)對(duì)比區(qū)別如下；

5、1、cn?118523799a采用的方法；

6、專利cn?118523799?a提出了一種ris增強(qiáng)的全雙工反向散射通信網(wǎng)絡(luò)資源分配方法。其在全雙工反向散射通信網(wǎng)絡(luò)采用ris實(shí)現(xiàn)輔助通信。

7、1.構(gòu)建ris增強(qiáng)的全雙工反向散射通信系統(tǒng)模型，在該通信系統(tǒng)模型中建立最小化全雙工基站發(fā)射功率的資源分配優(yōu)化問(wèn)題；

8、2.將最小化全雙工基站發(fā)射功率的資源分配優(yōu)化問(wèn)題拆分為全雙工基站波束成形向量子問(wèn)題、ris上行傳輸波束成形矩陣子問(wèn)題和ris下行傳輸波束成形矩陣子問(wèn)題；

9、3.利用變量替換和半正定松弛方法處理全雙工基站波束成形向量子問(wèn)題，求解得到最優(yōu)的全雙工基站發(fā)射給反射節(jié)點(diǎn)的波束成形向量；

10、4.利用半正定松弛和半正定規(guī)劃方法分別處理ris上行傳輸波束成形矩陣子問(wèn)題和ris下行傳輸波束成形矩陣子問(wèn)題，分別求解得到ris上行傳輸和ris下行傳輸過(guò)程最優(yōu)的相移參數(shù)。

11、這種方法采用的ris技術(shù)通過(guò)控制無(wú)線信號(hào)的反射相位，能夠顯著提高無(wú)線通信的頻譜效率和能量效率，并能夠輔助設(shè)備間的通信，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提升信息傳輸效率。然而，這種方法采用的ris是傳統(tǒng)ris，它由于僅能進(jìn)行反射或透射，存在半空間的限制，即反射節(jié)點(diǎn)僅能部署在ris的反射或透射區(qū)域，難以滿足反射節(jié)點(diǎn)全空間分布的實(shí)際需求。

12、二、本發(fā)明的方法

13、本發(fā)明提出了一種star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)方法。通過(guò)在反射節(jié)點(diǎn)與訪問(wèn)接入點(diǎn)間部署star-ris，以協(xié)助反射節(jié)點(diǎn)向訪問(wèn)接入點(diǎn)傳輸信息，實(shí)現(xiàn)反射節(jié)點(diǎn)的全空間分布。其方法的核心創(chuàng)新點(diǎn)為：

14、實(shí)現(xiàn)全空間分布：為了提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性和反射節(jié)點(diǎn)到訪問(wèn)接入點(diǎn)的通信效率，構(gòu)建了star-ris輔助無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型；為了提高能量站的能量傳輸效率，配置多天線的能量站采用波束賦形技術(shù)發(fā)送射頻信號(hào)。

15、三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

16、空間分布的靈活性：本發(fā)明采用star-ris輔助通信，能夠克服傳統(tǒng)ris的半空間限制，具有全空間覆蓋的能力。相比之下，cn?118523799?a中的方法采用傳統(tǒng)ris輔助通信，反射節(jié)點(diǎn)只能位于ris的反射或透射區(qū)域，存在較大的分布限制。

17、綜上所述，本發(fā)明提出的一種star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)方法，在反射節(jié)點(diǎn)空間分布靈活性上優(yōu)于cn?118523799?a，能夠更加有效地提高網(wǎng)絡(luò)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)方法，該發(fā)明方法旨在解決ris輔助無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)存在的半空間限制以及能量和信息傳輸效率低問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)方法，具體步驟如下；

4、1)在無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中獲取上行信道數(shù)據(jù)、能量站處波束賦形矢量、基于反向散射通信技術(shù)的無(wú)源設(shè)備的反射系數(shù)、同時(shí)透射和反射ris的系數(shù)矩陣；所述系數(shù)矩陣中bds即ui,i＝1,…,n為n個(gè)bd的集合，其中i和n為預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，且i≤n；

5、2)根據(jù)上述獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算系統(tǒng)和速率；

6、3)通過(guò)計(jì)算能量站處波束賦形矢量、star-ris的系數(shù)矩陣的最優(yōu)解，以使得star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)和速率最大化。

7、進(jìn)一步的，所述步驟1)中上行信道數(shù)據(jù)包括從能量站到bds的信道數(shù)據(jù)、從bds到star-ris的信道數(shù)據(jù)、從star-ris到接入點(diǎn)的信道數(shù)據(jù)；所述star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)中bds和訪問(wèn)接入點(diǎn)之間由于存在障礙物而無(wú)法直接通信，必須通過(guò)star-ris協(xié)助通信；所述能量站配備m根天線，所述bds和訪問(wèn)接入點(diǎn)均配備單天線，所述star-ris包括l個(gè)元件，所述n、m和l均為預(yù)先設(shè)定的數(shù)值。

8、進(jìn)一步的，所述步驟1)系數(shù)矩陣中bds都裝配有backcom電路，反向散射來(lái)自能量站的射頻信號(hào)，并借此傳送自身要發(fā)送的信息；所述bds即ui,i＝1,…,n分布在star-ris的反射區(qū)域，經(jīng)其反向散射的信號(hào)經(jīng)過(guò)star-ris反射至訪問(wèn)接入點(diǎn)；所述bds即ui,i＝n1+1,…,n分布在star-ris的透射區(qū)域，經(jīng)其反向散射的信號(hào)經(jīng)過(guò)star-ris透射至訪問(wèn)接入點(diǎn)。

9、進(jìn)一步的，所述star-ris工作在能量分割協(xié)議，入射到star-ris的信號(hào)被分割為透射信號(hào)和反射信號(hào)兩部分，star-ris第l個(gè)元件對(duì)應(yīng)的透射系數(shù)和反射系數(shù)分別表示為和其中,和為對(duì)應(yīng)系數(shù)的幅度，和為對(duì)應(yīng)系數(shù)的相移，根據(jù)能量守恒定律，幅度參數(shù)應(yīng)滿足等式約束：其中

10、進(jìn)一步的，所述步驟3)中無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)采用非正交多址接入方式時(shí)，訪問(wèn)接入點(diǎn)先對(duì)來(lái)自信道增益較高的bd的信號(hào)進(jìn)行解碼，即uj與ui對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)信道增益滿足:|gs,i|＞|gs,j|，那么uj的信號(hào)將在ui的信號(hào)之后解碼，所述無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)中有這樣的不等關(guān)系成立：

11、|gs,1|＞|gs,2|＞,…,＞|gs,n-1|＞|gs,n|,

12、即第i個(gè)bd的信號(hào)在訪問(wèn)接入點(diǎn)處的解碼順序?yàn)閕；

13、根據(jù)noma協(xié)議，所述無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)中ui處sinr為：

14、

15、其中，ρi為ui的反射系數(shù)，gs,i為ui與訪問(wèn)接入點(diǎn)之間的級(jí)聯(lián)信道，hp,u為能量站與ui之間的信道，w為能量波束賦形矢量，為訪問(wèn)接入點(diǎn)處的加性高斯白噪聲的功率，上標(biāo)h表示埃爾米特共軛，|·|表示復(fù)數(shù)的求模運(yùn)算；

16、所述無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)中能量波束賦形矢量的限制為：||w||2≤ph，其中ph為能量站的最大發(fā)送功率；

17、所述無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)中ui到達(dá)訪問(wèn)接入點(diǎn)的可達(dá)速率為：

18、

19、進(jìn)一步的，所述步驟3)中計(jì)算能量站處波束賦形矢量、star-ris的系數(shù)矩陣的最優(yōu)解具體包括：

20、根據(jù)從能量站到bds的信道數(shù)據(jù)從bds到star-ris的信道數(shù)據(jù)gu,r、從star-ris到接入點(diǎn)的信道數(shù)據(jù)能量站處波束賦形矢量w、ui的反射系數(shù)ρi、star-ris的系數(shù)矩陣θs，建立求解系統(tǒng)和速率最大化問(wèn)題p0，該問(wèn)題表示為：

21、

22、s.t.?c1:||w||2≤ph,

23、c2:βr,l+βt,l≤1,0≤βr,l,βt,l≤1,

24、

25、其中，和分別為star-ris第l個(gè)元件對(duì)應(yīng)的透射系數(shù)和反射系數(shù)的幅度，和為對(duì)應(yīng)系數(shù)的相移，ui與訪問(wèn)接入點(diǎn)之間的級(jí)聯(lián)信道

26、star-ris元件的系數(shù)矩陣其中s＝r時(shí)，表示bd位于star-ris的r區(qū)域,s＝t時(shí)，表示bd位于star-ris的t區(qū)域；為復(fù)指數(shù)部分；

27、對(duì)優(yōu)化問(wèn)題p0的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

28、

29、(a)處的等號(hào)成立是由于系統(tǒng)和速率的表達(dá)式中存在裂項(xiàng)積，由于對(duì)數(shù)函數(shù)log2(.)是單調(diào)增函數(shù)，因此，對(duì)進(jìn)行最大化等價(jià)于對(duì)求最大值，于是，優(yōu)化問(wèn)題p0可等價(jià)轉(zhuǎn)化為：

30、

31、s.t.?c1:||w||2≤ph,

32、c2:βr,l+βt,l≤1,0≤βr,l,βt,l≤1,

33、

34、為了方便優(yōu)化問(wèn)題求解，對(duì)目標(biāo)函數(shù)做進(jìn)一步轉(zhuǎn)化：

35、

36、其中引入輔助變量其中rank(qs)＝1,diag(qs)＝βs，類似地，引入輔助變量w＝wwh，其中rank(w)＝1，tr(w)≤ph；

37、綜上，優(yōu)化問(wèn)題p1可轉(zhuǎn)化為：

38、

39、c2:βr,l+βt,l≤1,0≤βr,l,βt,l≤1,

40、

41、c4:diag(qs)＝βs,

42、c5:rank(qs)＝1,s∈{t,r},

43、c6:rank(w)＝1,

44、c7:qs?0,w?0,

45、將優(yōu)化問(wèn)題p2目標(biāo)函數(shù)中的tr(qshwhh)可轉(zhuǎn)化為如下形式：

46、

47、同時(shí)，將約束條件c5改寫為如下等價(jià)約束：

48、

49、優(yōu)化問(wèn)題p2采用罰函數(shù)法進(jìn)行求解，將優(yōu)化問(wèn)題p2轉(zhuǎn)化如下問(wèn)題：

50、

51、c2:βr,l+βt,l≤1,0≤βr,l,βt,l≤1,

52、

53、c4:diag(qs)＝βs,

54、c6:rank(w)＝1,

55、c7:qs?0,w?0,

56、其中，w為引入的輔助變量w＝wwh，||·||*表示矩陣的核范數(shù)，||·||2表示矩陣的譜范數(shù)；

57、對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能增強(qiáng)系統(tǒng)和速率最大化問(wèn)題進(jìn)行求解，包括：

58、步驟一：對(duì)罰函數(shù)法第n次迭代時(shí)的問(wèn)題p3采用半正定松弛和逐次凸逼近法，求解問(wèn)題得到罰函數(shù)法第n次迭代時(shí)的最優(yōu)解；

59、步驟二：重復(fù)步驟一，直至目標(biāo)函數(shù)中的罰函數(shù)項(xiàng)小于門限值，得到最終優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解w*、

60、進(jìn)一步的，優(yōu)化問(wèn)題p2的罰函數(shù)法的第n次迭代時(shí)的問(wèn)題p3采用半正定松弛和逐次凸逼近法求解包括：

61、對(duì)問(wèn)題p3采用逐次凸逼近法，在sca方法的第n次迭中，給定點(diǎn)通過(guò)一階段泰勒展開，可以獲得罰函數(shù)項(xiàng)的上界，在sca方法的第n次迭中，給定點(diǎn)和w(n)，獲得υi的凸下界：

62、

63、于是，給定w(n)，優(yōu)化問(wèn)題p3可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

64、

65、c2:βr,l+βt,l≤1,0≤βr,l,βt,l≤1,

66、

67、c4:diag(qs)＝βs,

68、c6:rank(w)＝1,

69、c7:qs?0,w?0,

70、由于約束條件c6為秩1約束，p4仍為非凸優(yōu)化問(wèn)題。因此，采用sdr技術(shù)松弛c6。松弛掉約束條件c6后的優(yōu)化問(wèn)題p4是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的sdp問(wèn)題，采用cvx工具進(jìn)行求解。

71、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

72、該star-ris輔助傳輸?shù)臒o(wú)源物聯(lián)網(wǎng)性能優(yōu)化方法，通過(guò)在bds和訪問(wèn)接入點(diǎn)間部署star-ris，使得bds可以實(shí)現(xiàn)全空間分布。此外，通過(guò)在配置多天線的能量站設(shè)計(jì)波束賦形以提高能量傳輸效率，并考慮了star-ris元件的相移和幅度聯(lián)合優(yōu)化，有效提升了bds到訪問(wèn)接入點(diǎn)的信息傳輸效率。