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申请/专利权人：重庆大学

摘要：本发明涉及无线通信技术领域，具体公开了一种STAR‑RIS辅助的SWIPT系统及其鲁棒波束赋形方法，基于STAR‑RIS并应用于无线通信网络，以STAR‑RIS辅助的SWIPT系统基站发射总功率最小化为目标，联合优化基站的发射波束赋形矩阵，AN波束赋形矩阵和STAR‑RIS的反射和透射系数，可使基站的发射功率均衡地分配给各发射天线并控制STAR‑RIS选择合理的反射与透射系数，满足授权信息端的保密通信需求和能量采集端的能量采集需求，进而最小化基站的发射功率，从而能在不显著增加系统部署成本前提下，最大程度地节省频谱资源和传输能量，还能保证本系统的安全性。且本方法收敛速度快、复杂度低，易实现。

主权项：1.一种STAR-RIS辅助的SWIPT系统的鲁棒波束赋形方法，其特征在于，SWIPT系统即无线信能同传系统包括一个排布有N个反射单元的能同时透射和反射的可重构智能表面即STAR-RIS，一个设置有M根天线的基站，一个单天线的授权信息接收端，一个单天线的能量采集端；所述能同时透射和反射的可重构智能表面安装在所述授权信息接收端周围；所述授权信息接收端与所述能同时透射和反射的可重构智能表面之间有传输信道h1；所述能量采集端与所述能同时透射和反射的可重构智能表面之间有传输信道h2；所述基站与所述能同时透射和反射的可重构智能表面之间有传输信道H0；由于障碍物遮挡，所述基站与所述授权信息接收端之间无直达链路，所述基站与所述能量采集端之间无直达链路；所述基站基于能同时透射和反射的可重构智能表面的辅助与所述授权信息接收端进行保密通信并同时对所述能量采集端执行无线供能；从表面两侧入射到所述能同时透射和反射的可重构智能表面上的无线信号分为两部分，其中一部分反射信号被反射到与入射信号相同的空间，即反射空间，另一部分发射信号被传输到与入射信号相反的空间，即发射空间；通过操纵所述能同时透射和反射的可重构智能表面元件的电流和磁流，即通过调节透射系数和反射系数，配置发射和反射的信号；该SWIPT系统考虑基于有界信道状态信息不确定性模型，以使STAR-RIS辅助的基站的发射总功率最小为目标，采用基于交替优化的算法，联合优化基站的发射波束赋形矩阵W、人工噪声波束赋形矩阵V、STAR-RIS的反射系数矩阵Θr与透射系数矩阵Θt，包括步骤：S1、在预设的标准范围内，基于半正定规划、半正定松弛算法，计算STAR-RIS的一给定反射和透射系数下对应的发射波束赋形矩阵和人工噪声波束赋形矩阵解；S2、在预设的标准范围内，基于连续凸近似和罚方法，计算在步骤S1计算的发射波束赋形矩阵和人工噪声波束赋形矩阵解下的STAR-RIS的反射和透射系数解；该SWIPT系统的优化模型P1构建为：P1: s.t.C1:SINRIR≥γI,C2:SINRER≤γE,C3:Q0≥Eth,C4:C5:C6:其中，min表示使最小，||||2表示复数向量的欧几里德范数的平方；约束C1保证授权信息接收端的最小信干噪比达到γI，约束C2保证能量采集端试图窃听解码时的最大信干噪比不能超过γE，约束C3保证能量采集端的功率采集至少达到Eth，约束C4表示有界CSI误差模型，约束C5和C6分别表示STAR-RIS幅度和相移约束；和分别表示STAR-RIS第n个单元的透射和反射调控系数，分别表示STAR-RIS第n个单元的透射调控系数的幅度和相移，分别表示STAR-RIS第n个单元的反射调控系数的幅度和相移，diag表示对角矩阵；SINRIR表示所述授权信息接收端的信号接收与信息解码的信干噪比，γI表示所述授权信息接收端的信号接收与信息解码的最小信干噪比阈值，SINRER表示所述能量采集端尝试解码所述授权信息接收端时的信干噪比，γE表示所述能量采集端尝试解码所述授权信息接收端时可允许的最大信干噪比阈值；Q0表示所述能量采集端采集到的射频功率，Q0由式计算得出，其中，是能量采集端接收到的射频功率，表示STAR-RIS的透射系数，Z表示最大输出直流功率，a、b为实际电路规格的常数，X、Y分别定义为和exp指以自然常数e为底的指数函数；Eth表示所述能量采集端的最小采集功率，表示所述基站到所述授权信息接收端的组合等效信道，表示所述基站到所述能量采集端的组合等效信道，表示任意的，表示有界信道状态误差模型；表示所述基站的发射波束赋形矩阵，表示所述基站的人工噪声波束赋形矩阵；所述步骤S1具体包括步骤：S11、初始化迭代次数iter＝0，给定发射波束赋形矩阵的初始发射波束赋形矩阵和人工噪声波束赋形矩阵的初始矩阵第一误差精度ε1＞0；给定STAR-RIS的反射系数和透射系数S12、在给定STAR-RIS的反射系数和透射系数下，将所述优化模型P1转化为优化模型P2；S13、采用半正定规划、半正定松弛算法，基于初始发射波束赋形矩阵初始人工噪声波束赋形矩阵给定的STAR-RIS的反射系数和透射系数求解所述优化模型P2，得到发射波束赋形矩阵中间解和人工噪声信号矩阵中间解S14、判断所述发射波束赋形矩阵中间解与所述给定发射波束赋形矩阵人工噪声波束赋形矩阵中间解与所述给定人工噪声波束赋形矩阵是否满足和若是则令和iter＝iter+1，并返回至步骤S13，若否则输出发射波束赋形矩阵解和人工噪声波束赋形矩阵解所述步骤S2具体包括步骤：S21、初始化迭代次数m＝0，第二误差精度ε2＞0，随机生成给定STAR-RIS系数矩阵的初始反射系数矩阵其中和l∈{t,r}；S22、在步骤S14得到的发射波束赋形矩阵解和人工噪声波束赋形矩阵解下，将所述优化模型P1转化为优化模型P3；S23、采用连续凸近似和罚方法，基于发射波束赋形矩阵解和人工噪声波束赋形矩阵解初始反射系数矩阵求解所述优化模型P3，得到STAR-RIS的反射与透射系数矩阵中间解S24、判断如果则令m＝m+1，返回至所述步骤S23；否则，输出所述STAR-RIS的系数矩阵解

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