一种基于智能反射平面的空中计算系统设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于智能反射平面的空中计算系统设计方法，实现了智能反射平面系数、传输端功率和接收端去噪系数的联合优化，进一步提升了空中计算系统的传输精度。在传统的空中计算系统中，传输精度会因无线信道强度的下降而下降。为了提高传输精度，本发明专利技术利用智能反射平面重构无线信道，并在动态信道的场景下实现了智能反射平面系数、传输端功率和接收端去噪系数的联合优化。收端去噪系数的联合优化。收端去噪系数的联合优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于智能反射平面的空中计算系统设计方法


[0001]本专利技术涉及一种在平均功率约束下,联合优化智能反射平面系数及空中计算系统参数的算法，属于信息


技术介绍

[0002]随着大规模物联网的部署，边缘物联网设备不断增加，从海量物联网设备获取数据的难度显著增加。空中计算技术是一种利用无线电波的叠加性，有效实现从无线终端进行快速数据聚合的方法。通过现代无线通信理论和优化控制理论，根据获取的无线信道信息进行实时的空中计算参数设计，从而提高数据聚合的准确度、降低通信时延和提高通信效率，是空中计算系统的重要目标。
[0003]在实际复杂动态的无线通信环境中，空中计算系统可以通过重构无线信道来提升数据传输的质量。利用可编程智能反射平面增强反射信号是一种新颖且有效的技术。具体地，通过调整可编程智能反射平面的相位参数实现反射信号方向在直射信号方向上投影能量的增强，从而实现无线信道链接强度的提高。传统的由智能反射平面辅助的空中计算系统主要是基于单个时隙信道状态进行设计，仅考虑设备的最大发射功率限制，然而对动态信道状态变化的情况下带有平均功率约束的场景缺乏分析。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：传统空中计算系统在动态信道下传输精度低。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案提供了一种基于智能反射平面的空中计算系统设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1、通过信道估计获得当前的直射信道系数以及反射信道系数；
[0007]步骤2、固定智能反射平面系数{w
j
}，优化传输端发射功率{p
k
}和接收端去噪系数η，具体包括以下步骤：
[0008]步骤201、对传输端发射功率{p
k
}和接收端去噪系数η的优化问题写为下式
[0009][0010][0011]0≤w
j
≤2π，j＝1，...，N
[0012]式(1)中，p
k
表示传输端设备k的发射功率，共有K个传输端设备；表示从传输端设备k到接收端的上行信道系数；g表示从智能反射平面到接收端的上行信道系数；表示从传输端设备k到智能反射平面的上行信道系数；σ2表示当前噪声方差；表示传输端设备k的平均发射功率约束；
[0013]步骤202、对式(1)所示的优化问题进行拉格朗日展开之后，将由式(1)表示的原优化问题转化为式(2)表示的无约束问题：
[0014][0015]式(2)中，λ
k
表示第k个拉格朗日系数，表示第k个设备的组合信道；
[0016]步骤203、固定智能反射平面系数{w
j
}、接收端去噪系数η和拉格朗日系数{λ
k
}求解得到传输端最优发射功率如式(3)所示：
[0017][0018]式(3)中，为传输端设备k的最优发射功率；
[0019]步骤204、将得到的传输端最优发射功率作为传输端发射功率{p
k
}回代到式(2)所示的拉格朗日函数中后，得到最优的接收端去噪系数η应满足式(4)所示的方程：
[0020][0021]式(4)中，
[0022]步骤205、搜索得到满足式(4)所示方程的接收端去噪系数η，即为最优的接收端去噪系数η。
[0023]步骤206、基于当前的拉格朗日系数{λ
k
}和步骤205获得的接收端去噪系数η，计算式(3)的最优发射功率然后通过次梯度优化的方法迭代更新拉格朗日系数{λ
k
}，其中次梯度为返回步骤203重新计算得到传输端最优发射功率直至逼近目标值后进入步骤3；
[0024]步骤3、将上一步得到的传输端最优发射功率和接收端去噪系数η代入式(1)所示的优化问题中，得到由智能反射平面系数{w
j
}作为单一变量的优化问题，并进一步将之转化为如式(5)所示的凸问题：
[0025][0026][0027]V≥0
[0028]式(5)中，ρ表示惩罚系数，
[0029]求解式(5)所示的凸问题并获得最优的V，对获得的最优的V进行切比雪夫分解之后可以得到满足式(1)的最优的智能反射平面系数{w
j
}；
[0030]步骤4、返回步骤2，将步骤3得到的最优的智能反射平面系数{w
j
}代入式(1)，直到计算得到的式(1)中的目标函数值收敛，获得最优的智能反射平面系数{w
j
}、传输端最优发射功率以及最优的接收端去噪系数η。
[0031]优选地，步骤3中利用凸差规划(difference of convex)技术(DC技术)将式(1)所示的优化问题转化为式(5)所示的凸问题。
[0032]本专利技术提出了一种在平均功率约束下，联合优化智能反射平面相位系数和空中计算系统参数的算法，通过交替优化求解智能反射平面的反射系数、传输设备的发射功率以及接收端的去噪系数，实现了较当前算法更高的聚合精度。
[0033]本专利技术实现了智能反射平面系数、传输端功率和接收端去噪系数的联合优化，进一步提升了空中计算系统的传输精度。在传统的空中计算系统中，传输精度会因无线信道强度的下降而下降。为了提高传输精度，本专利技术利用智能反射平面重构无线信道，并在动态信道的场景下实现了智能反射平面系数、传输端功率和接收端去噪系数的联合优化。
附图说明
[0034]图1为本专利技术提出的方法与现有方法的性能对比，其中传输均方误差越小性能越好，图中可见本专利技术提供的方法具有更低的传输误差。
具体实施方式
[0035]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0036]本专利技术提出了一种基于智能反射平面的空中计算系统设计方法，具体包括以下步骤：
[0037]步骤1、通过信道估计获得当前的直射信道系数以及反射信道系数；
[0038]步骤2、固定智能反射平面系数{w
j
}，优化传输端发射功率{p
k
}和接收端去噪系数η，具体包括以下步骤：
[0039]步骤201、对传输端发射功率{p
k
}和接收端去噪系数η的优化问题可写为下式(1)
[0040][0041][0042]0≤w
j
≤2π，j＝1，...，N
[0043]式(1)中，p
k
表示传输端设备k的发射功率，共有K个传输端设备；表示从传输端设备k到接收端的上行信道系数；g表示从智能反射平面到接收端的上行信道系数；表示从传输端设备k到智能反射平面的上行信道系数；σ2表示当前噪声方差；表示传输端设备k的平均发射功率约束。
[0044]步骤20本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于智能反射平面的空中计算系统设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、通过信道估计获得当前的直射信道系数以及反射信道系数；步骤2、固定智能反射平面系数{w
j
}，优化传输端发射功率{p
k
}和接收端去噪系数η，具体包括以下步骤：步骤201、对传输端发射功率{p
k
}和接收端去噪系数η的优化问题写为下式}和接收端去噪系数η的优化问题写为下式0≤w
j
≤2π，j＝1，...，N式(1)中，p
k
表示传输端设备k的发射功率，共有K个传输端设备；表示从传输端设备k到接收端的上行信道系数；g表示从智能反射平面到接收端的上行信道系数；表示从传输端设备k到智能反射平面的上行信道系数；σ2表示当前噪声方差；表示传输端设备k的平均发射功率约束；步骤202、对式(1)所示的优化问题进行拉格朗日展开之后，将由式(1)表示的原优化问题转化为式(2)表示的无约束问题：式(2)中，λ
k
表示第k个拉格朗日系数，表示第k个设备的组合信道；步骤203、固定智能反射平面系数{w
j
}、接收端去噪系数η和拉格朗日系数{λ
k
}求解得到传输端最优发射功率如式(3)所示：式(3)中，为传输端设备k的最优发射功率；步骤204、将得到的传输端最优发射功率作为传输端发射功率{p
k
}回代到式(2)所示的拉格...

【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，王子鑫，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：