一种三维RIS辅助的煤矿通感一体化网络优化方法及装置

一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法及装置
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，特别是指一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法及装置。


背景技术：

2.在高数据速率要求下，人们不得不将通信频率不断抬高，导致通信频率和雷达频率出现交叉，频谱愈发拥挤。现有的技术一方面开发高效的干扰管理技术以便两个单独部署的系统能够平稳运行，而不相互干扰；另一方面，将这两个功能物理集成在一个系统中，但它们使用两组专用硬件组件或两种不同的波形，在时间、频率或空间域上叠加或分离。这两种方法只是通信功能和感知功能松散的集成，没有共享硬件，频谱资源，只能得到有限的益处。鉴于此，联合感知和通信技术通过共享大部分硬件组件而更牢固的集成，此外，两种功能使用相同的波形，旨在联合优化通信和感知性能。在此联合系统中，通信功能和感知功能可以实现灵活的权衡，一直受到强烈的研究兴趣，结果已以各种名称报告，如雷达通信(radcom)、联合雷达(和)通信(jrc)，联合通信(jrc联合雷达通信系统和联合通信雷达系统jcr)，联合通信和雷达/无线电传感(jcas)，双功能雷达通信(dfrc)，以及最近的综合传感和通信(isac)。前三个通常是指一般的关节系统，可以互换使用。有时jrc和jcr被用来区分以雷达为中心和以通信为中心的设计。引入jcas一词是为了强调雷达向通信中心联合系统更普遍的无线电传感应用的发展。这些传感应用超越了传统雷达功能的定位、跟踪和目标识别，如人类行为识别和使用无线电信号的大气监测。
3.之前对于提高通信效率的问题上总是把信道看成一种概率过程，现有技术主要包括：mimo技术，毫米波通信等等。这些技术只是在通信发射端和接收端进行增强，局限了通信技术的发展。
4.有关通信感知一体化的大部分工作都集中在时间资源分配问题上。通过优化通信时间和感知时间分配策略，实现高频谱效率和通信速率。由于通信感知一体化系统需要周期性地感知目标区域的安全信息，感知信息新鲜度即成为同感一体化系统的重要性能指标。此外，之前有关三维智能表面(ris)的大部分工作都集中在两个方面。其一为ris的信道估计和网络部署；其二为如何联合优化ris相移矩阵和发射功率，使得系统能量效率最高。
5.现有技术大至少两是自由空间的联合系统仿真设计，并没有对煤矿场景进行深入研究。通过智能调控ris相移矩阵可以改变信道条件，使得较小的发射功率就能满足信噪比要求。所以，在煤矿场景下，建立模型后，如何优化ris相移矩阵使得通过ris的信道增益最大，以及在不同安全等级下，如何确定各个区域的感知次数使得感知信息时延最小，是主要的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中如何优化ris相移矩阵使得通过ris的信道增益最大，以及在不同安全等级下，如何确定各个区域的感知次数使得感知信息时延最小的问题，本发明提出了
一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法及装置。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
8.一方面，提供了一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，包括：
9.s1：建立具有三维智能表面的煤矿通信网络模型，模型包括三维智能包面以及感知区域；
10.s2：对煤矿通信网络模型中的感知区域进行优化；
11.s3：对煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵进行优化。
12.可选地，步骤s1中的煤矿通信网络模型，还包括：
13.一个数据中心，一个具有感知以及通信双功能的小型基站；煤矿通信网络模型预设至少两个感知区域。
14.可选地，步骤s2中，对煤矿通信网络模型中的感知区域进行优化，包括：
15.s21：通过基站按照预设的感知次数依次感知至少两个预设感知区域，得到感知数据；
16.s22：通过三维智能表面辅助感知数据发送到数据中心，进行算法分析；
17.s23：确定最优的感知次数，通过最优的感知次数更新预设的感知次数；
18.s24：通过更新的感知次数得到控制信号；
19.s25：通过数据中心发送控制信号给基站，基站按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知，优化感知区域。
20.可选地，得到感知数据，包括：
21.根据公式(1)得到感知数据：
[0022][0023]
其中，k为实际感知区域个数，pk为基站对于一个区域感知成功的概率，对于一个区域进行一次成功感知的概率为：所以，感知bk次成功的概率为pk＝1-(1-qk)
bk
，则目标函数具体可以表示为：由于目标函数无法判断凹凸性，所以对目标函数进行函数近似，通过fmincon函数来验证近似函数的正确性。
[0024]
可选地，步骤s3中，对煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩进行优化，包括：
[0025]
s31：通过代码仿真，设置基站到数据中心的直达信道路径损耗值，以及通过ris信道的路径损耗设置值；
[0026]
s32：在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数；
[0027]
s33：采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0028]
可选地，步骤s32中，在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数，包括：
[0029]
构建如下述公式(2)目标函数：
[0030]
y＝|gh hhθg|2ꢀꢀ
(2)
[0031]
令hhθg＝θhu；其中，
[0032]
当元目标函数变为下述公式(3)：
[0033]
y＝|gh θhu|2ꢀꢀ
(3)
[0034]
设v＝θ
*
，则目标函数变为下述公式(4)：
[0035]
y＝|gh uhv|2ꢀꢀ
(4)
[0036]
可选地，步骤s33中，采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化，包括：
[0037]
构建如下述公式(5)凸逼近函数：
[0038]
2r((g uhv
(n-1)
)uhv)-|g uhv
(n-1)
|2ꢀꢀ
(5)
[0039]
若使得上述函数最小，则(g uhv
(n-1)
)uhv)必为实数，在最优点(g uhv
(n-1)
)uh和v的相位必为相反数，则在模型约束下，在当前迭代点计算(g uhv
(n-1)
)uh的相位即可找到下一个迭代点，依次类推，找到凸问题的最优解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0040]
一方面，本发明提供了一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化装置，包括：
[0041]
模型构建模块，用于建立部署有三维智能表面的煤矿通信网络模型；
[0042]
感知区域优化模块，用于对煤矿通信网络模型中的感知区域进行优化；
[0043]
三维智能表面优化模块，用于优化煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵。
[0044]
可选地，模型构建模块，还用于所述煤矿通信网络模型包括一个三维智能表面，一个数据中心，一个具有感知以及通信双功能的小型基站；在煤矿通信网络模型预设至少两个感知区域。
[0045]
可选地，感知区域优化模块，包括：
[0046]
感知数据初始子模块，用于基站按照预设的感知次数依次感知至少两个区域，得到感知数据；
[0047]
感知数据转发子模块，用于将感知数据通过三维智能表面的辅助发送到数据中心；
[0048]
算法分析子模块，用于经过数据中心的算法分析后，确定合适的感知次数；通过更新的感知次数得到控制信号；
[0049]
感知优化子模块，用于数据中心发送控制信号给基站，基站按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知。
[0050]
本发明实施例的上述技术方案至少具有如下有益效果：
[0051]
上述方案中，1、本发明对煤矿安全信息更加有效的感知和通信
[0052]
小型基站通过无线电感知煤矸石的数量，并通过ris将感知信息发送到数据中心dc。本发明在满足安全等级的要求下，尽可能感知更多安全信息；优化ris相移矩阵改善信道条件使得通信效率最大化，有效降低信息延迟。
[0053]
2、本发明能够实现煤矿预警实时化
[0054]
在煤矿发生危险事故比如坍塌事件的时候，ris能根据感知信息的改变获取到事故信息：包括事故位置和事故危险等级。如此一来，煤矿危险能够进一步被发现，进而减少伤亡概率。
qk)
bk
，则目标函数具体可以表示为：由于目标函数无法判断凹凸性，所以对目标函数进行函数近似，通过fmincon函数来验证近似函数的正确性。
[0079]
可选地，步骤s13中，对煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩进行优化，包括：
[0080]
s131：通过代码仿真，设置基站到数据中心的直达信道路径损耗值，以及通过ris信道的路径损耗设置值；
[0081]
s132：在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数；
[0082]
s133：采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0083]
可选地，步骤s132中，在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数，包括：
[0084]
构建如下述公式(2)目标函数：
[0085]
y＝|gh hhθg|2ꢀꢀ
(2)
[0086]
令hhθg＝θhu；其中，所有字符解释
[0087]
当元目标函数变为下述公式(3)：
[0088]
y＝|gh θhu|2ꢀꢀ
(3)
[0089]
设v＝θ
*
，则目标函数变为下述公式(4)：
[0090]
y＝|gh uhv|2ꢀꢀ
(4)
[0091]
可选地，步骤s133中，采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化，包括：
[0092]
构建如下述公式(5)凸逼近函数：
[0093]
2r((g uhv
(n-1)
)uhv)-|g uhv
(n-1)
|2ꢀꢀ
(5)
[0094]
若使得上述函数最小，则(g uhv
(n-1)
)uhv)必为实数，在最优点(g uhv
(n-1)
)uh和v的相位必为相反数，则在模型约束下，在当前迭代点计算(g uhv
(n-1)
)uh的相位即可找到下一个迭代点，依次类推，找到凸问题的最优解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0095]
如图2所示，本发明实施例提供了一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，具体步骤包括：
[0096]
s201：建立具有三维智能表面的煤矿通信网络模型，模型包括三维智能包面以及感知区域。
[0097]
其中，煤矿通信网络模型除了包括三维智能包面以及感知区域外，还可以包括一个数据中心，一个具有感知以及通信双功能的小型基站；煤矿通信网络模型预设至少两个感知区域。
[0098]
一种可行的实施方式中，本发明建立了煤矿场景下的ris(reconfigurable intelligent surface，三维智能表面)辅助通信感知一体化网络的仿真模型，通过优化方法寻求ris最优相移矩阵和最优感知时间分配策略。
[0099]
s202：通过基站按照预设的感知次数依次感知至少两个预设感知区域，得到感知数据；
[0100]
一种可行的实施方式中，得到感知数据，包括：
[0101]
根据公式(1)得到感知数据：
[0102][0103]
其中，k为实际感知区域个数，pk为基站对于一个区域感知成功的概率，dk..；对于一个区域进行一次成功感知的概率为：所以，感知bk次成功的概率为pk＝1-(1-qk)
bk
，则目标函数具体可以表示为：由于目标函数无法判断凹凸性，所以对目标函数进行函数近似，通过fmincon函数来验证近似函数的正确性。
[0104]
因为目标函数无法判断凹凸性，所以对目标函数进行函数近似：
[0105]
首先，令qk＝1-qk，则目标函数变为，将目标函数展开得:
[0106]
其中为固定值，故令目标函数变为，
[0107]
由泰勒公式二阶近似得出目标函数展开式为：
[0108]
其中，为固定值，故令：
[0109]
表示成矩阵形式为：
[0110]
y2＝ah·
b bh·a·
b，a＝[d1ln q1；d2ln q2...dkln qk；]
[0111]
b＝[b1；b2...bk]，a＝diag[ln q
12
·
d1/2；ln q
22
·
d2/2...ln q
k2
·dk
/2]
[0112]
不难看出，目标函数为一次函数和二次函数的和，显然，目标函数为凸函数，可以用凸优化知识进行优化。本发明用fmincon函数来验证近似函数的正确性。s203：通过三维智能表面辅助感知数据发送到数据中心，进行算法分析；
[0113]
一种可行的实施方式中，fmincon函数是用于求解非线性多元函数最小值的matlab函数，优化工具箱提供fmincon函数用于对有约束优化问题进行求解。
[0114]
调用形式为：
[0115]
[x,fval,exitflag,output,lambda,grad,hessian]＝fmincon
[0116]
(fun,x0,a,b,aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)；
[0117]
输入参数：fun要求解的函数值；x0函数fun参数值的初始化；
[0118]
参数值的线性不等式约束a,b
[0119]
参数值的等式线性约束aeq,beq,
[0120]
参数值的上界和下界lb,ub
[0121]
非线性约束nonlcon
[0122]
输出参数：x输出最优参数值
[0123]
fval输出fun在x参数的值
[0124]
exitflag输出fmincon额外条件值
[0125]
本发明使用函数自定义约束条件，在整数约束方面使用整数近似约束。
[0126]
s204：确定最优的感知次数，通过最优的感知次数更新预设的感知次数；
[0127]
s205：通过更新的感知次数得到控制信号；
[0128]
s206：通过数据中心发送控制信号给基站，基站按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知，优化感知区域。
[0129]
一种可行的实施方式中，由于感知过程是一个概率过程，即每一次成功感知都是一个概率事件，感知次数越多，相应的成功感知概率就越大。但是，在煤矿场景下，每个区域安全信息数据大小不一样，进而安全等级不一样，安全等级高的区域需要更多的感知时间来保证数据的成功感知。为了实现低延迟数据更新，通信时间和感知时间的总和受限。因此，感知时间需要合理分配给每个区域。在此条件下，本发明将此问题表述为一个优化问题，其目标是在数据更新时间和每个区域的最小成功感知概率约束下，优化感知时间分配策略，以最大限度地增大感知数据。为了解决这个优化问题，本发明将目标问题用泰勒二次展开近似为一个凸问题，使用求非线性多元函数最小值的方法解出最优点。
[0130]
s207：通过代码仿真，设置基站到数据中心的直达信道路径损耗值，以及通过ris信道的路径损耗设置值；
[0131]
一种可行的实施方式中，在煤矿环境下，无线信号只在有限方向上可以正常传输；其次，由于煤矿矿洞的曲折，必须用ris才能保证其有效传输。本发明在此条件下，对煤矿ris相移矩阵问题表述为一个优化问题。通过优化ris的反射系数矩阵，是网络通信效率最大化。其目标是在所能提供的最大功率约束下，最大限度地提高通信速率。为了解决这个优化问题，本发明使用了sca(successive convex approximation，连续凸近似方法)来求解，每一步都有一个闭式解。
[0132]
对于ris相移矩阵优化，本发明的系统部件相对位置如图3所示，在煤矿场景，假定基站具有信息处理的能力，此外，基站可以进行通信和无线电感知。在通信过程中，通过智能调控ris相移单元改善信道条件。
[0133]
在代码仿真中，基站到数据中心的直达信道路径损耗设置为10-6,通过ris信道的路径损耗设置为1。
[0134]
s208：在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数；
[0135]
一种可行的实施方式中，在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数，包括：
[0136]
构建如下述公式(2)目标函数：
[0137]
y＝|gh hhθg|2ꢀꢀ
(2)
[0138]
令hhθg＝θhu；其中，所有字符解释
[0139]
当元目标函数变为下述公式(3)：
[0140]
y＝|gh θhu|2ꢀꢀ
(3)
[0141]
设v＝θ
*
，则目标函数变为下述公式(4)：
[0142]
y＝|gh uhv|2ꢀꢀ
(4)
[0143]
s209：采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0144]
一种可行的实施方式中，构建如下述公式(5)凸逼近函数：
[0145]
2r((g uhv
(n-1)
)uhv)-|g uhv
(n-1)
|2ꢀꢀ
(5)
[0146]
若使得上述函数最小，则(g uhv
(n-1)
)uhv)必为实数，在最优点(g uhv
(n-1)
)uh和v的
相位必为相反数，则在模型约束下，在当前迭代点计算(g uhv
(n-1)
)uh的相位即可找到下一个迭代点，依次类推，找到凸问题的最优解，以此方法作迭代曲线如图4：纵坐标为归一化信道增益值，横坐标为迭代次数。完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0147]
如图5所示为本发明的系统模型图。本发明的小型基站通过无线电感知煤矸石的数量，并通过ris将感知信息发送到数据中心。本发明在满足安全等级的要求下，尽可能感知更多安全信息；优化ris相移矩阵改善信道条件使得通信效率最大化，有效降低信息延迟。
[0148]
在煤矿发生危险事故比如坍塌事件的时候，ris能根据感知信息的改变获取到事故信息：包括事故位置和事故危险等级。如此一来，煤矿危险能够进一步被发现，进而减少伤亡概率。
[0149]
如图6所示，本发明实施例提供了一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化装置300，包括：
[0150]
模型构建模块301，用于建立部署有三维智能表面的煤矿通信网络模型；
[0151]
感知区域优化模块302，用于对煤矿通信网络模型中的感知区域进行优化；
[0152]
三维智能表面优化模块303，用于优化煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵。
[0153]
优选地，煤矿通信网络模型包括一个三维智能表面，一个数据中心，一个具有感知以及通信双功能的小型基站；在煤矿通信网络模型预设至少两个感知区域。
[0154]
优选地，感知区域优化模块302，包括：
[0155]
感知数据初始子模块，用于基站按照预设的感知次数依次感知至少两个区域，得到感知数据；
[0156]
感知数据转发子模块，用于将感知数据通过三维智能表面的辅助发送到数据中心；
[0157]
算法分析子模块，用于经过数据中心的算法分析后，确定合适的感知次数；通过更新的感知次数得到控制信号；
[0158]
感知优化子模块，用于数据中心发送控制信号给基站，基站按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知。
[0159]
优选地，感知数据，包括：
[0160]
根据公式(1)得到感知数据：
[0161][0162]
其中，k为实际感知区域个数，pk为基站对于一个区域感知成功的概率，；对于一个区域进行一次成功感知的概率为：所以，感知bk次成功的概率为pk＝1-(1-qk)
bk
，则目标函数具体可以表示为：由于目标函数无法判断凹凸性，所以对目标函数进行函数近似，通过fmincon函数来验证近似函数的正确性。
[0163]
优选地，三维智能表面优化模块303包括：
[0164]
路径损耗值设置子模块，用于通过代码仿真，设置基站到数据中心的直达信道路径损耗值，以及通过ris信道的路径损耗设置值；
[0165]
目标函数构建子模块，用于在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数；
[0166]
反射系数矩阵优化子模块，用于采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0167]
优选地，路径损耗值设置子模块包括：
[0168]
构建如下述公式(2)目标函数：
[0169]
y＝|gh hhθg|2ꢀꢀ
(2)
[0170]
令hhθg＝θhu；其中，所有字符解释
[0171]
当元目标函数变为下述公式(3)：
[0172]
y＝|gh θhu|2ꢀꢀ
(3)
[0173]
设v＝θ
*
，则目标函数变为下述公式(4)：
[0174]
y＝|gh uhv|2ꢀꢀ
(4)
[0175]
优选地，反射系数矩阵优化子模块，用于构建如下述公式(5)凸逼近函数：
[0176]
2r((g uhv
(n-1)
)uhv)-|g uhv
(n-1)
|2ꢀꢀ
(5)
[0177]
若使得上述函数最小，则(g uhv
(n-1)
)uhv)必为实数，在最优点(g uhv
(n-1)
)uh和v的相位必为相反数，则在模型约束下，在当前迭代点计算(g uhv
(n-1)
)uh的相位即可找到下一个迭代点，依次类推，找到凸问题的最优解，完成煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵的优化。
[0178]
一种可行的实施方式中，首先，本发明对煤矿安全信息更加有效的感知和通信，小型基站通过无线电感知煤矸石的数量，并通过ris将感知信息发送到数据中心dc。本发明在满足安全等级的要求下，尽可能感知更多安全信息；优化ris相移矩阵改善信道条件使得通信效率最大化，有效降低信息延迟。其次，本发明能够实现煤矿预警实时化；在煤矿发生危险事故比如坍塌事件的时候，ris能根据感知信息的改变获取到事故信息：包括事故位置和事故危险等级。如此一来，煤矿危险能够进一步被发现，进而减少伤亡概率。
[0179]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0180]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。