CN116488713A - 一种基于ris辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法 - Google Patents

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CN116488713A CN202310532590.1A CN202310532590A CN116488713A CN 116488713 A CN116488713 A CN 116488713A CN 202310532590 A CN202310532590 A CN 202310532590A CN 116488713 A CN116488713 A CN 116488713A
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田秦语
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李兴旺
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Abstract

本发明涉及一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，属于低功耗物联网技术领域，本发明针对阻碍物阻挡与信道摄动导致传输性能差的问题，考虑传输时间约束、能量收集约束、主接收机所允许的最大干扰功率约束、信道不确定性约束和智能超表面相移约束，构建基于有界信道不确定性的能效最大化资源管理模型，利用最坏准则法和柯西不等式将含参数不确定性的原非凸优化问题转换为确定性问题；通过变量替换方法、连续凸近似方法、块坐标下降法和半正定规划方法将确定性问题转化为凸问题求解，本发明能够有效提升系统总能效，同时降低主用户中断概率，改善信号传播路径。

Description

一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化 方法
技术领域
本发明属于低功耗物联网技术领域，具体涉及一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法。
背景技术
反向散射通信网络是下一代物联网低功耗领域应用的关键技术之一。随着发射节点在不同物联网应用场景的广泛部署，使得原本稀缺的频谱资源变得更加紧张，能量消耗也随之增大。同时，由于无线环境的动态性与随机性，接收机信号有可能被障碍物阻挡，使得传统反向散射通信网络通信质量急剧下降。
此外，在实际通信系统中，收发机之间的通信链路存在量化误差、反馈时延和估计误差，基站获得精准的信道状态信息是一件非常困难的事情。由于实际的反向散射节点通常为无源设备，在进行算法设计时，不仅要提高系统的吞吐量，还需要考虑反向散射节点的能量收集和系统的能量补充问题。因此，在存在信道不确定性的RIS辅助的反向散射通信网络场景下进行能量效率优化与资源管理，具有非常重要的意义与应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，考虑传输时间约束、能量收集约束、主用户所允许的最大干扰功率约束、信道不确定性约束和RIS相移约束，以最大化系统能量效率为优化目标，对RIS辅助的反向散射通信网络建立网络模型和系统模型。利用最坏准则法和柯西不等式将含参数不确定性的原非凸优化问题转换为确定性非凸优化问题；通过丁克尔巴赫方法将分式规划问题转换为减法形式的等价问题；基于变量替换方法、连续凸近似方法、块坐标下降方法和半正定规划方法将非凸问题转化为凸问题求解。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，所述RIS辅助无线携能反向散射通信系统包括：U个主接收机、一个具有N个反射元件的RIS、K对次发射-次接收机、一个主发射机；每个次发射机配备有射频能量收集模块和反向散射模块分别用于采集射频能量和反向散射无线电信号；次发射机与次接收机通过反向散射模块进行反向散射通信或通过射频能量收集模块进行主动传输通信；RIS部署在次发射机和次接收机之间，通过调整RIS的相移改变次接收机的信道增益，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：初始化RIS辅助无线携能反向散射通信系统的参数；
S2：基于信道不确定性根据次发射机的传输时间约束和能量收集约束、主接收机所允许的最大干扰功率约束、信道不确定性约束以及RIS的相移约束以RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效最大化为优化目标构建基于信道不确定性的资源优化模型；
S3：利用最坏准则法和柯西不等式将基于信道不确定性的资源优化模型转换为确定性问题模型；
S4：固定第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行反向散射时间内RIS的相移θn,k、第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行主动传输时间内RIS的相移θn,0和第k个次发射机的发射功率Pk ST，利用变量替换方法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到第k个次发射机进行反向散射通信的时间αk和第k个次发射机的反射系数ρk；
S5：固定αk、ρk、θn,k和θn,0，利用连续凸近似法法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到Pk ST；
S6：固定αk、ρk和Pk ST，利用半正定松弛方法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到RIS相移矩阵Θ；
S7：判断RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效是否收敛；若是，计算并输出最优的RIS辅助无线携能反向散射通信系统的最优总能效η*和RIS的最优相移矩阵Θ*，然后结束；否则，进入S8；
S8：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数；若是，输出η*和Θ*，然后结束，否则，更新当前迭代次数d，然后进入下一次迭代，返回S4。
进一步，所述RIS辅助无线携能反向散射通信系统的参数包括：时间帧长T、主发射机总发射功率P0、第k个次发射机接收端的噪声方差第k个次接收机接收端的噪声方差第k个次发射机的电路能耗第u个主接收机可容忍的最大干扰功率阈值第k个次发射机到第u个主接收机的联合信道估计误差半径主发射机到第k个次接收机的联合信道估计误差半径主发射机到第k个次发射机联合信道估计误差半径RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总吞吐量RTOTAL(0)、RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能耗ETOTAL(0)、RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效η、最大迭代次数Dmax、收敛精度ω和迭代次数d。
进一步，所述计算第k个次发射机进行反向散射通信的时间αk和第k个次发射机的反射系数ρk包括：
C5:0<ρk<1
其中，||·||2表示二范数，Φ＝[φ1,φ2,...,φN,1]T，其中φn,表示RIS第n个反射单元的对角矩阵，表示主发射机到第k个次发射机联合信道的信道估计值，表示第k个次发射机到第k个次接收机的直传链路以及通过RIS反射到第k个次接收机链路的等效联合信道增益，表示第k个次发射机在进行反向散射通信过程中干扰加噪声之和，表示第k个次发射机在进行主动传输过程中的吞吐量，表示RIS辅助无线携能反向散射通信系统的确定性总能耗，B表示带宽。
进一步，计算第k个次发射机的发射功率Pk ST包括：
其中，表示第k个次发射机在进行反向散射通信过程中的吞吐量，表示第k个次发射机在进行主动传输过程中干扰加噪声之和，表示第k个次发射机到第u个主接收机的信道估计值。
进一步，所述计算RIS相移矩阵Θ包括：
C6:Rank(Θ)＝1
进一步，所述判断RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效是否收敛包括：
当第d次迭代时RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效满足|η(d)-η(d-1)|≤ω时，则收敛，反之不收敛，其中，
本发明至少具有以下有益效果
本发明所提供的方法与完美信道状态信息下的方法相比，本发明方案具有较高的能效和较强的鲁棒性，提高了反向散射通信网络的鲁棒性和吞吐量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的系统模型图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明方法的能效收敛图；
图4为本发明方法的鲁棒性图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明提供一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，考虑RIS辅助无线携能反向散射通信系统下行链路传输场景，所述RIS辅助无线携能反向散射通信系统包括：U个主接收机、一个具有N个反射元件的RIS、K对次发射-次接收机、一个主发射机；每个次发射机配备有射频能量收集模块和反向散射模块分别用于采集射频能量和反向散射无线电信号；次发射机与次接收机通过反向散射模块进行反向散射通信或通过射频能量收集模块进行主动传输通信；RIS部署在次发射机和次接收机之间，通过调整RIS的相移改变次接收机的信道增益；其中，所有设备的收发端均为单天线，次发射机的主动传输和反向散射通信不会同时进行。
RIS部署在次发射机和次接收机之间以提高次用户的性能，通过调整RIS的相移改变次接收机的信道增益，增强次接收机接收到的有用信号。
S1：初始化RIS辅助无线携能反向散射通信系统的参数；
优选地，所述RIS辅助无线携能反向散射通信系统的参数包括：时间帧长T、主发射机总发射功率P0、第k个次发射机接收端的噪声方差第k个次接收机接收端的噪声方差第k个次发射机的电路能耗第u个主接收机可容忍的最大干扰功率阈第k个次发射机到第u个主接收机的联合信道估计误差半径主发射机到第k个次接收机的联合信道估计误差半径主发射机到第k个次发射机联合信道估计误差半径RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总吞吐量RTOTAL(0)、RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能耗ETOTAL(0)、RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效η、最大迭代次数Dmax、收敛精度ω和迭代次数d。
S2：基于信道不确定性根据次发射机的传输时间约束和能量收集约束、主接收机所允许的最大干扰功率约束、信道不确定性约束以及RIS的相移约束以RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效最大化为优化目标构建基于信道不确定性的资源优化模型；
优选地，所述基于信道不确定性的资源优化模型包括：
基于目标是在考虑次发射机的传输时间约束和能量收集约束、主接收机所允许的最大干扰功率约束、信道不确定性约束以及RIS相移约束的情况下最大化RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效，因此，在完美信道状态信息下，通过联合优化第k个次发射机的发射功率Pk ST、第k个次发射机进行反向散射通信的时间αk、第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行反向散射时间内RIS的相移θn,k、第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行主动传输时间内RIS的相移θn,0和第k个次发射机的反射系数ρk，资源分配能量效率最大化问题可以描述为；
C4:|θn,k|＝1,|θn,0|＝1
C5:0<ρk<1
其中，表示RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总吞吐量，表示第k个次发射机在反向散射通信过程中含有摄动参数的传输速率，表示第k个次发射机在反向散射通信过程中含有摄动参数的信干噪比，表示主发射机对第k个次发射机的干扰，表示主发射机到第k个次接收机的直传链路以及通过RIS反射到第k个次接收机链路的等效联合信道增益，表示主发射机到第k个主接收机的直传链路以及通过RIS反射到第k个主接收机链路的等效联合信道增益，表示第k个次发射机到第k个次接收机的直传链路和通过RIS反射到第k个次接收机链路的等效联合信道增益，表示第k个次发射机在主动传输过程中的传输速率，表示第k个次发射机在主动传输过程中的信干噪比，表示第k个次发射机在主动传输过程中收到来自其它次接收机的干扰，表示RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能耗，表示第k个次发射机收集的能量，Pk EH表示在非线性能量收集下第k个次发射机收集的实际功率，表示第k个次发射机的输入功率，C1是次发射机的传输时间约束，C2是主接收机所允许的最大干扰功率约束，C3是次发射机的能量收集约束，C4是RIS的相移约束，C5是反向散射系数约束。
为了克服信道不确定性影响，在上述优化问题中将信道不确定性因素考虑在内，根据鲁棒优化理论，信道不确定性问题可以描述为：
其中，和分别表示主发射机到第k个次发射机、主发射机到第k个次接收机、第k个次发射机到第u个主接收机、主发射机到RIS再到第k个次发射机、主发射机到RIS再到第k个次接收机和第k个次发射机到RIS再到第u个主接收机的信道估计值， 和表示相应的估计误差， 和表示相应的估计误差的半径。ΩPT-ST、ΩPT-SR和ΩST-PR是以和为半径的信道不确定性区域集。
将上述信道不确定性问题模型代入等效联合信道Gk,u,1、Gk,2和Gk,3可以得到
其中，和分别表示第k个次发射机到第u个主接收机、主发射机到第k个次接收机和主发射机到第k个次发射机联合信道的信道估计值，ΔGk,u,1、ΔGk,2和ΔGk,3表示对应的信道估计误差，因此，有
其中，和分别表示第k个次发射机到第u个主接收机、主发射机到第k个次接收机和主发射机到第k个次发射机联合信道估计误差的半径，因此，鲁棒能效优化问题即基于信道不确定性问题的资源优化模型可以表示为：
C4:|θn,k|＝1,|θn,0|＝1
C5:0<ρk<1
其中，C6表示信道不确定性集合约束。由于目标函数含有相互耦合的优化变量以及在约束中存在信道不确定性，该问题是一个十分难解的非凸优化问题。
S3：利用最坏准则法和柯西不等式将基于信道不确定性的资源优化模型转换为确定性问题模型：
考虑信道不确定性约束，基于柯西不等式，将C2进行如下等价转换
基于最坏准则，将C3重写为
类似于可重写为
至此，所有不确定性约束均被转换为确定性约束。因此，基于最坏准则法，目标函数可以转换为在信道估计误差下最大化系统的最小能效。
基于上述转换，类似于不确定性约束转换方法，目标函数可重写为
其中，表示第k个次发射机在进行反向散射通信过程中的吞吐量，表示第k个次发射机在进行反向散射通信中干扰加噪声之和，表示第k个次发射机在进行主动传输过程中的吞吐量，其中表示第k个次发射机在进行主动传输过程中的信干噪比，表示第k个次发射机在进行主动传输过程中干扰加噪声之和，表示RIS辅助无线携能反向散射通信系统的确定性总能耗，因此，优化问题可以转换为
利用丁克尔巴赫对分式目标函数进行处理
至此，优化问题已经转换为一个确定性问题。
但由于目标函数、和的影响，该问题仍是一个多变量耦合的非凸优化问题。因此，采用基于块坐标下降的交替迭代方法进行求解。
S4：固定第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行反向散射时间内RIS的相移θn,k、第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行主动传输时间内RIS的相移θn,0和第k个次发射机的发射功率Pk ST，利用变量替换方法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到第k个次发射机进行反向散射通信的时间αk和第k个次发射机的反射系数ρk；
得到关于变量αk和ρk的子优化问题
由于αk与ρk耦合，上述问题非凸，利用变量替换方法，引入辅助变量Ak＝αkρk，该问题可以转换为
由于在约束和表达式中的1-ρk与αk存在耦合关系，转换后的问题仍是非凸的，引入辅助变量uk＝1/(1-ρk)，此时，该问题是一个凸优化问题，可以用CVX工具箱进行求解。
S5：固定αk、ρk、θn,k和θn,0，利用连续凸近似法法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到Pk ST；
接下来，固定优化变量αk、ρk、θn,k和θn,0得到关于变量Pk ST的子优化问题
利用连续凸近似对上述问题中主动传输阶段的速率函数进行处理，其速率可近似为：
其中，和为辅助变量。
当时，不等式等号成立，因此，主动传输阶段的速率函数近似为
其中，为辅助变量，的初始值为系统参数初始化对应的初始值；因此，问题可以转换为
此时，上述问题是一个凸优化问题，可利用CVX工具箱进行求解。
S6：固定αk、ρk和Pk ST，利用半正定松弛方法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到RIS相移矩阵Θ；
固定优化变量αk、ρk和Pk ST得到关于θn,k和θn,0的子优化问题。定义Θ＝ΦHΦ，且满足Rank(Θ)＝1，利用半正定松弛方法将该问题转换为
C6:Rank(Θ)＝1
利用半正定松弛技术松弛约束C6，上述问题转换为一个凸优化问题，可以利用CVX工具箱进行求解，利用高斯随机化方法构造Θ的唯一解，若上述问题得到的解是Θ*，若Rank(Θ*)＝1，则采用特征值分解得到若Rank(Θ*)≠1，则利用高斯随机化方法得到问题的近似解。
因此，基于迭代的鲁棒能效优化算法如图2所示。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
仿真条件
假设路径损耗模型为Γ(d)＝Γ0(di/d0)-α，其中，Γ0＝-30dBm表示在参考距离d0＝1m时的路径损耗，di表示任意两个设备间的距离，α＝3表示路径损耗指数，小尺度衰落服从瑞利衰落。主发射机到RIS的距离为6m；主接收机位于(0,9)处；RIS位于(3,3)处，次发射-接收机对随机分布在圆心为(1,0)，半径为1m的圆内。其它仿真参数由表1给出：
表1仿真参数表
仿真结果
在本实施例中，图3给出了本实例迭代方法的能效收敛图。图4给出了本实例迭代方法的鲁棒性图。其中，图3显示了本发明方法能够很快地取得收敛，从而证明本发明方法能够很好的保障主接收机用户的通信质量，具有实时性。图4显示随着信道不确定性上界(ΔGk,u,1)增大，所有方法主接收机用户的中断概率也随之增大，但在同一ΔGk,u,1值下，本发明方法的主接收机实际接收的干扰功率最小且低于干扰功率门限，从而证明本发明方法具有较强的鲁棒性。图3和图4的实验结果显示本发明方法在保证实时性的同时，也保证了主接收机用户的服务质量，具有较强的鲁棒性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，所述RIS辅助无线携能反向散射通信系统包括：U个主接收机、一个具有N个反射元件的RIS、K对次发射-次接收机、一个主发射机；每个次发射机配备有射频能量收集模块和反向散射模块分别用于采集射频能量和反向散射无线电信号；次发射机与次接收机通过反向散射模块进行反向散射通信或通过射频能量收集模块进行主动传输通信；RIS部署在次发射机和次接收机之间，通过调整RIS的相移改变次接收机的信道增益，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：初始化RIS辅助无线携能反向散射通信系统的参数；
S2：基于信道不确定性根据次发射机的传输时间约束和能量收集约束、主接收机所允许的最大干扰功率约束、信道不确定性约束以及RIS的相移约束以RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效最大化为优化目标构建基于信道不确定性的资源优化模型；
S3：利用最坏准则法和柯西不等式将基于信道不确定性的资源优化模型转换为确定性问题模型；
S4：固定第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行反向散射时间内RIS的相移θn,k、第n个RIS反射单元在第k个次发射机进行主动传输时间内RIS的相移θn,0和第k个次发射机的发射功率利用变量替换方法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到第k个次发射机进行反向散射通信的时间αk和第k个次发射机的反射系数ρk；
S5：固定αk、ρk、θn,k和θn,0，利用连续凸近似法法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到
S6：固定αk、ρk和利用半正定松弛方法将确定性问题模型转化为凸优化问题计算得到RIS相移矩阵Θ；
S7：判断RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效是否收敛；若是，计算并输出最优的RIS辅助无线携能反向散射通信系统的最优总能效η*和RIS的最优相移矩阵Θ*，然后结束；否则，进入S8；
S8：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数；若是，输出η*和Θ*，然后结束，否则，更新当前迭代次数d，然后进入下一次迭代，返回S4。
2.根据权利要求1所述的一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，其特征在于，所述RIS辅助无线携能反向散射通信系统的参数包括：时间帧长T、主发射机总发射功率P0、第k个次发射机接收端的噪声方差第k个次接收机接收端的噪声方差第k个次发射机的电路能耗第u个主接收机可容忍的最大干扰功率阈值第k个次发射机到第u个主接收机的联合信道估计误差半径主发射机到第k个次接收机的联合信道估计误差半径主发射机到第k个次发射机联合信道估计误差半径RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总吞吐量RTOTAL(0)、RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能耗ETOTAL(0)、RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效η、最大迭代次数Dmax、收敛精度ω和迭代次数d。
3.根据权利要求2所述的一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，其特征在于，所述计算第k个次发射机进行反向散射通信的时间αk和第k个次发射机的反射系数ρk包括包括：
C5:0<ρk<1
其中，||·||2表示二范数，Φ＝[φ1,φ2,...,φN,1]T，其中表示RIS第n个反射单元的对角矩阵，表示主发射机到第k个次发射机联合信道的信道估计值，表示第k个次发射机到第k个次接收机的直传链路以及通过RIS反射到第k个次接收机链路的等效联合信道增益，表示第k个次发射机在进行反向散射通信过程中干扰加噪声之和，表示第k个次发射机在进行主动传输过程中的吞吐量，表示RIS辅助无线携能反向散射通信系统的确定性总能耗，B表示带宽。
4.根据权利要求3所述的一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，其特征在于，第k个次发射机的发射功率包括：
其中，表示第k个次发射机在进行反向散射通信过程中的吞吐量，表示第k个次发射机在进行主动传输过程中干扰加噪声之和，表示第k个次发射机到第u个主接收机的信道估计值。
5.根据权利要求4所述的一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，其特征在于，所述计算RIS相移矩阵Θ包括：
C6:Rank(Θ)＝1
6.根据权利要求5所述的一种基于RIS辅助无线携能反向散射通信系统的资源优化方法，其特征在于，所述判断RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效是否收敛包括：
当第d次迭代RIS辅助无线携能反向散射通信系统的总能效满足|η(d)-η(d-1)|≤ω时，则收敛，反之不收敛，其中，
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