一种流体天线端口切换方法、装置、终端设备及存储介质

本发明涉及流体天线端口切换领域，尤其涉及一种流体天线端口切换方法、装置、终端设备及存储介质。

背景技术：

1、通感一体化（integrated sensing and communications, isac）通过共享无线频谱、硬件平台和信号波形，使通信链路与雷达/感知功能在同一物理层架构下联合运行，已成为未来6g无线通信网络实现极高传输速率与厘米级感测分辨率的关键范式。为了提高空间自由度和环境适应性，流体天线系统（fluid antenna system, fas）被提出用于在有限物理孔径内动态移动或选择辐射位置，从而改变等效空间信道并提升通信和感知性能。然而，在已有流体天线通感一体化方案中，通常将天线端口切换过程简化为瞬时切换，或者将其视为纯粹的中断开销、测量时延或能量惩罚。这种简化会导致系统在端口选择时过度依赖目标构型的瞬时性能，忽略切换过程中的通信感知贡献及其对时隙级性能的影响，从而容易产生频繁且低收益的端口切换，最终削弱流体天线空间灵活性所带来的通感增益。

2、针对流体天线辅助通感一体化系统中的端口切换问题，目前主要存在以下三类处理策略，但均存在明显的应用瓶颈：第一类方案基于瞬时性能的端口选择方法，通常根据每一个候选天线端口构型在当前时刻的通信速率、感知精度或通感综合性能直接选择瞬时性能最优的端口位置，该类方法通常将端口切换过程简化为瞬时完成或无成本切换，仅关注目标端口构型在稳定状态下的性能，而忽略了从上一端口构型移动到当前端口构型所需要的实际切换时间、移动能耗以及切换过程中的通感性能变化，因此容易产生过于贪婪的端口切换行为，即系统频繁移动到瞬时性能较高的端口位置，但实际长期收益可能被切换开销抵消；第二类方案基于切换惩罚或移动时延的代价感知方法，开始考虑流体天线或可移动天线在端口切换过程中的物理开销，但现有方法大多将切换阶段简单视为能量惩罚、测量时延或先移动后传输的中断开销，并未进一步刻画端口移动期间仍然可以被利用的通信信号和感知信号，因此虽然考虑了切换成本，但没有充分利用切换过程本身所包含的通感效用，导致时隙级性能刻画不够完整；第三类方案基于传统黑盒优化或贝叶斯优化的在线构型搜索方法，在大规模候选端口空间中搜索较优的流体天线构型，以减少穷举扫描带来的训练和测量开销，然而传统贝叶斯优化方法通常假设目标函数相对平稳，并主要依赖高斯过程后验均值和方差进行决策，在动态空地通感环境中，用户和目标移动、残余自干扰变化以及端口切换引入的动作相关扰动，都会导致代理模型出现失配或过度自信的问题，从而使采集函数产生不稳定甚至错误的切换决策。因此，现有技术针对流体天线辅助通感一体化系统中的端口切换问题均存在不同程度的不可靠。

技术实现思路

1、本发明提供了一种流体天线端口切换方法、装置、终端设备及存储介质，能够解决现有技术中的上述问题，提高流体天线端口切换的可靠性。

2、本发明一种流体天线端口切换方法，包括：

3、获取候选流体天线构型集合和历史流体天线构型；

4、将所述候选流体天线构型集合输入到预训练的目标流体天线性能预测模型，以获取所述目标流体天线性能预测模型输出的原始预测性能分布集合；

5、获取所述目标流体天线性能预测模型对应的历史预测偏差集合，以基于预设共形误覆盖率和所述历史预测偏差集合得到共形校准因子，进而基于所述共形校准因子对所述原始预测性能分布集合进行数据缩放处理得到校准预测性能分布集合；

6、根据所述候选流体天线构型集合与所述历史流体天线构型，得到机械切换能耗惩罚项集合；

7、根据所述校准预测性能分布集合得到潜在提升期望集合，并基于所述潜在提升期望集合和所述机械切换能耗惩罚项集合，得到净收益评分集合；

8、基于所述净收益评分集合从所述候选流体天线构型集合中选取当前时隙的目标流体天线构型，以基于所述目标流体天线构型进行端口切换。

9、上述方案中，通过将候选流体天线构型集合输入目标流体天线性能预测模型，获取原始预测性能分布集合，进而获取所述目标流体天线性能预测模型对应的历史预测偏差集合，以基于所述历史预测偏差集合和预设共形误覆盖率得到共形校准因子，以使共形校准因子能够反映模型近期预测偏差的整体水平，进而利用所述共形校准因子对所述原始预测性能分布集合进行数据缩放处理得到校准预测性能分布集合，使校准预测性能分布集合能够与共形校准因子所反映的模型近期预测偏差的整体水平相关联，更贴近模型近期的实际预测误差水平，从而提高校准预测性能分布集合的数据可靠性，进而根据候选流体天线构型集合和历史流体天线构型计算得到机械切换能耗惩罚项，以基于机械切换能耗惩罚项集合表征从历史流体天线构型切换至候选流体天线构型集合所需消耗的机械能的惩罚，并基于校准预测性能分布集合得到潜在提升期望集合，以基于潜在提升期望集合表征候选流体天线构型集合的性能提升潜力，最后获得扣除了机械切换能耗惩罚项集合的潜在提升期望集合作为净收益评分集合，以将候选流体天线构型集合和历史流体天线构型进行切换时产生的综合净收益进行量化，并通过选取净收益评分最高的作为当前时隙目标构型进行端口切换，从而避免不必要的端口切换，有效在动态空地通感环境中保持可靠的端口切换决策能力，以提高流体天线端口切换的可靠性。

10、进一步地，所述获取候选流体天线构型集合和历史流体天线构型，包括：

11、获取原始待选流体天线构型集合和历史流体天线构型；

12、根据所述历史流体天线构型和所述原始待选流体天线构型集合之间任意一个原始待选流体天线构型之间的端口移动距离及端口液态金属移动速度，得到从所述历史流体天线构型切换到该所述原始待选流体天线构型的原始待选切换时间，并基于所述原始待选流体天线构型集合对应的所有所述原始待选切换时间得到原始待选切换时间集合；

13、基于所述原始待选切换时间集合和预设时隙长度，从所述原始待选流体天线构型集合中选取所述候选流体天线构型集合。

14、上述方案中，通过获取原始待选流体天线构型集合和历史流体天线构型，基于端口移动距离和端口液态金属移动速度计算从所述历史流体天线构型切换到各原始待选流体天线构型的原始待选切换时间，并基于预设时隙长度从原始待选集合中筛选出能够在预设时隙长度内完成切换的候选构型，从而保证了后续参与评估和决策的每一个候选构型均是物理上可实现的切换目标，解决了现有技术中将端口切换简化为瞬时切换而忽略实际切换时间约束的问题，同时通过剔除无法在一个时隙内完成切换的原始待选构型，确保切换可行性，避免了后续决策选取因切换时间不足而无法实际执行的构型，为后续预测模型评估、能耗计算和净收益评分提供了合理且可执行的候选空间，使整个在线决策流程能够在实际切换时间约束下正常运行。

15、进一步地，所述将所述候选流体天线构型集合输入到预训练的目标流体天线性能预测模型，以获取所述目标流体天线性能预测模型输出的原始预测性能分布集合中，所述目标流体天线性能预测模型的获取方法包括：

16、获取若干切换对，其中，每个所述切换对均包括一个样本历史流体天线构型和一个对应于所述样本历史流体天线构型的样本目标流体天线构型；

17、对于若干所述切换对中的任意一对切换对获取该所述切换对对应的历史观测数据；

18、基于若干所述切换对对应的所有所述历史观测数据得到历史观测数据集合；

19、基于若干所述切换对和所述历史观测数据集对预设流体天线性能预测模型进行训练，得到所述目标流体天线性能预测模型。

20、上述方案中，通过获取若干包含样本历史流体天线构型和对应样本目标流体天线构型的切换对，并为每个切换对获取对应的历史观测数据，进而组成历史观测数据集，然后基于所述切换对和所述历史观测数据集对预设流体天线性能预测模型进行训练，使得所获得的目标流体天线性能预测模型能够以切换对为输入、以历史观测数据为输出标签，学习从端口切换动作到通感性能之间的映射关系，解决了现有技术中通信信道、目标响应、残余自干扰等物理信息在动态环境中难以提前精确获得而无法直接计算通感性能的问题，即通过历史数据训练得到的模型来预测未知候选构型的通感性能，无需依赖完整闭式信道模型或穷举扫描，为后续在线决策提供了可用的预测模型基础。

21、进一步地，所述对于若干所述切换对中的任意一对切换对获取该所述切换对对应的历史观测数据，包括：

22、基于该所述切换对中的所述样本历史流体天线构型与该所述切换对中的样本目标流体天线构型得到样本端口移动路径；

23、基于所述样本历史流体天线构型得到样本历史预编码矩阵，并基于所述样本历史预编码矩阵和所述样本端口移动路径得到端口切换通信速率和端口切换感知互信息；

24、基于所述样本目标流体天线构型得到样本目标预编码矩阵，并基于所述样本目标预编码矩阵得到稳定驻留通信速率和稳定驻留感知互信息；

25、基于所述端口切换通信速率与所述稳定驻留通信速率得到真实通信性能；

26、基于所述端口切换感知互信息与所述稳定驻留感知互信息得到真实感知性能；

27、基于所述真实通信性能和所述真实感知性能得到该所述切换对的历史观测数据。

28、上述方案中，通过为每个切换对中的样本历史流体天线构型和样本目标流体天线构型获取样本端口移动路径，基于样本历史预编码矩阵和样本端口移动路径计算端口切换通信速率和端口切换感知互信息，同时基于样本目标预编码矩阵计算稳定驻留通信速率和稳定驻留感知互信息，然后将切换阶段与驻留阶段的通信速率和感知互信息分别合并为真实通信性能和真实感知性能作为该切换对的历史观测数据，其核心在于完整时隙内的通感性能由切换阶段和驻留阶段两部分按时间加权共同构成，而非仅计算驻留阶段的瞬时性能，从而解决了现有技术将端口切换阶段简单视为瞬时完成、中断开销或能量惩罚而忽略切换过程中通信信号和感知信号仍然可以被利用的问题，使得历史观测数据能够真实反映一次完整切换过程的实际通感效用，进而使训练得到的目标流体天线性能预测模型能够准确学习到切换阶段性能与驻留阶段性能的耦合关系，为后续在线预测提供了数据基础。

29、进一步地，获取所述目标流体天线性能预测模型对应的历史预测偏差集合，以基于预设共形误覆盖率和所述历史预测偏差集合得到共形校准因子，进而基于所述共形校准因子对所述原始预测性能分布集合进行数据缩放处理得到校准预测性能分布集合，包括：

30、对所述历史预测偏差集合进行残差处理得到标准化残差分数集合；

31、基于预设共形误覆盖率和所述标准化残差分数集合得到共形校准因子；

32、基于所述共形校准因子和所述预测性能标准差集合得到校准性能标准差集合；

33、基于所述校准性能标准差集合和所述预测性能均值集合得到所述校准预测性能分布集合。

34、上述方案中，通过基于历史预测偏差集合与预测性能标准差集合得到标准化残差分数集合，再基于预设共形误覆盖率和所述标准化残差分数集合计算共形校准因子，然后利用所述共形校准因子对预测性能标准差集合进行修正得到校准性能标准差集合，最终与预测性能均值集合组合得到校准预测性能分布集合，从而对目标流体天线性能预测模型的原始预测不确定性进行动态修正，解决了现有技术在动态空地通感环境中，用户和目标移动、残余自干扰变化以及端口切换引入的动作相关扰动导致代理模型不确定性估计不准确、容易出现过度自信和错误决策的问题，使得基于校准后预测分布计算的潜在提升期望能够反映模型真实的不确定性水平，从而有效抑制过度自信导致的次优或高风险切换决策，提升了在线决策在动态环境下的可靠性。

35、进一步地，所述根据所述候选流体天线构型集合与所述历史流体天线构型，得到机械切换能耗惩罚项集合，包括：

36、根据所述历史流体天线构型与所述候选流体天线构型集合之间任意一个候选流体天线构型之间的端口移动距离及端口液态金属移动速度，得到从所述历史流体天线构型切换到该所述候选流体天线构型的候选切换时间，并基于所述候选流体天线构型集合对应的所有所述候选切换时间得到候选切换时间集合；

37、基于预获取的流体天线移动功率和所述候选切换时间集合，得到所述机械切换能耗惩罚项集合。

38、上述方案中，通过根据历史流体天线构型与候选流体天线构型之间的端口移动距离和端口液态金属移动速度，计算从所述历史流体天线构型切换到该候选构型的候选切换时间，并基于预获取的流体天线移动功率和所述候选切换时间集合计算机械切换能耗惩罚项集合，从而将端口移动所消耗的物理能量量化为与候选切换时间成比例的确定性惩罚值，解决了现有技术中只关注通感性能增益而忽略端口移动时延和能量消耗、导致频繁低收益切换削弱流体天线空间灵活性增益的问题，使得净收益评分能够在通信感知性能提升与机械能耗成本之间实现量化权衡，从而提供了切换是否值得的判定依据，从而有效抑制低收益或不必要的端口移动，实现长期通感性能与切换成本之间的平衡。

39、进一步地，所述根据所述校准预测性能分布集合得到潜在提升期望集合，并基于所述潜在提升期望集合和所述机械切换能耗惩罚项集合，得到净收益评分集合，包括：

40、对所述校准预测性能分布集合进行采样得到采样预测性能向量集合；

41、基于所述采样预测性能向量集合、预获取的当前近似帕累托前沿和预设参考点得到所述潜在提升期望集合，以基于所述潜在提升期望集合和所述机械切换能耗惩罚项集合，得到净收益评分集合。

42、上述方案中，通过对校准预测性能分布集合进行采样得到采样预测性能向量集合，基于所述采样预测性能向量集合、预获取的当前近似帕累托前沿和预设参考点计算潜在提升期望集合，并基于所述潜在提升期望集合和机械切换能耗惩罚项集合得到净收益评分集合，从而将候选构型在通信和感知二维目标上的潜在改进量与机械切换能耗成本统一量化为可比较的净收益评分，解决了现有技术中缺少对切换是否值得的统一决策准则、无法在动态环境下同时考虑通信增益、感知增益和切换能耗进行综合判断的问题，使得基于净收益评分集合选取目标构型能够选出综合净收益最高的候选构型，在保留流体天线空间自由度的同时避免过度移动带来的性能损耗，实现长期在线代价感知通感效用的最大化。

43、本发明另一实施例还提供了一种流体天线端口切换装置，包括：

44、基础数据获取模块，用于获取候选流体天线构型集合和历史流体天线构型；

45、原始预测性能分布集合获取模块，用于将所述候选流体天线构型集合输入到预训练的目标流体天线性能预测模型，以获取所述目标流体天线性能预测模型输出的原始预测性能分布集合；

46、校准模块，用于基于预获取的历史预测偏差集合对所述原始预测性能分布集合进行校准，得到校准预测性能分布集合；

47、机械切换能耗惩罚项集合获取模块，用于根据所述候选流体天线构型集合与所述历史流体天线构型，得到机械切换能耗惩罚项集合；

48、净收益评分集合获取模块，用于根据所述校准预测性能分布集合得到潜在提升期望集合，并基于所述潜在提升期望集合和所述机械切换能耗惩罚项集合，得到净收益评分集合；

49、端口切换模块，用于基于所述净收益评分集合从所述候选流体天线构型集合中选取当前时隙的目标流体天线构型，以基于所述目标流体天线构型进行端口切换。

50、本发明另一实施例还提供了一种终端设备，包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时，实现如本发明一种流体天线端口切换方法的步骤。

51、本发明另一实施例还提供了一种计算机可读存储介质项，包括：存储的计算机程序，在计算机程序运行时，控制计算机可读存储介质所在的设备执行如本发明一种流体天线端口切换方法的步骤。