一种三维RIS辅助的煤矿通感一体化网络优化方法及装置

技术特征：
1.一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，包括：s1：建立具有三维智能表面的煤矿通信网络模型，所述模型包括三维智能表面、感知区域、小型基站以及地面数据中心；s2：对煤矿通信感知一体化网络模型中的感知通信时间分配策略进行优化；s3：对所述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，完成煤矿通感一体化网络的优化。2.根据权利要求1所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，所述小型基站为具有感知以及通信双功能的便携式小型基站；所述煤矿通信网络模型预设至少两个感知区域。3.根据权利要求2所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，所述步骤s2中，对所述煤矿通信网络模型中的感知区域进行优化，包括：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；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；s23：通过数据中心根据区域安全等级，确定感知次数下界，生成控制信号发送给基站；s24：基站获得不同安全等级的各个区域的感知次数下界；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。4.根据权利要求3所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，对所述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：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；s32：在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数；s33：采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成所述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。5.根据权利要求3所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，所述得到感知数据，包括：根据公式(1)得到感知数据i：其中，k为实际感知区域个数，d
k
为第k个感知区域的感知数据总量，p
k
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p
k
＝1-(1-q
k
)
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。6.根据权利要求5所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，所述步骤s32中，在设置好的路径损耗值的条件下，构建目标函数，包括：构建如下述公式(2)目标函数：y＝|g
h
h
h
θg|2ꢀꢀ
(2)
令h
h
θg＝θ
h
u；其中，其中，g∈c
m
表示基站到数据中心的路径损耗；表示可重构智能表面到数据中心的路径损耗；表示基站到可重构智能表面的路径损耗；表示相应的相移调控矩阵。当元目标函数变为下述公式(3)：y＝|g
h
θ
h
u|2ꢀꢀ
(3)设v＝θ
*
，则目标函数变为下述公式(4)：y＝|g
h
u
h
v|2ꢀꢀ
(4)。7.根据权利要求5所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化方法，其特征在于，所述步骤s33中，采用连续凸逼近方法对目标函数进行优化求解，完成所述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：构建如下述公式(5)凸逼近函数：2r((g u
h
v
(n-1)
)u
h
v)-|g u
h
v
(n-1)
|2ꢀꢀ
(5)若使得上述函数最小，则(g u
h
v
(n-1)
)u
h
v)必为实数，在最优点(g u
h
v
(n-1)
)u
h
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 u
h
v
(n-1)
)u
h
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，完成所述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。8.一种三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化装置，其特征在于，包括：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；感知区域优化模块，用于对所述煤矿通信网络模型中的感知区域进行优化；三维智能表面优化模块，用于优化所述煤矿通信网络模型中三维智能表面的反射系数矩阵。9.根据权利要求8所述的三维ris辅助的煤矿通感一体化网络优化装置，其特征在于，所述模型构建模块，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；在所述煤矿通信网络模型预设至少两个感知区域。10.根据权利要求8所述的3dris辅助的煤矿通感一体化网络优化装置，其特征在于，所述感知区域优化模块，包括：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；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；算法分析子模块，用于经过所述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；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。

技术总结
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方法及装置，涉及通信技术以及煤矿安全检测领域。包括：建立具有三维智能表面的煤矿通信网络模型，模型包括三维智能表面，需要通信的用户，感知区域，小型可便携式通感一体化基站，地面数据中心。本发明包含两个优化算法：第一，对煤矿通信网络模型中的感知通信时间分配策略进行优化；第二，对三维智能表面的反射系数矩阵进行优化。本发明在保证煤矿基本通信需求的前提下，更加有效地感知和检测煤矿安全信息；在达到相应安全等级实时监测的前提下，尽可能感知更多信息；优化RIS相移矩阵改善信道条件使得通信效率最大化。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进而减少伤亡概率。率。率。


技术研发人员：郭天昊 李仙钟 王玉杰 孟颖岫 陈子涵
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2022/5/20