1.一种智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法,其特征在于,包括以下步骤:S1.建立由次用户发射机、K个次用户接收机、主用户发射机、主用户接收机及IRS组成的多用户无线携能通信认知系统;
S2.设多用户认知无线携能通信系统内的信息传输阶段包括第一持续时间间隙和第二持续时间间隙,在第一持续时间间隙中,次用户发射机分别向所有次用户接收机和主用户发射机传输信息,主用户发射机从信息中采集能量;在第二持续时间间隙中,主用户发射机基于收集到的能量,向主用户接收机传输信息;
S3.对于次用户接收机中的任意一个次用户接收机k,基于次用户发射机发射的传输信息及IRS在第一持续时间间隙、第二持续时间间隙的反射相移矩阵,得到次用户接收机k接收到的信号,且确定次用户接收机k处的接收信干噪比和单位带宽下主用户发射机到主用户接收机的吞吐量;
S4.基于次用户接收机k处的接收信干噪比,计算单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量;
S5.基于单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量,计算次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和;
S6.以次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和最大作为目标函数,以次用户发射机的发射功率、次用户接收机的信干噪比、主用户发射机到主用户接收机的吞吐量、第一持续时间间隙、第一持续时间间隙的IRS反射相移矩阵以及第二持续时间间隙的IRS反射相移矩阵为约束条件,对目标函数进行优化求解,得到次用户发射机到所有次用户接收机k的最大总吞吐量其中,次用户发射机配备M根天线,并设有稳定电源,K个次用接收机、主用户发射机和主用户接收机均配备单根天线,设IRS包括N个无源反射单元,每一个无源反射单元的幅度均为1,次用户发射机到IRS之间的信道为次用户发射机到次用户接收机k之间的信道为k={1,...,K},次用户发射机到主用户发射机的信道为IRS到次用户接收机k的信道为IRS到主用户发射机的信道为IRS到主用户接收机的信道为主用户发射机到主用户接收机的信道其中,表示x×y维度的复值矩阵集合,的指数表示复值矩阵的维度,且每一个信道的信道状态信息均已知;
在步骤S3中,设多用户认知无线携能通信系统内的信息传输阶段的持续时间为T,第一持续时间间隙为τ,第二持续时间间隙为T-τ,IRS在第一持续时间间隙τ中的反射相移矩阵表示为:Θ1=diag(φ1H)
其中,φ1=[q1,1,...,qN,1]H,n={1,...,N},βn,1∈[0,1]和θn,1∈[0,2π)分别为IRS在第一持续时间间隙τ中第n个反射单元的幅度和相移;
IRS在第二持续时间间隙T-τ中的反射相移矩阵表示为:
Θ2=diag(φ2H)
其中,φ2=[q1,2,...,qN,2]H,n={1,...,N},βn,2∈[0,1]和θn,2∈[0,2π)分别表示IRS在第二持续时间间隙T-τ中第n个反射单元的幅度和相移;
在第一持续时间间隙τ时,次用户发射机发射的信号表示为:
其中,sk∈C为次用户发射机传输给次用户接收机k的信息,vk为对应的波束成形矢量,sk为单位功率,满足E[|sk|2]=1,E为数学期望运算;
次用户接收机k收到的信号表示为:
其中,nk为在次用户接收机k端接收到的天线噪声,其服从均值为0,方差为的循环对称复高斯分布;
主用户发射机收到的信号表示为:
其中,npt为在主用户发射机端接收到的信号处理噪声,其服从均值为0,方差为的循环对称复高斯分布;
主用户发射机采集的能量表示为:
其中,η(0≤η≤1)为主用户发射机的能量转化效率;
在第二持续时间间隙为T-τ时,主用户发射机发射信息的发射功率表示为:主用户接收机接收到的信号表示为:
其中,spr为主用户发射机发送的信号,它表示单位功率,且满足E[|spr|2]=1,npr为主用户接收机处的加性高斯白噪声,其服从均值为0,方差为的循环对称复高斯分布。
2.根据权利要求1所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法,其特征在于,在步骤S3中,次用户接收机k处的接收信干噪比SINRk的计算表达式为:设主用户发射机和主用户接收机组成主用户系统,次用户发射机和K个次用户接收机组成次用户系统,主用户发射机到主用户接收机的吞吐量为主用户系统的吞吐量,在单位带宽下,所述主用户系统的吞吐量RPR的计算表达式为:
3.根据权利要求2所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法,其特征在于,在步骤S4中,单位宽带下次用户发射机到次用户接收机k的吞吐量Rs,k的计算表达式为:Rs,k=τlog2(1+SINRk)。
4.根据权利要求3所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法,其特征在于,在步骤S5中,次用户发射机到所有次用户接收机k的吞吐量的和R的计算表达式为:
5.根据权利要求4所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法,其特征在于,在步骤S6中,所述目标函数的计算表达式为:以次用户发射机的发射功率为约束条件的表达式为:
以次用户接收机的信干噪比为约束条件的表达式为:
以第一持续时间间隙为约束条件的表达式为:
0≤τ≤T
以主用户发射机到主用户接收机的吞吐量为约束条件的表达式为:
以第一持续时间间隙τ的IRS反射相移矩阵为约束条件的表达式为:以第二持续时间间隙T-τ的IRS反射相移矩阵为约束条件的表达式为:其中,{vk}为次用户发射机的波束形成矢量,PST为次用户发射机的最大发射功率,γk为次用户接收机k的最小信干噪比要求,βPR为主用户系统的最小吞吐量阈值。
6.根据权利要求5所述的智能反射面辅助无线携能通信认知的主次频谱共享方法,其特征在于,在步骤S6中,所述目标函数为非凸目标函数,对目标函数进行优化求解的方法为交替优化法,交替优化的对象为次用户发射机的波束形成矢量{vk}、第一持续时间间隙τ、第一持续时间间隙τ的IRS反射相移矩以及第二持续时间间隙T-τ的IRS反射相移矩阵。