无线携能通信方法及装置、通信系统

本公开涉及通信，尤其涉及一种无线携能通信方法及装置、通信系统。

背景技术：

1、为6g关键技术之一，无线携能通信被视为为大量低功耗设备提供绿色高效能源的有效手段。然而由于长距离通信中障碍物的阻挡，路径损耗较大，导致系统能耗较高，同步无线信息和电力传输(swipt)技术有望成为6g不可或缺的组成部分。swipt技术依赖于无线能量传输技术，利用相同的频段和波形，可以同时进行能量和信息的传输，以实现能量接收机和信息接收机的协同工作。接入点(ap)根据信道状态信息，通过优化能量波束和信息波束赋形，来平衡能量接收和信息传输性能，但是，由于能量和信息发射都集中在ap处，当接收机处于障碍物的阴影区域时，路径损耗较大，因此，swipt系统的传输效率和传输范围在长距离传输中并不理想。为了改善swipt系统的能耗性能，可重构智能反射面(ris)作为一种新兴技术被提出。在ris平面上有大量的反射单元元件,可以通过可编程门阵列等电路的编码控制,改变元件相位或者振幅参数,调整入射信号的幅度和方向，从而扩大信号的覆盖范围，因此，利用ris可以减轻swipt系统长距离通信引起的传输损耗问题。

2、然而现有的研究涉及到的无源ris辅助的swipt系统的功耗依旧较高，且无源ris仅具备反射功能而不具备透射功能，频谱空间利用有限，有源ris尽管可以通过放大信号来减少衰减，却依旧不具备透射功能，无源透射反射双功能可重构智能表面(star-ris)虽然具备透射和反射的功能，但其并不能对信号进行放大，因此，既可以将信号放大，又能将其透射和反射，从而更大程度上降低ap发射功率成为研究热点。

技术实现思路

1、本公开提出了一种无线携能通信方法及装置、通信系统技术方案。

2、根据本公开的一方面，提供了一种无线携能通信方法，包括：

3、以最小化接入点/基站发射功率为目标，在满足信息接收机通信速率和最小能量接收机功率约束的条件下进行建模，确定有源透射反射双功能可重构智能表面辅助的无线携能通信系统对应的目标函数；

4、对所述目标函数进行求解，确定最小化接入点/基站发射功率对应的最终优化的主动波束成形变量及最终优化的被动波束成形变量。

5、优选地，所述对所述目标函数进行求解，确定最小化接入点/基站发射功率对应的最终优化的主动波束成形变量及最终优化的被动波束成形变量的方法，包括：

6、步骤201：固定所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数对应的被动波束成形变量，利用所述被动波束成形变量求解优化所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数的主动波束成形变量；

7、步骤202：利用优化的主动波束成形变量及所述目标函数中被动波束成形变量优化目标函数，对固定的被动波束赋形变量进行求解优化，得到优化的被动波束赋形变量；

8、步骤203：固定所述优化的被动波束成形变量，再次利用所述优化的被动波束成形变量及所述主动波束成形变量优化目标函数对上一次所述优化的主动波束成形变量再次优化；

9、重复步骤201-步骤202/步骤203，直至，所述主动波束成形变量优化目标函数收敛及所述被动波束成形变量优化目标函数收敛，确定最小化接入点/基站发射功率对应的最终优化的主动波束成形变量及最终优化的被动波束成形变量。

10、优选地，所述固定所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数对应的被动波束成形变量，利用所述被动波束成形变量求解优化所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数的主动波束成形变量的方法，包括：获取被动反射波束成形矩阵及放大倍率矩阵p；基于所述被动反射波束成形矩阵及所述放大倍率矩阵p，确定所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数对应的被动波束成形变量基于固定/给定的被动波束成形变量，利用所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数，对主动波束成形变量{wi,vj}进行求解，得到优化的主动波束成形变量。

11、优选地，所述利用优化的主动波束成形变量及所述目标函数中被动波束成形变量优化目标函数，对固定的被动波束赋形变量进行求解优化，得到优化的被动波束赋形变量的方法，包括：基于优化的主动波束成形变量，利用所述目标函数中被动波束成形变量优化目标函数，对被动反射波束成形变量进行求解，得到优化的被动反射波束成形变量。

12、优选地，所述固定所述优化的被动波束成形变量，再次利用所述优化的被动波束成形变量及所述主动波束成形变量优化目标函数对上一次所述优化的主动波束成形变量再次优化的方法，包括：基于所述优化的被动波束成形变量，利用所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数，对所述主动波束成形变量{wi,vj}再次求解，得到进一步优化的主动波束成形变量。

13、优选地，基于固定/给定的被动波束成形变量/优化的被动波束成形变量，利用所述目标函数中主动波束成形变量优化目标函数，对主动波束成形变量{wi,vj}进行求解/再次求解，得到优化的主动波束成形变量的方法，包括：基于每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵放大倍率矩阵p、有源透射反射双功能可重构智能表面的透射系数矩阵从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵g，确定对应的信息接收机的透射信号对应的第一待构建矩阵基于有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述能量接收机的第三窄带准静态衰落信道矩阵及第二预编码向量、放大倍率矩阵p、有源透射反射双功能可重构智能表面的反射系数矩阵从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵g，确定对应的能量接收机的透射信号对应的第二待构建矩阵分别基于每个信息接收机的透射信号对应的第一待构建矩阵及每个能量接收机的透射信号对应的第二待构建矩阵确定对应的信息接收机的透射信号对应的第一矩阵及能量接收机的反射信号对应的第二矩阵分别基于每个信息接收机的第一预编码向量wi及每个能量接收机的第二预编码向量vj，确定每个信息接收机对应的第一预编码矩阵及每个能量接收机的第二预编码矩阵利用所述第一预编码矩阵的迹及所述二预编码矩阵的迹，对所述主动波束成形变量优化目标函数进行优化，得到第一优化目标函数；利用所述第一预编码矩阵、所述二预编码矩阵、所述第一矩阵及所述第二矩阵，对所述满足信息接收机通信速率和最小能量接收机功率约束的条件进行优化，得到所述第一优化目标函数对应的约束条件；进而，利用所述第一优化目标函，对主动波束成形变量{wi,vj}进行求解/再次求解，得到优化的主动波束成形变量。

14、优选地，还包括：对所述第一优化目标函数对应的约束条件进一步优化，消除非凸约束，得到半正定松弛形式对应的第一优化目标函数；进而，利用所述半正定松弛形式对应的第一优化目标函，对主动波束成形变量{wi,vj}进行求解/再次求解，得到优化的主动波束成形变量。

15、优选地，基于优化的主动波束成形变量，利用所述目标函数中被动波束成形变量优化目标函数，对被动反射波束成形变量进行求解/再次求解，得到优化的被动反射波束成形变量的方法，包括：对给定的/优化的被动反射波束成形变量进行泰勒展开处理，确定被动波束成形变量优化目标函数对应的凸上界；利用所述凸上界，对所述被动波束成形变量优化目标函数进行优化，得到第二优化目标函数；基于优化的主动波束成形变量，利用所述第二优化目标函数，对被动反射波束成形变量进行求解/再次求解，得到优化的被动反射波束成形变量。

16、优选地，所述基于优化的主动波束成形变量，利用所述第二优化目标函数，对被动反射波束成形变量进行求解/再次求解，得到优化的被动反射波束成形变量的方法，包括：获取配置有松弛系数α的松弛变量τi；将所述第二优化目标函数减去配置有松弛系数α的松弛变量τi，得到第三优化目标函数；所述基于优化的主动波束成形变量，利用所述第三优化目标函数，对被动反射波束成形变量进行求解/再次求解，得到优化的被动反射波束成形变量。

17、优选地，所述以最小化接入点/基站发射功率为目标，在满足信息接收机通信速率和最小能量接收机功率约束的条件下进行建模，确定有源透射反射双功能可重构智能表面辅助的无线携能通信系统对应的目标函数的方法，包括：获取接入点/基站的主动波束成形变量及其对应的信息接收机的通信速率和能量接收机接收到的功率、有源透射反射双功能可重构智能表面的被动反射波束成形矩阵；在所述信息接收机的通信速率、所述能量接收机接收到的功率及所述被动反射波束成形矩阵的约束条件下，将所述主动波束成形变量中所有信息接收机的第一预编码向量wi和所有能量接收机的第二预编码向量vj对应的第一最小值函数配置为所述目标函数中的主动波束成形变量优化目标函数。

18、优选地，所述将所述主动波束成形变量中所有信息接收机的第一预编码向量和所有能量接收机的第二预编码向量对应的第一最小值函数配置为所述目标函数中的主动波束成形变量优化目标函数的方法，包括：分别计算所述主动波束成形变量中每个信息接收机的第一预编码向量对应的多个第一谱范数；对所述多个第一谱范数求和，得到所述所有信息接收机的第一预编码向量和∑||wi||2；分别计算所述主动波束成形变量中每个能量接收机的第二预编码向量对应的多个第二谱范数；对所述多个第二谱范数求和，得到所述所有信息接收机的第二预编码向量和∑||vj||2；将所述第一预编码向量和及所述第二预编码向量和对应的第一最小值函数配置为所述目标函数中的主动波束成形变量优化目标函数。

19、优选地，在所述确定有源透射反射双功能可重构智能表面辅助的无线携能通信系统对应的目标函数之前，每个所述信息接收机通信速率的确定方法，包括：分别获取有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵及第一预编码向量、放大倍率矩阵p、有源透射反射双功能可重构智能表面的透射系数矩阵从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵g；基于所述有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵及预编码向量、放大倍率矩阵、有源透射反射双功能可重构智能表面的透射系数矩阵、从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵，确定每个所述信息接收机通信速率。

20、优选地，在所述确定有源透射反射双功能可重构智能表面辅助的无线携能通信系统对应的目标函数之前，每个所述信息接收机通信速率的确定方法，还包括：获取高斯白噪声和/或有源透射反射双功能可重构智能表面处的热噪声基于所述有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵及预编码向量、放大倍率矩阵、有源透射反射双功能可重构智能表面的透射系数矩阵、从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵、高斯白噪声和/或有源透射反射双功能可重构智能表面处的热噪声确定每个所述信息接收机通信速率。

21、优选地，所述有源透射反射双功能可重构智能表面的透射系数矩阵的确定方法，包括：获取有源透射反射双功能可重构智能表面的每个元素对应的透射系数的相移响应βt及振幅响应θt；基于所述每个元素对应的透射系数的相移响应βt及振幅响应θt确定待对角化的透射系数矩阵；对所述待对角化的透射系数矩阵进行对角化，得到所述有源透射反射双功能可重构智能表面的透射系数矩阵。

22、优选地，在所述确定有源透射反射双功能可重构智能表面辅助的无线携能通信系统对应的目标函数之前，每个所述能量接收机接收到的功率ej的确定方法，包括：分别获取有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述信息接收机的第一预编码向量、有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述能量接收机的第三窄带准静态衰落信道矩阵及第二预编码向量、放大倍率矩阵p、有源透射反射双功能可重构智能表面的反射系数矩阵从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵g；基于所述有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述信息接收机的第一预编码向量、有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述能量接收机的第三窄带准静态衰落信道矩阵及第二预编码向量、放大倍率矩阵、有源透射反射双功能可重构智能表面的反射系数矩阵、从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵，确定每个所述能量接收机接收到的功率。

23、优选地，所述有源透射反射双功能可重构智能表面的反射系数矩阵的方法，包括：获取有源透射反射双功能可重构智能表面的每个元素对应的反射系数的相移响应βr及振幅响应θr；基于所述每个元素对应的反射系数的相移响应及振幅响应确定待对角化的透反射系数矩阵；对所述待对角化的反射系数矩阵进行对角化，得到所述有源透射反射双功能可重构智能表面的反射系数矩阵。

24、优选地，其中，所述满足信息接收机通信速率和最小能量接收机功率约束的条件，包括：每个信息接收机的通信速率大于等于对应的最小设定速率；每个能量接收机接收到的功率大于等于对应的最小设定功率；所述被动反射波束成形矩阵属于透射系数矩阵和反射系数矩阵对应的可行集。

25、优选地，确定所述目标函数中被动波束成形变量优化目标函数的方法，包括：获取透射信号和/或反射信号对应的给定的/优化的被动波束成形变量qk、惩罚因子η；计算所述被动波束成形变量对应的核范数和谱范数；将所述惩罚因子、所述核范数和所述谱范数的差值对应的第二最小值函数，配置为所述目标函数中被动波束成形变量优化目标函数。

26、优选地，所述被动波束成形变量优化目标函数对应的约束条件的方法，包括：基于每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵及第一预编码向量wi、从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵g，确定对应的信息接收机的透射信号对应的第三待构建矩阵基于有源透射反射双功能可重构智能表面到每个所述能量接收机的第三窄带准静态衰落信道矩阵及第二预编码向量、从接入点/基站到有源源透射反射双功能可重构智能表面的第二窄带准静态衰落信道矩阵g，确定对应的能量接收机的反射信号对应的第四待构建矩阵分别基于所述第三待构建矩阵及所述第四待构建矩阵，确定每个信息接收机的透射信号对应的第三矩阵及每个能量接收机的反射信号对应的第四矩阵基于所述第三矩阵、所述第四矩阵、所述被动波束成形变量qk中透射信号对应的被动波束成形变量qt和反射信号对应的被动波束成形变量qr、每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵确定所述被动波束成形变量优化目标函数对应的约束条件。

27、优选地，所述基于所述第三矩阵、所述第四矩阵、所述被动波束成形变量qk中透射信号对应的被动波束成形变量qt和反射信号对应的被动波束成形变量qr、每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵确定所述被动波束成形变量优化目标函数对应的约束条件的方法，还包括：获取高斯白噪声和/或有源透射反射双功能可重构智能表面处的热噪声基于所述第三矩阵、所述第四矩阵、所述被动波束成形变量qk中透射信号对应的被动波束成形变量qt和反射信号对应的被动波束成形变量qr、每个所述信息接收机的第一窄带准静态衰落信道矩阵所述高斯白噪声及所述热噪声，确定所述被动波束成形变量优化目标函数对应的约束条件。

28、根据本公开的一方面，提供了一种无线携能通信装置，包括：

29、确定单元，用于以最小化接入点/基站发射功率为目标，在满足信息接收机通信速率和最小能量接收机功率约束的条件下进行建模，确定有源透射反射双功能可重构智能表面辅助的无线携能通信系统对应的目标函数；

30、求解单元，用于对所述目标函数进行求解，确定最小化接入点/基站发射功率对应的最终优化的主动波束成形变量及最终优化的被动波束成形变量。

31、根据本公开的一方面，提供了一种无线携能通信装置，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为：执行上述无线携能通信方法。

32、根据本公开的一方面，提供了一种无线携能通信装置，包括：计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述无线携能通信方法。

33、根据本公开的一方面，提供了一种无线携能通信装置，包括：计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述的无线携能通信方法。

34、根据本公开的一方面，提供了一种通信系统，应用如上述的无线携能通信方法。

35、根据本公开的一方面，提供了一种通信系统，如上述的无线携能通信装置。

36、在本公开实施例中，提出了一种无线携能通信方法及装置、通信系统技术方案，以解决目前的方法能耗高，不能达到最优性能的问题。

37、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。

38、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。