专用集成芯片、RIS相位最优配置求解方法及相关装置

本发明涉及逻辑芯片，尤其涉及一种专用集成芯片、ris相位最优配置求解方法及相关装置。

背景技术：

1、1-bit智能反射表面（reconfigurable intelligent surface，ris）辅助的无线携能通信（simultaneous wireless information and power transfer，swipt）系统，是一项为未来大规模物联网等能量受限网络提供高能效、可持续通信的关键技术，其融合了swipt和ris两项关键技术，其中：swipt允许无线信号在传输信息的同时，也能被终端设备收集并转化为电能，为低功耗设备供电，解决了传统设备依赖电池所带来的维护成本高、难以大规模部署等问题；ris是一种由大量低成本、低功耗的无源反射单元组成的平面，可以智能地调控入射电磁波的相位，改善信号传播环境。

2、1-bit ris的每个单元只有两种状态，使得ris相位配置的优化问题变成了一个组合优化问题，从而可以在伊辛机中进行较好求解。现有相关方法利用伊辛机解决实际ris-swipt系统中的1-bit相位优化问题，主要停留在软件算法层面，缺少专用硬件实现方案，难以满足实际ris-swipt系统对低时延、低功耗和边缘侧实时部署的需求。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种专用集成芯片、ris相位最优配置求解方法及相关装置，可以提供一种面向1-bit ris-swipt相位优化问题的专用伊辛硬件加速器，从而满足实际ris-swipt系统对低时延、低功耗和边缘侧实时部署的需求。

2、本技术实施例第一方面提供了一种专用集成芯片，应用于1-bit ris辅助的swipt系统，所述专用集成芯片包括：

3、梯度生成器，被配置为通过行计数器和/或列计数器以及地址生成器控制矩阵读取器依次读取外部输入的信道矩阵的元素；通过多路选择器配合反相器实现所述信道矩阵的元素与当前迭代轮的ris相位配置中对应元素的乘法运算；通过累加器将每一个所述信道矩阵的元素与当前迭代轮的ris相位配置中对应元素的乘法运算之积进行累加，得到一阶梯度和二阶海森矩阵，所述一阶梯度和所述二阶海森矩阵用于构建局部的二阶泰勒近似函数；

4、系数生成器，被配置为通过参数权重单元读取当前迭代轮的拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子；通过乘法器与累加器，结合当前迭代轮的拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子，将所述二阶泰勒近似函数中的一阶梯度映射为偏置项，以及将所述二阶泰勒近似函数中的二阶海森矩阵映射为伊辛耦合矩阵；

5、离散模拟分岔dsb求解器，被配置为根据所述ris相位配置中元素的个数配置矩阵乘法-时间演化mmte模块的个数，以及通过配置后的多个所述mmte模块根据所述伊辛耦合矩阵和偏置项并行求解对应的伊辛基态问题，得到ris候选相位配置；

6、其中，当前迭代轮为初始迭代轮时，ris相位配置为从外部输入的初始解，拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子取值为预设值。

7、可选的，所述专用集成芯片还包括：

8、候选解评估模块，被配置为通过增广拉格朗日函数计算器分别计算ris相位配置和ris候选相位配置对应的增广拉格朗日值，以及通过约束残差计算器根据ris相位配置和ris候选相位配置计算约束残差值；通过增广拉格朗日比较器比较ris相位配置和ris候选相位配置对应的增广拉格朗日值的大小，以及通过约束残差比较器比较约束残差值是否大于0。

9、可选的，所述专用集成芯片还包括：

10、结果管理模块，被配置为在ris候选相位配置对应的增广拉格朗日值小于ris相位配置对应的增广拉格朗日值且约束残差值不大于0时，将ris候选相位配置作为ris相位配置写入第二当前解寄存器；通过解比较器将所述第二当前解寄存器中存储的ris相位配置与最优解寄存器中存储的最优ris相位配置进行比较；若所述ris相位配置优于所述最优ris相位配置，则将所述最优解寄存器中存储的最优ris相位配置更新为所述ris相位配置；若所述ris相位配置不优于所述最优ris相位配置，则保持所述最优解寄存器中存储的最优ris相位配置不变。

11、可选的，所述专用集成芯片还包括：

12、逐比特修正模块，被配置为在ris候选相位配置对应的增广拉格朗日值不小于ris相位配置对应的增广拉格朗日值和/或约束残差值大于0时，对所述ris候选相位配置进行逐比特翻转，得到新的ris候选相位配置；

13、顶层控制器，被配置为根据新的ris候选相位配置控制所述ris候选相位配置评估模块继续执行。

14、可选的，所述顶层控制器，还被配置为在ris候选相位配置对应的增广拉格朗日值小于ris相位配置对应的增广拉格朗日值且约束残差值不大于0时，将ris候选相位配置作为ris相位配置写入第一当前解寄存器，以及控制所述梯度生成器继续执行。

15、可选的，所述专用集成芯片还包括：

16、参数更新模块，被配置为在所有的新的ris候选相位配置对应的增广拉格朗日值不小于ris相位配置对应的增广拉格朗日值和/或约束残差值大于0时，通过拉格朗日乘子和松弛变量模块更新拉格朗日乘子和松弛变量，以及通过自适应惩罚因子更新模块更新惩罚因子；

17、所述顶层控制器，还被配置为根据更新后的拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子控制所述梯度生成器继续执行。

18、可选的，在所述通过自适应惩罚因子更新模块更新惩罚因子方面：

19、参数更新模块，被配置为通过稳定性检查器确定当前迭代轮和上一迭代轮的ris相位配置是否相同；若相同，则通过稳定性计数器将稳定计数加1；若不同，则通过稳定性计数器将稳定计数清零；若稳定计数未达预设阈值，则按照增长系数增大惩罚因子；若稳定计数达到预设阈值，则保持惩罚因子不变。

20、本技术实施例第二方面提供了一种ris相位最优配置求解方法，应用于1-bit ris辅助的swipt系统，所述方法包括：

21、通过行计数器和/或列计数器以及地址生成器控制矩阵读取器依次读取外部输入的信道矩阵的元素；通过多路选择器配合反相器实现所述信道矩阵的元素与当前迭代轮的ris相位配置中对应元素的乘法运算；通过累加器将每一个所述信道矩阵的元素与当前迭代轮的ris相位配置中对应元素的乘法运算之积进行累加，得到一阶梯度和二阶海森矩阵，所述一阶梯度和所述二阶海森矩阵用于构建局部的二阶泰勒近似函数；

22、通过参数权重单元读取当前迭代轮的拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子；通过乘法器与累加器，结合当前迭代轮的拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子，将所述二阶泰勒近似函数中的一阶梯度映射为偏置项，以及将所述二阶泰勒近似函数中的二阶海森矩阵映射为伊辛耦合矩阵；

23、根据所述ris相位配置中元素的个数配置矩阵乘法-时间演化mmte模块的个数，以及通过配置后的多个所述mmte模块根据所述伊辛耦合矩阵和偏置项并行求解对应的伊辛基态问题，得到ris候选相位配置；

24、其中，当前迭代轮为初始迭代轮时，ris相位配置为从外部输入的初始解，拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子取值为预设值。

25、本技术实施例第三方面提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；

26、处理器和存储器相连，其中，存储器用于存储计算机程序，处理器用于调用计算机程序，以执行如本技术实施例中第二方面中的方法。

27、本技术实施例第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序包括程序指令，程序指令当被处理器执行时，执行如本技术实施例中第二方面中的方法。

28、可以看出，在本技术实施例中，梯度生成器利用 1-bit 二元特性将乘法简化为“多路选择器和反相器”的符号选择操作，以极低面积和功耗完成二阶泰勒近似所需的梯度与海森矩阵计算；系数生成器结合拉格朗日乘子、松弛变量和惩罚因子，将离散优化问题完整映射为伊辛模型，完成swipt的信息传输目标并处理能量收集双约束；dsb求解器按 ris单元个数配置并行 mmte 模块，在经典硬件上实现高并行、强逃逸局部最优能力的伊辛基态求解；梯度生成器、系数生成器和dsb求解器三者构成无需 cpu 介入的片上迭代闭环，辅以可热启动的初始化机制，从而在较低的延迟内输出接近全局最优的 ris 相位配置，其兼具低功耗、低延迟、高解质量与规模可扩展性。