一种自持续RIS辅助的携能物联网多维资源分配方法

本发明属于无线通信网络，具体涉及一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法。

背景技术：

1、随着物联网设备(internet of thingsdevices，iotd)数量的急剧增加，传统电池供电模式面临着严峻的能源限制和可持续性挑战。设备的频繁充电和电池寿命的短期限制影响了设备的实际应用和用户体验。同时无线信息与能量传输(simultaneous wirelessinformation and power transfer，swipt)技术通过无线信号传输能量，为设备提供了一种持续、无需外部电源插入的能源来源，从而提高了设备的可用性和使用寿命。

2、可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)是一种具有高频谱效率、高能量效率及低成本的无线通信辅助技术，近年来引起了无线通信领域的广泛关注，被认为是下一代无线通信的关键技术之一。ris辅助的携能物联网能够实现频谱资源、空间资源和能量资源等多维资源的高效利用，从而实现低成本和高可靠性的传输，并延长系统的运行时间。目前，针对ris辅助的携能物联网的研究主要集中在设计合理的资源分配算法，以提升物联网设备与基站之间的信息与能量传输性能。然而，这些研究通常不考虑ris本身的能耗。但是，调整ris状态会消耗一定的能量，其能耗大小主要取决于ris单元的数量和量化精度。当ris单元数量增多时，其能耗问题变得不容忽视。因此，为实现携能物联网的可持续运行，有必要同时考虑ris和物联网设备的能源供应问题。因此，提出了一种新型ris结构，ris上的每个单元内配备了能量收集模块，每个单元有两种工作方式，即反射模式和能量收集模式。具体来说，通过分配一部分单元进行能量收集以支持ris的正常运行，而其余的单元用于反射入射信号，以提升swipt技术给物联网设备带来的性能增益，通过调用不同单元的不同模式，实现ris的自持续运行。目前，自持续ris主要遵循以下三种工作协议：能量分割(energy splitting,es)、时间切换(time switching,ts)以及模式切换(modeswitching,ms)。在es协议中，ris上的每个单元可以同时进行能量收集和信号反射操作，并根据不同的能量分割比例来调整能量收集和信号反射的分配比例。ts协议可以充分利用时域资源，便于设计出ris的被动波束赋形，然而，该协议对单元切换时间的同步能力有严格要求，并且需要复杂的硬件部署。而在ms协议中，每个单元可以灵活调整工作模式，既可以进行能量收集，也可以反射信号，但每个单元每次只选择其中一种模式。相较于ts和es协议，ms协议在实际操作中更容易实现，且信令开销较低。因此，ms协议被视为目前自持续ris研究中最常用的协议。然而，目前关于自持续ris的研究方案主要关注延长ris的工作时间，而未综合考虑为物联网设备和ris同时提供能源供应，无法真正实现物联网的可持续运行。

技术实现思路

1、为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，该方法包括：构建携能物联网模型，携能物联网模型由基站、物联网设备以及自持续ris组成；基于携能物联网模型构建信息传输模型、能量收集模型以及功率消耗模型；根据信息传输模型、能量收集模型以及功率消耗模型建立能量效率最大化目标函数；采用融合功率域和空间域的两维资源联合优化算法对目标函数进行优化求解，得到最优的多维资源分配策略；根据最优的多维资源分配策略对携能物联网的多维资源进行分配。

2、本发明的有益效果：

3、本发明自持续ris上的单元可以选择不同的工作方式：部分单元用于能量收集以支持ris的正常运行，而其余单元用于反射入射信号，从而提升swipt技术对物联网设备的性能增益。本发明的ris及物联网设备终端处均采用非线性能量收集模型。本发明以能量效率作为衡量系统性能的指标，在满足基站可用功率、ris相移、ris的能量因果关系、物联网设备的最小能量要求以及信息速率要求等约束条件下，对功率域(ps比例)及空间域(主/被动波束赋形、ris单元工作模式)两维资源进行联合优化管理。本发明提出了一种结合惩罚函数、分式二次转化方法、逐次凸逼近(sca)及半定松弛(sdr)的迭代优化算法。本发明提出的多维资源管理策略可以有效地提升系统的能量效率，具有很强的应用价值和实际意义。

技术特征：

1.一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，包括：构建携能物联网模型，携能物联网模型由基站、物联网设备以及自持续ris组成；基于携能物联网模型构建信息传输模型、能量收集模型以及功率消耗模型；根据信息传输模型、能量收集模型以及功率消耗模型建立能量效率最大化目标函数；采用融合功率域和空间域的两维资源联合优化算法对目标函数进行优化求解，得到最优的多维资源分配策略；根据最优的多维资源分配策略对携能物联网的多维资源进行分配。

2.根据权利要求1所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，构建信息传输模型包括：获取每个物联网设备的信干噪比以及相应的数据速率，并基于信干噪比和数据速率构建信息传输模型；其中第k个物联网设备的信干噪比为：

3.根据权利要求1所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，能量收集模型包括：获取第k个物联网设备中用于能量收集的信号；计算第k个物联网设备用于能量收集的功率；计算自持续ris接收信号的总功率，根据自持续ris接收信号的总功率计算射频信号功率；根据第k个物联网设备用于能量收集的功率和射频信号功率采用基于logistic函数的非线性饱和能量收集模型计算第k个物联网设备和自持续ris实际接收的能量。

4.根据权利要求3所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，计算第k个物联网设备和自持续ris实际接收的能量为：

5.根据权利要求1所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，功率消耗模型为：

6.根据权利要求1所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，建立能量效率最大化目标函数为：

7.根据权利要求1所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，采用两维资源联合优化算法对目标函数进行优化包括：将最大化目标函数p1转换为分式目标函数的问题p2；使用基于二次变换的迭代算法来处理所规划的分式问题，即将问题p2转化为等价的优化问题p3；采用二次变换方法对目标函数进行转化；根据转化后的目标函数将问题p3转换为问题p4；构建惩罚函数，采用惩罚函数将问题p4转换为问题p5；采用sca方法对问题p5进行处理，得到问题p6；采用基于双循环惩罚的迭代算法对问题p6进行求解，得到最优解，其中最优解为最优的多维资源分配策略。

8.根据权利要求7所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，问题p6的公式为：

9.根据权利要求8所述的一种自持续ris辅助的携能物联网多维资源分配方法，其特征在于，采用基于双循环惩罚的迭代算法对问题p6进行求解包括：双循环惩罚包括外层迭代和内层循环；

技术总结本发明属于无线通信网络领域，涉及一种自持续RIS辅助的携能物联网多维资源分配方法，包括：构建携能物联网模型；构建信息传输模型、能量收集模型以及功率消耗模型；根据信息传输模型、能量收集模型以及功率消耗模型建立能量效率最大化目标函数；采用融合功率域和空间域的两维资源联合优化算法对目标函数进行优化求解，得到多维资源分配策略；根据多维资源分配策略对携能物联网的多维资源进行分配；本发明以能量效率作为衡量系统性能的指标，在满足基站可用功率、RIS相移、RIS的能量因果关系、物联网设备的最小能量要求以及信息速率要求等约束条件下，对功率域及空间域两维资源进行联合优化管理。技术研发人员：孙巍,王建宁,郭鹏星,宋清洋受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2