【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)適用于無(wú)線通信，尤其涉及一種基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法。
技術(shù)介紹
1、隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，智能反射面(intelligent?reflecting?surface,irs)在提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)覆蓋和通信效率方面上已被廣泛研究。irs具有靈活的部署特性，可以輕易安裝在建筑物外墻、廣告牌或其他結(jié)構(gòu)上，使其能夠無(wú)縫集成到現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)中。但大多數(shù)現(xiàn)有的irs優(yōu)化策略主要集中在信號(hào)處理或傳播模型的改進(jìn)上，而忽略了irs本身能量消耗，在帶電池irs輔助的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，irs的能耗用一個(gè)小型電池來(lái)提供能量，但是電池的能量?jī)?chǔ)備有限并且隨著能量的消耗，需要定期更換或充電，這在資源受限或人為干預(yù)困難的環(huán)境中極為不便。雖然能量收集技術(shù)(如射頻(rf)能量收集)為irs提供持續(xù)動(dòng)力是一種可行的解決方案。但是無(wú)線環(huán)境中信道的動(dòng)態(tài)性，傳統(tǒng)的信道估計(jì)和能量管理策略往往無(wú)法實(shí)時(shí)適應(yīng)環(huán)境變化，降低了能量利用效率并影響信號(hào)質(zhì)量的穩(wěn)定性。尤其是irs兩側(cè)入射信道和反射信道狀態(tài)均處于動(dòng)態(tài)性變化，系統(tǒng)很難及時(shí)準(zhǔn)確地獲得信道狀態(tài)信息，這增加了在實(shí)現(xiàn)irs能量中立運(yùn)行和最大化長(zhǎng)期平均吞吐量方面的決策復(fù)雜性。
2、因此，亟需一種新的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，解決上述技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)提出了一種基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，旨在通過(guò)最優(yōu)時(shí)間切換策略將智能反射面在不同的動(dòng)態(tài)環(huán)境下自適應(yīng)的保持一定的剩余電量，從而使得在
2、本專(zhuān)利技術(shù)提出一種基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，包括以下步驟：
3、s1、構(gòu)建帶電池的智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)；
4、s2、基于在線時(shí)間切換策略將所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)分為能量采集階段和信號(hào)反射階段，并以所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)的長(zhǎng)期平均吞吐量最大化以及實(shí)現(xiàn)電池能量中立為目標(biāo)建立長(zhǎng)期平均吞吐量最大化模型；
5、s3、基于馬爾可夫決策過(guò)程以及策略迭代算法以及目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)對(duì)所述長(zhǎng)期平均吞吐量最大化模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)時(shí)間切換策略；
6、s4、所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)根據(jù)所述最優(yōu)時(shí)間切換策略執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)時(shí)更新所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)中電池的剩余電量狀態(tài)。
7、優(yōu)選地，所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)包括基站、配備可充電電池的智能反射面以及多個(gè)單天線傳感器節(jié)點(diǎn)。
8、優(yōu)選地，所述長(zhǎng)期平均吞吐量最大化模型滿足以下關(guān)系式：
9、
10、s.t.0≤ec(n)≤ea(n+τ(n))
11、0≤ea(n+1)≤emax
12、0≤τ(n)≤1
13、ec(n)≤nrpu；
14、其中，pu表示所述智能反射面中單個(gè)反射元件的功耗，nr表示所述智能反射面中反射元件的數(shù)量，ec(n)表示n時(shí)隙時(shí)的所述智能反射面的能耗，τ(n)表示在n時(shí)隙時(shí)所述智能反射面的能量收集階段的時(shí)間分配，ea(n+τ(n))表示在n時(shí)隙時(shí)在能量收集階段后所述智能反射面的電池剩余能量，emax表示所述智能反射面的電池最大容量，ea(n)表示時(shí)隙n時(shí)開(kāi)始的電池能量狀態(tài)，jπ表示長(zhǎng)期平均吞吐量，c(n)表示時(shí)隙n時(shí)在執(zhí)行策略下的吞吐量，ea(n+1)表示時(shí)隙n+1時(shí)的電池能量狀態(tài)。
15、優(yōu)選地，步驟s3中，包括以下子步驟：
16、s31、基于馬爾可夫決策過(guò)程建立系統(tǒng)狀態(tài)模型，初始化信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、電池電量狀態(tài)；
17、s32、根據(jù)所述系統(tǒng)狀態(tài)模型預(yù)測(cè)未來(lái)信道狀態(tài)，根據(jù)滑動(dòng)窗口歷史數(shù)據(jù)確定電池能量中立邊界；
18、s33、根據(jù)所述策略迭代算法對(duì)所述系統(tǒng)狀態(tài)模型進(jìn)行迭代優(yōu)化；
19、s34、判斷當(dāng)前解是否為最優(yōu)解；若是，則將當(dāng)前解作為所述最優(yōu)時(shí)間切換策略輸出；若否，則返回步驟s33。
20、優(yōu)選地，步驟s31中，包括以下子步驟：
21、s311、基于所述第一傳輸信道的信道狀態(tài)、所述第二傳輸信道的信道狀態(tài)以及所述智能反射面的電池剩余電量狀態(tài)建立狀態(tài)空間；
22、s312、基于所述智能反射面的電池在吸收狀態(tài)和反射狀態(tài)的時(shí)間占比建立動(dòng)作空間；
23、s313、建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；
24、s314、建立所述目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，得到所述系統(tǒng)狀態(tài)模型。
25、優(yōu)選地，所述目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)滿足以下關(guān)系式：
26、
27、其中，re(t)表示所述目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，ea(t)表示時(shí)隙t的電池能量狀態(tài)，el(t)和eu(t)分別是電池能量中立的下限和電池能量中立的上限，π表示常數(shù)。
28、優(yōu)選地，所述最優(yōu)時(shí)間切換策略滿足以下關(guān)系式：
29、
30、其中，τ*(t)表示所述最優(yōu)時(shí)間切換策略，表示所述系統(tǒng)狀態(tài)模型的第s′狀態(tài)在策略τ下的平均回報(bào)，γ表示折扣因子a(t)∈a表示時(shí)隙t中在動(dòng)作空間a選擇的動(dòng)作策略，re(t)表示所述目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，t表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，a表示采取的動(dòng)作。
31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)利用滑動(dòng)窗口實(shí)時(shí)更新歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)包括過(guò)去時(shí)隙的入射信道狀態(tài)和反射信道狀態(tài)、智能反射面的能量收集與反射能耗之間的差值以及電池能量的狀態(tài)，通過(guò)能量的差值數(shù)據(jù)和電池能量狀態(tài)，系統(tǒng)獲得初始能量邊界。根據(jù)過(guò)去時(shí)隙的信道狀態(tài)計(jì)算能量邊界調(diào)整因子，并以此對(duì)初始邊界進(jìn)行調(diào)整，以得到能量中立的目標(biāo)邊界，采用基于馬爾科夫過(guò)程和在線時(shí)間切換策略的能量?jī)?yōu)化方法，根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，在綜合智能反射面兩側(cè)信道條件不佳的情況下，系統(tǒng)通過(guò)在線時(shí)間切換策略來(lái)儲(chǔ)存能量。在智能反射面綜合信道條件較好時(shí)，實(shí)施高效的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)策略迭代的算法優(yōu)化策略得到一個(gè)基于預(yù)測(cè)狀態(tài)的最優(yōu)時(shí)間切換策略。在實(shí)際信道環(huán)境到來(lái)后，根據(jù)系統(tǒng)做出的決策執(zhí)行，并更新電池剩余電量狀態(tài)。使得智能反射面能夠在不同的動(dòng)態(tài)環(huán)境下自適應(yīng)的保持一定的剩余電量，大幅增強(qiáng)了通信系統(tǒng)的可靠性和效率，同時(shí)保證了在動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。從而實(shí)現(xiàn)智能反射面的能量中立工作并且最大化系統(tǒng)的長(zhǎng)期平均吞吐量，從而極大地提升了無(wú)線通信系統(tǒng)的整體性能。
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1.一種基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)包括基站、配備可充電電池的智能反射面以及多個(gè)單天線傳感器節(jié)點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，所述長(zhǎng)期平均吞吐量最大化模型滿足以下關(guān)系式：
4.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S3中，包括以下子步驟：
5.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S31中，包括以下子步驟：
6.如權(quán)利要求5所述的適用于智能反射面的在線能量管理優(yōu)化方法，其特征在于，所述目標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)滿足以下關(guān)系式：
7.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，所述最優(yōu)時(shí)間切換策略滿足以下關(guān)系式：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，所述智能反射面輔助無(wú)線通信系統(tǒng)包括基站、配備可充電電池的智能反射面以及多個(gè)單天線傳感器節(jié)點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于智能反射面的無(wú)線通信系統(tǒng)吞吐量在線優(yōu)化方法，其特征在于，所述長(zhǎng)期平均吞吐量最大化模型滿足以下關(guān)系式：
4.如權(quán)利要求1所述的基于智能反...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭靜，刁惠能，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：佛山大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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