IRS支持下SWIPT系统的能效导向波束成形设计与优化.docx

简介：
本文探讨了在IRS技术支持下的同时无线信息与功率传输（SWIPT）系统中，通过能效导向的波束成形技术进行性能优化的设计方法。 本段落研究了在IRS辅助的SWIPT系统中的波束成形设计与优化方法，并以能效优先为准则进行探讨。该系统的创新之处在于通过智能反射面（Intelligent Reflecting Surface，简称IRS）调控电磁波的反射角度和强度，进而提升信号相位与幅度控制能力，增强整个网络的安全性和用户信息传输质量。 在功耗方面，IRS具有显著优势：它的工作能耗低，并且接收信噪比随着其元素数量的增长而提高。这种技术通过回收利用环境中的电磁波能量来工作，避免了传统系统中增加能耗以提升数据传输速率的限制。此外，在物联网应用领域特别是电子健康（E-health）和电池不可更换设备等场景下，IRS可以显著改善用户的通信体验。 本段落的目标在于开发一种基于能效优先原则的波束成形设计与优化策略，并为此构建了一个使用交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers，简称ADMM）算法框架。该方法首先固定IRS相移矩阵以求解发送端有源波束成型向量；随后将问题转化为半正定松弛(Semi-Definite Relaxation, 简称SDR)问题，并利用凸优化技术进行解决。 当最佳的有源波束成形方案确定后，接下来计算接收端在无源IRS条件下的能量门限约束值。然后，通过进一步转换为另一个凸优化问题来求解出最优的相移矩阵和反射波束成型向量组合，最终实现系统的能效最大化。 实验结果表明：采用基于能效优先原则设计与优化方法能够显著提升用户信息传输质量和系统安全性，在IRS辅助下的SWIPT环境中具有重要的应用价值。