基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网系统与流程

1.本发明涉及一种基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网系统，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.智能反射单元是一种新型的辅助通信设备，由于其具有成本低、易部署、体积小等诸多优点，因而被认为是下一代物联网系统潜在关键技术。智能反射单元通过对数据信号的反射，来扩大网络传输的距离，提升网络传输效果。
3.简单通俗地说，智能反射单元作用类似于镜子，只不过这里“反射”的对象是通信使用的无线电波，这样能够将无线电波更好的传播到阴影区域，提升物联网通信质量，为高效数据通信提供了一种有效的技术手段，已经得到物联网学术界和产业界的高度重视。
4.例如，中国专利申请cn201911206324.x公开的一种基于智能反射面的多小区无线通信方法，该申请通过联合优化发送波束成形和反射波束成形，可以有效地降低用户终端间的相互干扰，提高无线通信传输的传输效率，但该申请未说明如何解决多个智能发射单元选择的问题。
5.此外，传统无线通信技术的中继采用随机选择的方式，该方式应用于多个智能反射单元的选择时，能效性能和通信质量低，效果不理想。
6.因此，在采用智能反射单元进行辅助通信时，如何对多个智能反射单元进行选择，以提高能效性能和通信质量，是应当予以考虑并解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网系统，解决现有技术中存在的对多个智能反射单元，采用随机选择的方式进行选择，导致能效性能和通信质量不理想的问题。
8.本发明的技术解决方案是：
9.一种基于能效的智能反射单元选择方法，
10.信源通过在多个智能反射单元中选定的智能反射单元，实现与信宿协作通信，且选择单独工作时能量效率最大的智能反射单元作为选定的智能反射单元；
11.信源向选定的智能反射单元发射信号，在信号到达该智能反射单元上时进行相应的反射，反射后的信号到达信宿，信宿解码出所需要的信息。
12.进一步地，具体包括以下步骤，
13.s1、探测各智能反射单元的信道状态信息；
14.s2、根据步骤s1得到的信道状态信息，信道状态信息包括信源到每个智能反射单元的无线信道系数以及每个智能反射单元到信宿的无线信道系数，计算每个智能反射单元单独工作时对应的能量效率；
15.s3、根据步骤s2所得各智能反射单元的能量效率的计算结果，选择能量效率最大的智能反射单元进行传输，其他智能反射单元休眠；
16.s4、信源发送信息给步骤s3所选定的智能反射单元，该智能反射单元将信号反射给信宿；
17.s5、信宿对接收到的信号解码。
18.进一步地，步骤s1中，各智能反射单元最优工作状态时等价的信道状态信息，具体为，
19.s11、获取信源到每个智能反射单元的无线信道系数，并获取每个智能反射单元到信宿的无线信道系数；
20.s12、由步骤s11所得无线信道系数，计算每个智能反射单元的数据传输的瞬时速率，该瞬时速率的计算是基于香浓公式r
k
＝log2(1 snr
k
)，其中snr
k
＝p
s
|g
k
h
k
|2，其中，k＝1、2
…
k，这里g
k
是当前第k个智能发射单元到信宿的无线信道系数，h
k
是信源到当前第k个智能发射单元的无线信道系数；
21.s13、获取信源的瞬时发射功率数值。
22.进一步地，步骤s2中，计算每个智能反射单元单独工作时对应的能量效率，具体为，由步骤s1所得每个智能反射单元的数据传输的瞬时速率和信源的瞬时发射功率数值，计算每个智能反射单元对应的数据传输的瞬时能量效率大小：其中p
s
是信源发射功率，η0是该智能反射单元处于工作状态时的电路功耗常数，h
k
是信源到第k个智能反射单元的无线信道系数，g
k
是第k个智能反射单元到信宿的无线信道系数。
23.进一步地，步骤s3中，选择能量效率最大的智能反射单元进行传输，其他智能反射单元休眠，具体为，
24.s31、智能反射单元选择器从步骤s2所得每个智能反射单元单独工作时对应的能量效率中，选择数值最大的一个智能反射单元的标号，并以广播方式把该标号告知每个智能反射单元；
25.s32、每个智能反射单元对比各自收到的标号，在该智能反射单元的标号等于所收到标号时，则该智能反射单元被选中，处于工作模式；在该智能反射单元的标号不等于所收到标号时，则该智能反射单元属于没有被选中，且该智能反射单元进入关机模式。
26.进一步地，信源、多个智能反射单元和信宿以半双工模式工作在同一频段。
27.一种使用上述任一项所述基于能效的智能反射单元选择方法的物联网系统，包括信源、多个智能反射单元、信宿和智能反射单元选择器，在信源通过选定的智能反射单元与信宿协作通信时，智能反射单元选择器采用上述任一项所述基于能效的智能反射单元选择方法控制智能反射单元的选择。
28.进一步地，智能反射单元选择器包括通信模块、控制模块、存储模块和能效计算模块，
29.通信模块，用于获取信源与每个智能反射单元的无线信道系数，以及获取每个智能反射单元到信宿的无线信道系数，以及获取信源的瞬时发射功率数值；
30.存储模块，用于储存通信模块获取的无线信道系数以及信源的瞬时发射功率数值；
31.能效计算模块，用于计算每个智能反射单元的瞬时能量效率，并对比所有智能反射单元的能量效率，选择其中能量效率数值最大的智能反射单元；
32.控制模块，用于发送控制信令给每个智能反射单元，该控制信令具有能效性能最好的智能反射单元的标号m，每个智能反射单元收到该信令时主动对比自己的标号，如果标号不等于标号m，则进入关机状态；如果标号等于标号m，则处于工作状态。
33.本发明的有益效果是：该种基于能效的智能反射单元选择方法及使用该方法的物联网系统，通过在多个潜在的智能反射单元中选择能效最大的智能反射单元参与传输，利用本发明，与随机选择相比，明显提高了系统能效性能，进而提高了物联网系统的通信质量。本发明方法，在考虑通信质量的同时，考虑通信所消耗的能量，能够提升单位能量消耗的传输能力，从而保证物联网系统高效工作。
附图说明
34.图1是本发明实施例基于能效的智能反射单元选择方法的流程示意图。
35.图2是实施例物联网系统的说明示意图。
36.图3是实施例中智能反射单元选择器的说明示意图。
37.图4是信源发射功率ps＝10db时，实施例的基于能效的智能反射单元选择方法与随机选择方法的能量效率性能增益对比示意图。
38.图5是信源发射功率ps＝20db时，实施例的基于能效的智能反射单元选择方法与随机选择方法的能量效率性能增益对比示意图。
具体实施方式
39.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
40.实施例
41.一种基于能效的智能反射单元选择方法，如图1，信源通过在多个智能反射单元中选定的智能反射单元，实现与信宿协作通信，且选择单独工作时能量效率最大的智能反射单元作为选定的智能反射单元；信源向选定的智能反射单元发射信号，在信号到达该智能反射单元上时进行相应的反射，反射后的信号到达信宿，信宿解码出所需要的信息。
42.该种基于能效的智能反射单元选择方法，通过在多个潜在的智能反射单元中选择能效最大的智能反射单元参与传输，利用本发明，与随机选择相比，明显提高了系统能效性能，进而提高了物联网系统的通信质量。本发明方法，在考虑通信质量的同时，考虑通信所消耗的能量，能够提升单位能量消耗的传输能力，从而保证物联网系统高效工作。
43.该种基于能效的智能反射单元选择方法，具体包括以下步骤，
44.s1、探测各智能反射单元的信道状态信息；
45.s11、获取信源到每个智能反射单元的无线信道系数，并获取每个智能反射单元到信宿的无线信道系数；
46.s12、由步骤s11所得无线信道系数，计算每个智能反射单元的数据传输的瞬时速率，该瞬时速率的计算是基于香浓公式r
k
＝log2(1 snr
k
)，其中snr
k
＝p
s
|g
k
h
k
|2，其中，k＝1、
2
…
k，这里g
k
是当前第k个智能发射单元到信宿的无线信道系数，h
k
是信源到当前第k个智能发射单元的无线信道系数，p
s
是信源发射功率；
47.s13、获取信源的瞬时发射功率数值。
48.s2、根据步骤s1得到的信道状态信息，信道状态信息包括信源到每个智能反射单元的无线信道系数以及每个智能反射单元到信宿的无线信道系数，计算每个智能反射单元单独工作时对应的能量效率。
49.由步骤s1所得每个智能反射单元的数据传输的瞬时速率和信源的瞬时发射功率数值，计算每个智能反射单元对应的数据传输的瞬时能量效率大小：其中p
s
是信源发射功率，η0是该智能反射单元处于工作状态时的电路功耗常数，h
k
是信源到第k个智能反射单元的无线信道系数，g
k
是第k个智能反射单元到信宿的无线信道系数。
50.s3、根据步骤s2所得各智能反射单元的能量效率的计算结果，选择能量效率最大的智能反射单元进行传输，其他智能反射单元休眠。
51.s31、智能反射单元选择器从步骤s2所得每个智能反射单元单独工作时对应的能量效率中，选择数值最大的一个智能反射单元的标号，并以广播方式把该标号告知每个智能反射单元；
52.s32、每个智能反射单元对比各自收到的标号，在该智能反射单元的标号等于所收到标号时，则该智能反射单元被选中，处于工作模式；在该智能反射单元的标号不等于所收到标号时，则该智能反射单元属于没有被选中，且该智能反射单元进入关机模式。
53.s4、信源发送信息给步骤s3所选定的智能反射单元，该智能反射单元将信号反射给信宿；
54.s5、信宿对接收到的信号解码。
55.实施例中，信源、多个智能反射单元和信宿以半双工模式工作在同一频段。
56.一种使用上述任一项所述基于能效的智能反射单元选择方法的物联网系统，如图2，包括信源、多个智能反射单元、信宿和智能反射单元选择器，在信源通过选定的智能反射单元与信宿协作通信时，智能反射单元选择器采用上述任一项所述基于能效的智能反射单元选择方法控制智能反射单元的选择。
57.如图3，智能反射单元选择器包括通信模块、控制模块、存储模块和能效计算模块，
58.通信模块，用于获取信源与每个智能反射单元的无线信道系数，以及获取每个智能反射单元到信宿的无线信道系数，以及获取信源的瞬时发射功率数值；
59.存储模块，用于储存通信模块获取的无线信道系数以及信源的瞬时发射功率数值；
60.能效计算模块，用于计算每个智能反射单元的瞬时能量效率，并对比所有智能反射单元的能量效率，选择其中能量效率数值最大的智能反射单元；
61.控制模块，用于发送控制信令给每个智能反射单元，该控制信令具有能效性能最好的智能反射单元的标号m，每个智能反射单元收到该信令时主动对比自己的标号，如果标号不等于标号m，则进入关机状态；如果标号等于标号m，则处于工作状态。
62.该系统能够适应不同的信道条件，适用于复杂场景的物联网无线通信。系统在运行时，存在多个可供信宿选择的智能反射单元，在多个智能反射单元中需要根据系统信道条件选择一个最优的作为实际使用的智能反射单元，其他智能反射单元不参与传输。实施例中的智能反射单元，可以设于单个或分别设于多个智能反射面上。
63.如图4和图5，利用实施例方法，与随机选择方法相比，能够明显提高系统能效性能，进而提高物联网系统的通信质量。图4和图5分别比较了在信源反射功率是15db和20db时实施例所提出的智能反射单元选择方法与参考的随意选择方法的能量效率性能差别，每个图片的横坐标是可以选择的所有智能反射单元的数量，纵坐标是经过智能反射单元选择后的系统能量效率性能。由图4和图5可知，随着可以选择的智能反射单元数量的增加，可以选择的更大无线信道系数的机会更多，与随机选择方法相比，实施例方法选择后的等效的信道增益更大，进而选择后的系统的能量效率得以大幅提升。然而，随机的选择方法没有任何的对比工作，无论有多少个智能反射单元可以选择，随机的选择方法都是任意的随机的选择其中一个，从统计的角度分析，该选择方法没有获得更大无线信道系数的增益，从而导致能量效率没有提升。
64.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在该技术方案上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。