基于智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的说是涉及一种基于智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法及系统。

背景技术

为了实现“万物相连的互联网”，将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络，实现任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通，近年来，物联网(IoT)吸引了极大的研究兴趣。各种IoT设备，如家电、传感器、执行器和无人机等都可以连接到网络并相互交互。这些设备可以用于家庭自动化、智能电网、交通管理和医疗救助等各个领域。随着这些设备的增长，特别是低功率设备的爆炸式增长，数万亿的IoT设备将会出现，这需要我们重新思考未来的网络设计。然而，为了设计可靠且稳健的网络，能源受限的IoT设备的能源供应始终是一个棘手问题。传统的解决方案，如更换电池，通常成本高昂，这阻碍了其在IoT时代的应用。

为了克服能量供应的问题，能量收集（EH）已应用于IoT，它可以从环境中收集能量并延长传感器的寿命。例如，事实证明，从太阳能、压电、电磁和其他来源收集能量可以有效地为IoT设备供电。但是从自然环境中获取能量往往是不可控的，比如无法保证一直有光照来获得太阳能。基于射频(RF)的EH提供了一种有吸引力的解决方案，它可以通过无线方式为低功耗IoT设备供电，并且具有灵活可靠的特性。因此，基于RF的能量传输可以实现无线供能通信(WPC)，它统一了无线信息传输(WIT)和无线供能传输(WPT)。在WPC中，接入点（AP）被部署来广播RF信号，以便在下行链路中为IoT设备无线充电，然后IoT设备利用收集到的无线能量将信息发送到上行链路中的AP。据设想，WPC原则上可以实现未来IoT网络的永久运行。

WPC作为一种有吸引力的解决方案，很多技术被应用于WPC以进一步提高其性能。例如利用相控阵天线(PAA)，可以执行波束成形以将电磁(EM)波聚焦在接收器上以提高WPT的效率。尽管如此，在PAA系统中，每个辐射元件都应该配备各种射频元件，例如放大器、移相器和衰减器。这导致系统的复杂度非常高，实现成本高，并且功耗较高，特别是在大规模系统中。另外还有中继，多输入多输出（MIMO）等技术用来实现可观的WPC性能增益，但这是以严重的能源消耗、更高的计算复杂性和增加的硬件成本为代价的。另外值得注意的是，大多数的WPC方案中并没有考虑能量缓冲的问题，他们采取的是“获取然后传输”的框架，即在本时隙获取的能量一次性用完，不将能量缓冲下来在未来的时隙使用，这会对能量造成一定的浪费，并且对能量获取节点的续航造成影响。

最近，智能反射面(RIS)辅助通信被认为是第6代(6G)无线网络的潜在候选者。与中继和MIMO相比，RIS由大量低成本的反射元件组成，是一种经济和节能的技术。RIS能够以受控的方式将从发射器接收到的信号反射到目标接收器，从而主动定制无线环境。另外，RIS结合了薄型、轻型和小几何形状的特性，并且具有低成本和高灵活性的好处。因此RIS可以应用于WPC中提高系统的WIT速率和WPT效率。

然而，传统的RIS要求AP和用户都在RIS的同一侧。为了克服这个缺点，本发明基于可以同时透射和反射的智能反射面(STAR-RIS)。与传统的RIS不同，STAR-RIS的每个单元都可以同时透射和反射入射信号，从而打破了RIS部署的位置限制，实现了全空间覆盖。在STAR-RIS中，入射信号的一部分被反射到与入射信号相同的空间，即反射空间，而另一部分入射信号被透射到相对的空间，即透射空间。此外，STAR-RIS为操纵信号的传播提供了新的自由度，从而增加了网络设计的灵活性。在STAR-RIS中提出了三种实用的协议，包括能量分裂、模式切换和时间切换。

基于以上驱动，本发明提出了基于智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法及系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面公开了一种基于同时透射和反射智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法，包括以下步骤：

接入节点将射频信号广播给第一能量消耗节点和第二能量消耗节点；

第一能量消耗节点和第二能量消耗节点将射频信号转换成能量存储在能量缓冲器中；

能量缓冲器选择能量管理策略向接入节点传送数据时的发射功率。

可选的，接入节点利用STAR-RIS的能量分裂协议将射频信号广播给第一能量消耗节点和第二能量消耗节点。

可选的，能量缓冲器中的能量管理策略包括尽力而为策略和开关策略。

可选的，所述尽力而为策略为：

当能量缓冲器中存储的能量达到能量阈值时，第一能量消耗节点和第二能量消耗节点以与能量阈值相等的恒定功率传输数据，如果存储的能量达不到能量阈值，则以最大可能功率传输数据；

能量缓冲器中的能量建模使用离散时间连续状态马尔可夫链，具体公式如下：

其中

可选的，所述开关策略为：当能量缓冲器中存储的能量达到能量阈值时，第一能量消耗节点和第二能量消耗节点以与能量阈值相等的恒定功率传输数据，如果存储的能量达不到能量阈值，第一能量消耗节点和第二能量消耗节点则停止向接入节点发送数据，继续存储能量，等待能量达到能量阈值；

能量缓冲器中的能量建模为离散时间连续状态马尔可夫链，具体公式如下：

其中

可选的，所述第一能量消耗节点接收到的信号表示为：

所述第二能量消耗节点接收到的信号表示为：

其中，

可选的，接入节点采用非正交多址的方式对数据进行接收，接入节点接收到的数据表示为：

其中

其中

另一方面还公开了一种基于同时透射和反射智能反射面辅助的能量缓冲NOMA系统，包括：接入节点，能量消耗节点和能量缓冲器；能量消耗节点分别与能量缓冲器、接入节点连接；能量缓冲器与接入节点连接；能量消耗节点包括第一能量消耗节点和第二能量消耗节点。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法及系统，具有以下有益效果：

1、能量收集节点处配置了能量缓冲器（低功率电容，可充电电池或者大型超级电容器等)。能量收集节点在下行链路中从接入节点（Access point，AP）发送的射频信号中获取能量并进行存储用于后续的上行链路的信息传输。值得注意的一点是，对于能量缓冲器中的能量，本发明提供了两种不同的能量管理策略来进一步提高系统的性能和避免能量的浪费。

2、在本发明中，应用了非正交多址（NOMA）技术为多设备同时通信提供了解决方案，并通过连续干扰消除(SIC)的方法来进行解码。

3、STAR-RIS的部署可以实现360度的全方位覆盖，显著地提高了覆盖率，并且可以通过STAR-RIS来调整非正交能量收集节点的增益，提供了灵活的解码顺序。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明的尽力而为策略流程图；

图3为本发明的开关策略流程图；

图4为本发明的不同策略的能量传输图；

图5为本发明的不同方案下用户T的中断概率性能图；

图6为本发明的不同方案下用户R的中断概率性能图；

图7为本发明的不同方案下用户T的吞吐量性能图；

图8为本发明的不同方案下用户R的吞吐量性能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于同时透射和反射智能反射面辅助的能量缓冲NOMA方法，包括以下步骤：

S1：接入节点将射频信号广播给第一能量消耗节点和第二能量消耗节点；

S2：第一能量消耗节点和第二能量消耗节点将射频信号转换成能量存储在能量缓冲器中；

S3：能量缓冲器选择能量管理策略向接入节点传送数据时的发射功率。

进一步的，如图1所示，接入节点(Access point，AP)中有固定的能量供应。R和T是能量消耗节点，它们在下行链路中接收来自接入节点的射频信号，并将射频信号转换成能量存储在能量缓冲器中。然后，在上行链路中，R和T使用存储的能量向AP发送积压的数据。STAR-RIS由N个低成本反射元件组成，在下行链路中辅助从接入节点到R和T的能量传输（WPT），在上行链路中协助从R和T到接入节点的信息传输（WIT）。在这里用到了STAR-RIS的能量分裂协议，在下行链路中将接入节点发送的射频信号同时透射和反射给用户R和用户T，在上行链路中将用户R和用户T发送的数据同时透射和反射给接入节点。

进一步的，能量管理策略依据能量缓冲器中能量的多少决定R和T中的发射功率，本发明采用两个能量管理策略，如图2-图4所示，分别是尽力而为策略（best-effortpolicy，BEP）和开关策略（on-off policy，OOP）。可以通过使用传感器实现这两种能量管理策略。

其中，如图2所示，尽力而为策略为：当能量缓冲器中存储的能量达到能量阈值M时，第一能量消耗节点和第二能量消耗节点以恒定功率M传输数据，如果存储的能量达不到能量阈值M，则以最大可能功率传输数据（能量缓冲器中的全部能量）；

能量缓冲器中的能量建模使用离散时间连续状态马尔可夫链，具体公式如下：

其中

如图3所示，开关策略为：当能量缓冲器中存储的能量达到能量阈值M时，第一能量消耗节点和第二能量消耗节点以恒定功率M传输数据，如果存储的能量达不到能量阈值M，第一能量消耗节点和第二能量消耗节点则停止向接入节点发送数据，继续存储能量，等待能量达到能量阈值M；

能量缓冲器中的能量建模为离散时间连续状态马尔可夫链，具体公式如下：

其中

更进一步的，系统模型工作流程为以下流程：

1）接入节点将射频信号广播给R和T。

R接收到的信号表示为：

T接收到的信号表示为：

其中，

STAR-RIS的反射系数可以表示为

2）R和T将射频信号转换成能量存储在能量缓冲器中，然后根据所使用的能量管理策略(BEP或者OOP)来决定向AP传送数据时的发射功率。因为是多用户同时通信，接入节点采用非正交多址的方式对数据进行接收，接入节点接收到的数据表示为：

其中

其中

更进一步的，本发明在符合实际应用场景的情况下，采用Matlab软件进行实验仿真。为了展现所提出的系统的优点，在这里对两个基准方案进行了比较，一个是STAR-RIS辅助下没有能量缓冲器的无线供能通信系统方案（STAR-RIS-NOMA），另一个是传统RIS辅助下没有能量缓冲器的无线供能通信系统方案（C-RIS-NOMA）。对于C-RIS-NOMA方案，在STAR-RIS的相同位置部署仅反射的RIS和仅透射RIS以实现全空间覆盖，其中每个仅反射/仅透射的RIS配备

图5和图6是不同方案下用户T和用户R的中断概率性能曲线，从图5和图6中可以看出，首先，对比于传统RIS辅助下没有能量缓冲器的无线供能通信系统方案（C-RIS-NOMA），STAR-RIS辅助下没有能量缓冲器的无线供能通信系统方案（STAR-RIS-NOMA）能够大幅度的提升性能。以用户T为例，在图5中可以看到，在发射信噪比为24dB左右时，STAR-RIS-NOMA方案的中断概率已经下降到，而C-RIS-NOMA的中断概率还是高达0.9。其次，我们所提出的加入能量缓冲器的方案（STAR-RIS-OOP，STAR-RIS-BEP）能进一步提高STAR-RIS-NOMA方案的性能。以用户R为例，在图6中可以看到，当中断概率为左右时，STAR-RIS-NOMA方案所需的发射信噪比为33.5dB。而STAR-RIS-BEP方案所需的发射信噪比为32.5dB，所以STAR-RIS-BEP方案能得到1dB的增益。而STAR-RIS-OOP方案所需的发射信噪比为31dB，所以STAR-RIS-OOP方案能得到2.5dB的增益。

图7和图8是不同方案下用户T和用户R的吞吐量性能曲线。从图7中用户T的吞吐量性能曲线可看出所提出的带有能量缓冲器的STAR-RIS-OOP和STAR-RIS-BEP方案比没有能量缓冲器的STAR-RIS-NOMA方案具有更好的吞吐量性能。而STAR-RIS-NOMA方案比传统的RIS辅助下的C-RIS-NOMA方案具有更好的吞吐量性能。图7中用户R的吞吐量性能曲线也是如此。

最后，如图1所示，本实施例还公开了一种基于同时透射和反射智能反射面辅助的能量缓冲NOMA系统，包括：接入节点，能量消耗节点和能量缓冲器；能量消耗节点分别与能量缓冲器、接入节点连接；能量缓冲器与接入节点连接；能量消耗节点包括第一能量消耗节点和第二能量消耗节点。

所以无论是从中断概率性能还是吞吐量性能来看，本发明都具有以下优越性：

1、部署了STAR-RIS，相比于传统的RIS进一步提高了能量传输的效率和信息传输的速率，并打破了传统RIS 部署的位置限制，实现了全空间覆盖。

2、在能量收集节点配置了能量缓冲器，并提供了两种不同的能量管理策略（BEP和OOP）来管理能量从而进一步提高系统的性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。