[发明专利]一种节省可配置智表面辅助协作反向散射传输耗能的方法

权利要求书

1.一种节省可配置智表面辅助协作反向散射传输耗能的方法，由以下通信系统实现；该系统包括一个多天线主发射端，天线个数记作N、一个配备可配置智表面的能量受限次发射端，可配置智表面包含大量微单元，微单元个数记作I_R、以及一个单天线接收端；次发射端可配置智表面上的微单元能够工作于两种模式：信号反射模式或能量收集模式；将可配置智表面上第i个微单元的工作模式记作s_i，当s_i＝1，则可配置智表面上第i个微单元对无线信号进行反射，当s_i＝0，则可配置智表面上第i个微单元收集无线信号能量；记可配置智表面上单个微单元反射信号时的耗能为u，信号反射效率为α，α≤1，收集无线能量时，能量收集率为η，η≤1；整个系统工作于协作反向散射通信机制下，主发射端通过波束成形发射射频信号，将信息发送至接收端，进行主链路传输，记主发射端波束成形向量为w，其中w为包含N个复数元素的列向量，即表示N×1维的复矩阵的集合，次发射端则进行协作反向散射传输，即利用部分可配置智表面微单元将信息调制到反射的主链路射频信号上，并通过反射波束成形将反射信号发送至接收端，进行次链路传输，将次发射端反射波束成形向量记作θ，其中θ为可配置智表面微单元反射系数组成的向量，即T表示转置符号，表示可配置智表面上第i个微单元的反射系数，表示相移,主次发射端相互协作使得接收端能够从主次链路信号中联合恢复出主次发射端信息,同时，次发射端分配另一部分可配置智表面微单元进行无线能量收集以节省可配置智表面耗能；次发射端使用二进制相移键控通过可配置智表面将自身信息调制到反射的主链路射频信号上，当次发射端发送码元“1”时，可配置智表面通过θ进行无线信号反射，当次发射端发送码元“-1”时，可配置智表面通过-θ进行无线信号反射；次链路传输码元周期是主链路传输码元周期的L倍，L为远大于1的正整数；整个系统的信道是准静态的，平坦衰落的无记忆信道，将主发射端至接收端的信道、主发射端至次发射端的信道以及次发射端至接收端的信道分别记作接收端处的噪声是平稳的高斯白噪声，噪声功率为σ²；通过对主发射端波束成形向量、可配置智表面工作模式分配方案以及次发射端反射波束成形向量进行设计，为借助可配置智表面进行协作反向散射传输的能量受限次发射端节省可配置智表面耗能，该方法包含内、中、外三层循环，具体步骤如下：

1)估计u，α和η的值，并利用信道估计，估计出h_d、G、h_r以及σ²的值，设定主发射端功率限制P，主链路传输速率需求R_p，次链路传输信噪比需求γ，内层、中层和外层循环的门限值ε_in、ε_mid、ε_out以及内层、外层循环的最大循环次数门限值与最大循环次数与算法的精度有关；

2)记S＝diag(s_i)为可配置智表面微单元工作模式分配策略矩阵，Θ＝diag(θ_i)为可配置智表面反射波束成形矩阵，t为松弛变量，为对θ的高维松弛映射，o_out为算法外层循环次数，E_sav(o_out)为第o_out次外层循环所得到的主发射端波束成形向量、次发射端反射波束成形向量与可配置智表面微单元工作模式分配策略能够为次发射端节省的耗能，其中diag(·)代表对角矩阵构造函数，H表示共轭转置符号,初始化s_i＝1,θ_i＝1,i＝1,...,I_R，o_out＝0，E_sav(o_out)＝0；

3)记Q为对向量乘积ww^H的半正定松弛，求解以下优化问题获得Q，

tr(Q)≤P

该优化问题表示在约束式对变量Q进行限制的条件下，求取令目标函数ηtr((I-S)GWG^H(I-S))-tr(S)u最大化的Q，s.t.表示约束符号，argmax表示求取使目标函数最大化的变量的操作，tr(·)代表矩阵求迹运算，约束条件限定Q为半正定矩阵，I表示单位矩阵；该优化问题是标准的凸优化问题，可以通过内点法进行求解；

4)对Q进行求矩阵秩的运算,若rank(Q)＝1，则跳转至步骤7)，否则继续步骤5)，rank(·)表示求矩阵秩的运算；

5)将Q分解为矩阵的乘积，获得矩阵V,即获得矩阵V满足Q＝VV^H，求解满足等式以及tr(V^HVZ)＝0的埃尔米特矩阵Z，若矩阵Z的所有特征值不都小于0，则令Q＝V(I-(1/maxeig(Z))Z)V^H，否则，令Q＝V(I-(1/mineig(Z))Z)V^H，其中maxeig(·)和mineig(·)分别表示求矩阵最大特征值和最小特征值的运算；

6)若rank(Q)＝1，则继续步骤7)，否则转至步骤5)；

7)令其中maxeigvc(·)表示求与矩阵最大特征值相对应的单位特征向量的运算；

8)初始化收敛系数ρ的上限和下限ρ_min和ρ_max，令ρ_min＝u/3，g_i为向量g＝Gw中的第i个元素，表示向量g内元素模的平方的最大值；

9)计算ρ＝(ρ_min+ρ_max)/2；

10)定义x,x₁,x₂为的副本，μ,μ₁,μ₂为x,x₁,x₂对应的对偶向量，o_in为内层循环次数；初始化o_in＝0,x＝1,x₁＝1,x₂＝1,μ＝0,μ₁＝0,μ₂＝0，其中1为元素全为1的向量，0为元素全为0的向量；

11)对i＝1,...,I_R,计算J_i＝η|g_i|²+u+3ρ-2ρ|(x_i+μ_i)+(x_1,i+μ_1,i)+(x_2,i+μ_2,i)|,若J_i0，则令s_i＝0，若J_i≤0，则令s_i＝1，计算其中x_i，x_1,i，x_2,i，μ_i，μ_1,i，μ_2,i，分别表示向量x，x₁，x₂，μ，μ₁，μ₂，中的第i个元素，ang(·)代表求复数相角运算；

12)并行执行步骤12a)、12b)以及12c)

12a)若则令若则令若上述两个条件皆不满足，则令其中||·||表示向量的二范数；

12b)若则令若则令若上述两个条件皆不满足，则令

12c)若则令若则令若上述两个条件皆不满足，则令

13)令o_in＝o_in+1；

14)若且则跳转至步骤11)，若上述条件之一不满足则继续步骤15)；

15)若则继续步骤16)，否则跳转至步骤17)；

16)令ρ_min＝ρ并跳转至步骤9)；

17)若ρ-ρ_min≥ε_mid，则继续步骤18)，否则跳转至步骤19)

18)令ρ_max＝ρ并跳转至步骤9)；

19)令o_out＝o_out+1，计算E_sav(o_out)＝(I_R-tr(S))u+ηtr((I-S)Gww^HG^H(I-S))，

其中表示求复数共轭运算；

20)若E_sav(o_out)-E_sav(o_out-1)≥ε_out且则跳转至步骤3)，若上述条件之一不满足则E_sav(o_out)为能够为次发射端节省的最大能耗

21)给出能够为次发射端节省的最大能耗以及与其相对应的主发射端波束成形向量w、次发射端反射波束成形向量θ与可配置智表面微单元工作模式分配方案s_i,i＝1,...,I_R。