本技术介绍了一种共生无线电系统的传输方案设计与性能优化方法，利用智能反射表面（IRS）辅助多天线基站与主用户通信，并作为反向散射装置向次级用户传输信息。IRS通过开关键控反射单元，对基站信号进行调制和散射，次级用户使用能量检测法检测信号。在保证主用户传输速率的同时，对基站波束赋形矢量和IRS相移矩阵进行联合优化，以降低散射传输的差错概率。该优化问题为非凸问题，通过半正定松弛法和交替迭代优化等方法进行求解。与常规共生无线电方案相比，本发明方案能提供更高的主传输速率和更低的次级传输误比特率。
背景技术
5G技术的大规模商用推动物联网进入新时代，让万物互联成为可能[LI B,QIANZ,LIU L,et al.Computation Offloading for Edge Computing in RIS-AssistedSymbiotic Radio Systems[J].IEEE Transactions on Network Science andEngineering,2023,10(6):4033-4045]。为广泛部署数十亿具有传感、计算和无线通信能力的物联网设备，需要解决频谱稀缺和能源供应这两个关键问题。反向散射技术是实现低功耗通信的关键技术之一，而共生无线电(Symbiotic Radio,SR)基于反向散射通信，不仅能够高效利用频谱资源，还具备超低功耗和可持续性的特点，是一种绿色通信方式[DAI Z,LIR,XU J,et al.Rate-region characterization and channel estimation for cell-free symbiotic radio communications[J].IEEE Transactions on Communications,2022,71(2):674-687.]。在SR系统中，反向散射设备(Backscatter Device,BD)作为次级发射机，对接收到的主发射机发射的信号进行调制生成次级信号，以反射的形式发送给次级接收机，实现频谱和能量资源的共享[LIANG Y C,ZHANG Q,WANG J,et al.Backscattercommunication assisted by reconfigurable intelligent surfaces[J].Proceedingsofthe IEEE,2022,110(9):1339-1357.]。此外，根据次级符号周期的长度，主传输与次级传输的关系可分为共生和寄生两种模式。当次级符号周期远大于主符号周期时，主传输的接收机可估计出每个次级符号周期内的次级符号，或主传输链路和散射传输链路构成的复合链路的信道系数，消除次级符号对主传输造成的干扰，且散射链路可以成为额外的、可加以利用的多径链路，提升主传输的性能。此时主传输与次级传输为共生关系[Zhang Q,Zhou HC,Liang Y C,et al.Channel capacity of RIS-assisted symbiotic radios withimperfect knowledge of channels[J].IEEE Transactions on CognitiveCommunications and Networking,2024,10(3):938-952.]。当次级符号周期与主符号周期相当时，主传输接收机不能消除次级传输对主传输的影响，次级符号会对主传输产生干扰，次级传输与主传输为寄生关系[LONG R,LIANG Y C,GUO H,et al.Symbiotic radio:A newcommunication paradigm for passive Internet of Things[J].IEEE Internet ofThings Journal,2019,7(2):1350-1363.]。目前，通过优化基站(Base Station,BS)波束赋形矢量，降低系统功耗、提高系统传输速率是SR系统中主要的研究工作。如文献[WU T,JIANG M,ZHANG Q,et al.Beamforming design in multiple-input-multiple-outputsymbiotic radio backscatter systems[J].IEEE Communications Letters,2021,25(6):1949-1953]研究在多输入多输出系统中使用单天线BD作为次级发射机的下行SR系统，在满足最小次级传输容量约束的条件下，通过优化BS波束赋形矢量最大化主次传输的和容量。
在SR系统中，由于次级传输链路存在双重衰落，导致次级接收机的接收信号功率很低，传输的性能受到较大的制约。智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)是由多个低成本、无源反射单元构成的射频信号反射设备，可以通过改变IRS每个反射单元的参数智能地控制反射相移和幅度[YUAN X,ZHANG Y J A,SHI Y,etal.Reconfigurable-intelligent-surface empowered wireless communications:Challenges and opportunities[J].IEEE Wireless Communications,2021,28(2):136-143.]。在无线通信系统中引入IRS，可以改善信号的传播环境，降低传输中的损耗，提高系统的能量效率。IRS可控的反射特性使其很适合作为SR系统中的BD。在基于IRS的共生关系SR系统中，不仅可以通过控制IRS的反射特性实现次级传输，还可以提高主传输的性能，不少文献对此进行了研究。文献[ZHANG Q,LIANG Y C,POOR H V.Reconfigurableintelligent surface assisted MIMO symbiotic radio networks[J].IEEETransactions on Communications,2021,69(7):4832-4846.]将IRS应用于多输入多输出SR系统中，通过控制IRS的相移矩阵生成次级二进制相移键控(BinaryPhase ShiftKeying,BPSK)调制信号，同时利用次级传输信号增强主传输链路的传输质量，实现主传输和次级传输的互惠共生。文献在次级传输的信噪比和主传输的平均速率约束下，通过联合优化BS的波束赋形矢量和IRS相移矩阵，最小化BS的发射功率。文献[ZHOU H,KANG X,LIANGY C,et al.Cooperative beamforming forreconfigurable intelligent surface-assisted symbiotic radios[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2022,71(11):11677-11692.]针对获得的信道状态信息(Channel State Information,CSI)完美和不完美两种情况，提出使用IRS作为BD的SR系统优化方案。在完美CSI条件下，通过联合优化BS波束赋形矢量和IRS相移矩阵最小化BS发射功率；在不完美CSI条件下，使用有界信道误差模型描述CSI误差，通过联合优化BS波束赋形矢量和IRS相移矩阵最小化最差情况下的BS发射功率。文献[WANG J,LIANG Y C,PEI Y,et al.Reconfigurable intelligentsurface as a micro base station:A novel paradigm for small cell networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2022,22(4):2338-2351.]提出一种使用IRS作为次级散射基站的多用户下行传输方案，IRS反射宏基站发射的信号并控制反射单元的相移生成次级信号，同时也为宏用户提供一条反射链路改善宏基站与宏用户之间的传输性能。文献提出空分多址和时分多址两种次级多用户传输方案，并通过优化IRS的相移矩阵和宏基站的波束赋形矢量使系统功耗最小化。文献[XU X,LIANG Y C,YANG G,etal.Reconfigurable intelligent surface empowered symbiotic radiooverbroadcasting signals[J].IEEE Transactions on Communications,2021,69(10):7003-7016.]研究基于IRS的SR下行广播通信系统，其中IRS辅助BS向多个主接收器发送广播信号，同时通过调整IRS相移矩阵生成次级BPSK调制信号，向物联网接收器传输次级信息，共享主传输频谱和功率资源。文献给出了通过联合优化BS的波束赋形和IRS的相移矩阵最小化BS发射功率的优化算法。
实现思路