[發(fā)明專利]基于IRS輔助分布式射頻攜能傳輸系統(tǒng)及用其提高能量收集效率的優(yōu)化方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210285824.2
• 申請(qǐng)日: 2022-03-23
• 公開（公告）號(hào): CN114665942A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張海洋;代海波;黃偉;孫萍;張行;許善玉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京比特焦耳智能科技有限公司
• 主分類號(hào): H04B7/08
• 分類號(hào): H04B7/08
• 代理公司: 南京中律知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32341
• 代理人: 祝坤

本發(fā)明提供了IRS輔助分布式射頻攜能傳輸系統(tǒng)，包括智能反射面IRS、分布式射頻信號(hào)發(fā)射器/基站BS、聯(lián)合信息接收和能量收集用戶EU，通過在智能反射面IRS形成被動(dòng)反射波束，對(duì)來自多個(gè)分布式無線信號(hào)發(fā)射機(jī)的射頻光束進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償信號(hào)的衰減。同時(shí)，還提供了上述系統(tǒng)在保證信息傳輸質(zhì)量的前提下用來提高能量接收者中獲得能量最小值的最大化優(yōu)化方法，是通過聯(lián)合設(shè)計(jì)IRS的被動(dòng)波束成形矢量和多節(jié)點(diǎn)分布式射頻信號(hào)發(fā)送器的主動(dòng)波束成形矢量，能夠應(yīng)對(duì)射頻無線信號(hào)傳播過程中信號(hào)強(qiáng)度的急劇衰減所帶來的挑戰(zhàn)，是利用IRS輔助多節(jié)點(diǎn)分布式射頻發(fā)送器發(fā)射的信息和能量信號(hào)，從而增強(qiáng)信息和能量接收器的信號(hào)強(qiáng)度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線充電的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于IRS輔助分布式射頻攜能傳輸系統(tǒng)及用其提高能量收集效率的優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

6G物聯(lián)網(wǎng)場景會(huì)存在數(shù)以億計(jì)的低功耗的設(shè)備(例如，傳感器)來感知環(huán)境數(shù)據(jù)。對(duì)于這些經(jīng)常使用的設(shè)備，頻繁更換電池和電線的供電方式十分不便利。為此，無線攜能傳輸(SWIPT)技術(shù)，特別是基于射頻(RF)傳輸?shù)腟WIPT，可以有效解決此問題。因此，基于RF的SWIPT技術(shù)已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

然而，無線攜能傳輸SWIPT需求激增的同時(shí)也面臨著各種無線信道損害情況所導(dǎo)致的傳輸效率低下等技術(shù)問題，即基于距離的路徑損失、陰影和衰落。在這種情況下，設(shè)計(jì)一種可減輕信號(hào)衰減的方法尤為重要，智能反射面(IRS)是一種很有前途的技術(shù)，通過在智能反射面IRS上形成被動(dòng)反射波束，對(duì)來自信號(hào)發(fā)射機(jī)的能量光束進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償信號(hào)的高衰減。同時(shí)，多節(jié)點(diǎn)分布式的射頻發(fā)射器可以縮短與能量接收器之間的物理距離，從而減輕由于距離帶來的無線能量信號(hào)的傳輸損耗。因此，如何基于IRS輔助的多節(jié)點(diǎn)分布式無線充電技術(shù)，來提高無線充電效率成為重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)方案：為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了基于智能反射面IRS輔助的多節(jié)點(diǎn)分布式無線攜能傳輸系統(tǒng)下的最大化，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的高能量收集效率的方法，即在IRS的幫助下，設(shè)計(jì)聯(lián)合的無源和有源的射頻傳輸成形波束來補(bǔ)償SWIPT中信號(hào)的衰減，收集有效的能量，其目標(biāo)是在保證信息傳輸質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)能量收集用戶中最小收集能量的最大化。

為了解決這一問題，通過交替固定兩個(gè)變量，本發(fā)明將原問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)易于處理的子問題，并通過對(duì)信號(hào)波束形成向量和反射波束形成向量的交替優(yōu)化，提出了一種高效的兩層迭代算法來求解原問題。

本發(fā)明提出了基于IRS輔助分布式射頻攜能傳輸系統(tǒng)，包括智能反射面IRS、分布式射頻信號(hào)發(fā)射器/基站BS、能量收集和信息接收用戶EU，通過在智能反射面IRS形成被動(dòng)反射波束，對(duì)來自多個(gè)分布式無線信號(hào)發(fā)射機(jī)的光束進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償信號(hào)的衰減，其中設(shè)置B個(gè)基站BS，S個(gè)智能反射面，表示為s∈S＝{1，2...，S}，以及B個(gè)單天線能量和信息聯(lián)合接收用戶，表示為

進(jìn)一步地，其中每個(gè)EU被一個(gè)BS分配一個(gè)專用的信號(hào)波束，實(shí)現(xiàn)B個(gè)傳輸接收對(duì)。

同時(shí)，本發(fā)明還提供了基于IRS輔助分布式射頻攜能傳輸系統(tǒng)及用其提高能量收集效率的優(yōu)化方法，具體為基于IRS輔助的攜能傳輸系統(tǒng)用來提高最少能量接收者中獲得能量值的優(yōu)化方法，包括以下步驟：

(1)構(gòu)建上述基于IRS輔助的信息傳輸和能量收集系統(tǒng)，并獲得該系統(tǒng)的用戶EU端的接收無線射頻能量與信號(hào)的增益；

(2)建立智能反射面IRS輔助的多節(jié)點(diǎn)分布式無線攜能傳輸系統(tǒng)模型和提出最大化能量接收者中獲得能量最小值的優(yōu)化問題；

(3)分別固定信號(hào)波束成形向量和固定反射波束成形向量，將步驟(2)中的問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)易于處理的子問題；

(4)采用主動(dòng)波束成形和反射波束成形聯(lián)合設(shè)計(jì)的交替優(yōu)化算法求解。