1.双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、建立双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络系统,无线携能速率分拆通信网络系统包括:IRS1、IRS2、一个无线接入点和若干个无线用户,无线接入点发射信息和能量到无线用户,IRS1和IRS2均用于辅助提高信息和能量传输效率;
S2、确定所述无线携能速率分拆通信网络系统优化目标的原问题P1,所述原问题P1是指,在无线携能速率分拆通信网络系统的系统参数满足预设的初始约束条件下,使系统中的最小用户通信速率最大化;
S3、将所述原问题P1简化为若干个子问题,所述子问题需满足对应的子约束条件,对所有不可解的子问题进行凸优化处理,使其子约束条件的非凸约束全部转化为凸约束,从而将所有不可解的子问题转化为可解的子问题;
S4、采用交替优化的方法对所有可解的子问题进行交替迭代求解,得到在无线携能速率分拆通信网络系统的系统参数满足预设的初始约束条件下,使系统中的最小用户通信速率最大化的各系统参数;
其中,步骤S2所述最小用户是指无线携能速率分拆通信网络系统中通信速率最小的用户。
2.根据权利要求1所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,步骤S2所述原问题P1为:其中,为了在无线接入点处实现速率分拆,需要对待发送的未编码信息进行分割,即计划发送给用户k的未编码信息uk将分割成公有部分uck和私有部分upk两部分,所有用户的未编码信息的公有部分被打包成一个超级公有信息,求得实际可实现的超级公有信息速率后,便在AP处执行速率分拆,将超级公有信息速率分拆为K份公有信息速率;其中, 为通信网络系统的私有信息速率,所述私有信息速率是指无线用户从接收信息中将超级公共信息移除后得到的私有信息的速率;第k个用户分配到的公有信息速率为ck;通信网络系统中有K个用户,wc表示AP给所有用户传输的公有符号流sc所对应的波束成形向量,wk表示AP给第k个用户传输的私有符号流spk所对应的波束成形向量;{ck}是指集合{c1,c2,…,cK},含义为通信系统中所有用户的公有信息速率集合,{ρk}是指集合{ρ1,ρ2,…,ρK},含义为通信系统中所有用户的功率分割系数集合,Ф1为IRS1的反射相移矩阵,Ф2为IRS2的反射相移矩阵; 为第k个用户能够实现的超级公有信息速率,第一约束(12)表示所有用户都能够成功解码超级公有信息,RSMA机制能够正常工作,第二约束(13)表示每个用户分配到的公有信息速率ck应该是符合实际物理的非零值,第三约束(14)表示每个用户采集到的能量Ek不应低于γk,第四约束(15)表示功率分割系数ρk应该符合实际能量守恒情况,第五约束(16)和第六约束(17)分别IRS1和IRS2上每个反射单元实际可调节的相位范围, 表示IRS1的第m1个反射单元的相位;第七约束(18)表示无线接入点发AP实际可用的最大发射功率为Pmax, 表示IRS2的第m2个反射单元的相位;M1、M2为IRS1、IRS2中的反射单元个数。
3.根据权利要求2所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,步骤S3将原问题P1简化为若干子问题的过程为:S31、引入松弛变量t将原问题P1的第一目标函数(11)转化为等价且具有连续可导的凹函数,得到等价原问题P2:第一约束(12)到第七约束(18);
S32、将等价原问题P2简化为四个子问题,分别为:
第一子问题P2.1:给定{ρk}、φ1和φ2,优化wc、{wk}和{ck};
第二子问题P2.2:给定W、{ck}、Ф1和Φ2,优化{ρk};
第三子问题P2.3:给定W、{ck}、{ρk}和Φ2,优化Φ1;
第四子问题P2.4:给定W、{ck}、{ρk}和Φ1,优化Φ2;
其中,W表示集合 且
4.根据权利要求3所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,所述第一子问题P2.1为:所述第三子问题P2.3为:
所述第四子问题P2.4为:
5.根据权利要求4所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,对第一子问题P2.1进行凸优化,得到凸优化后的第一子问题P3.1为:rank(Wm)=1,m∈{c,1,...,k,...,K} (47)其中,F1(W)是关于W的凹函数,F2(W)是关于W的凸函数, 为将F2(W)进行一阶泰勒展开找到F2(W)的下界; 表示集合W中的每一个元素都是半正定矩阵,即ηk∈(0,1]表示第k个用户的能量采集效率;第十八约束(47)
表示经过 变形后对Wm的秩一约束,Gk为混合信道;在第一子问题P2.1中,只有第十八约束(47)是非凸约束,去掉第十八约束(47)以近似求解,因此第一子问题P2.1是关于W、{ck}和t的联合凸优化问题,采用内点法进行求解;得到W的最优解后,应用标准高斯随机方法将W矩阵恢复为w向量。
6.根据权利要求5所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,对第三子问题P2.3进行凸优化,得到凸优化后的第三子问题P3.3为:其中, 表示 是半正定矩阵;D1,k(S1)是关于S1的凹函数而D2,k(S1)是关于S1的凸函数, 为将D2,k(S1)进行一阶泰勒展开找到D2,k(S1)的下界;D3,k(S1)是关于S1的凹函数而D4,k(S1)是关于S1的凸函数, 是将D4,k(S1)进行一阶泰勒展开找到D4,k(S1)的下界;第二十七约束(76)表示经过 变形后对S1的秩一约束;在第三子问题P2.3中,只有第二十七约束(76)是非凸约束,因此去掉第二十七约束(76)以近似求解,因此第三子问题P2.3是关于S1和t的联合凸优化问题,采用内点法进行求解;得到S1的最优解后,应用标准高斯随机方法将S1矩阵恢复为s1向量,进一步从s1中提取得到v1,从而得到优化后的相位矩阵Φ1; 其中Har1为AP到IRS1
之间的信道,Har2为AP到IRS2之间的信道,hak为AP到用户k之间的信道,Hrr为IRS1到IRS2之间的信道,hr1k为IRS1到用户k之间的信道,hr2k为IRS2到用户k之间的信道。
7.根据权利要求6所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,对第四子问题P2.4进行凸优化,得到凸优化后的第四子问题P3.4为:其中, 表示 是半正定矩阵;L1,k(S2)是关于S2的凹函数而L2,k(S2)是关于S2的凸函数, 为将L2,k(S2)进行一阶泰勒展开找到L2,k(S2)的下界;L3,k(S2)是关于S2的凹函数而L4,k(S2)是关于S2的凸函数, 为将L4,k(S2)进行一阶泰勒展开找到L4,k(S2)的下界;第三十六约束(96)表示经过 变形后对S2的秩一约束;在第四子问题P2.4中,只有第三十六约束(96)是非凸约束,因此去掉第三十六约束(96)以近似求解,因此第四子问题P2.4是关于S2和t的联合凸优化问题,采用内点法进行求解;得到S2的最优解后,应用标准高斯随机方法将S2矩阵恢复为s2向量,进一步从s2中提取得到v2,从而得到优化后的相位矩阵Φ2; 其中
8.根据权利要求7所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,对于所述第二子问题P2.2,按照步骤S2所述通信网络系统优化目标以及第三约束(14)得出闭式解,只有闭式解成立的情况下,ρk才会取得最优解。
9.根据权利要求8所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,所述闭式解的表达式为:
10.根据权利要求9所述的双IRS辅助的无线携能速率分拆通信网络的优化方法,其特征在于,步骤S4所述交替优化的方法具体包括步骤:S41、初始化 设置交替优化目标函数
‑3
迭代次数n=0,阈值ε0=1×10 ;
S41、给定 通过解决凸优化后的第一子问题P3.1获得
S42、给定 通过所述闭式解获得
S43、给定 通过解决凸优化后的第三子问题
P3.3获得
S44、给定 通过解决凸优化后的第四子问题
P3.4获得
S45、令n=n+1;
S46、当 时,则可实现K个用户之间的最小速率的最大化,否则返回执行步骤S42‑S46。