CN115396910A - 去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,随机生成每个智能超表面的初始位置信息;基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;基于网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;求解优化问题,得到智能超表面的位置信息;本发明通过将第一用户、智能超表面和基站建立间接,再通过建立的拓扑网络结构构建优化问题,可以得到使用户平均接收功率最大的智能超表面的位置信息,进而避免系统中障碍物堵塞,达到通过优化智能超表面的位置来提升网络通信效率。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,尤其涉及一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法。
背景技术
未来十年通信网络容量千倍增长,但高度复杂的网络、高成本的硬件和日益增加的能源消耗成为未来无线通信面临的关键问题。在实际多基站有阻塞的场景中,用户很有可能因为被障碍物堵塞,而接收不到基站发送的信号。智能超表面以其独特的低成本、低能耗、可编程、易部署的特点脱颖而出,因此部署智能超表面可扩大基站覆盖范围,增强用户的接收信号。
目前,智能超表面的应用通常是单独部署优化在通信系统中,这种方式虽然在一定程度上提升了通信效率,但随着应用场景的扩展,针对复杂通信系统(如多基站和多用户),单独布置智能超表面将难以达到预定需求,因此需要部署多个智能超表面来辅助通信。
当通信系统中的基站、用户和智能超表面逐渐增多后,使用智能超表面辅助用户服务时,位于不同位置的智能超表面如何来选择所关联的基站、用户,成为了复杂通信系统亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,通过合理的方法为智能超表面关联用户和基站,并使智能超表面位于最佳部署位置,进而提高用户接收信号强度。
本发明采用以下技术方案:一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,包括以下步骤:
随机生成每个智能超表面的初始位置信息;
基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;
基于网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;
求解优化问题,得到智能超表面的位置信息。
进一步地,优化问题为:
其中,Pavg为用户平均接收功率,CR为智能超表面的位置信息,M为用户的数量,Stotal用户接收功率,为第j个智能超表面的位置信息,为第f个智能超表面的位置信息,Δ为智能超表面之间的最小距离阈值,J为智能超表面的数量,为第m个用户和第k个基站之间的连接标识,pk,m为第k个基站为第m个用户分配的发射功率,为第j个智能超表面和第k个基站之间的连接标识,pk,j为第k个基站为第j个智能超表面分配的发射功率,为第k个基站的最大发射功率,为第m个用户和第j个智能超表面之间的连接标识。
进一步地,求解优化问题包括:
采用遗传算法求解智能超表面的位置信息;
其中,在遗传算法中,以所有智能超表面的位置信息作为种群、以每个智能超表面的位置信息作为染色体上的一个基因、以及以用户平均接收功率作为染色体的适应度。
进一步地,随机生成每个智能超表面的初始位置信息之前还包括:
获取基站的位置信息、用户的位置信息和障碍物的位置信息。
进一步地,基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接之前还包括:
基于最小路径损耗原则为用户和基站之间建立直接链路;
根据直接链路和障碍物的位置信息确定第一用户。
进一步地,基于最小路径损耗原则为用户和基站之间建立直接链路包括:
进一步地,基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接包括:
进一步地,基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接之后还包括:
计算基站的实际发射功率;
当实际发射功率大于基站的最大发射功率时,重新为第一用户、智能超表面和基站建立连接。
本发明的另一种技术方案:一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置,包括:
生成模块,用于随机生成每个智能超表面的初始位置信息;
连接模块,用于基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;
建立模块,用于基于网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;
求解模块,用于求解优化问题,得到智能超表面的位置信息。
本发明的另一种技术方案:一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置,包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法。
本发明的有益效果是:本发明通过将第一用户、智能超表面和基站建立间接,再通过建立的拓扑网络结构构建优化问题,可以得到使用户平均接收功率最大的智能超表面的位置信息,进而避免系统中障碍物堵塞,达到通过优化智能超表面的位置来提升网络通信效率。
附图说明
图1为本发明实施例一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法的流程图;
图2为本发明实施例一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置的结构示意图;
图3为本发明实施例中智能超表面设置单元数分别为150、100、50时实现用户平均接收功率随迭代次数变化的情况图;
图4为本发明实施例中用户数不同时,用户平均接收功率随智能超表面单元数变化的情况图;
图5为本发明实施例中用户平均接收功率随基站给单个用户发射功率变化的情况图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,如图1所示,包括以下步骤:步骤S110、随机生成每个智能超表面的初始位置信息;步骤S120、基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;步骤S130、基于网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;步骤S140、求解优化问题,得到智能超表面的位置信息。
本发明通过将第一用户、智能超表面和基站建立间接,再通过建立的拓扑网络结构构建优化问题,可以得到使用户平均接收功率最大的智能超表面的位置信息,进而避免系统中障碍物堵塞,达到通过优化智能超表面的位置来提升网络通信效率。
在本发明实施例中,首先获取基站的位置信息、用户的位置信息和障碍物的位置信息。设一共部署J个RIS,基站、用户和障碍物的横坐标和纵坐标在面积为S的区域内服从密度为λB、λU和λf的二维齐次泊松点过程,设它们的高度为固定值,且基站、用户和障碍物分布互相独立。则基站、用户、障碍物的个数可以表示为:
K=λBS,
M=λUS,
F=λfS,
其中,K为基站数量,M为用户数量,F为障碍物数量。基站k的坐标为用户m的坐标为障碍物f的坐标为Cf=(xf,yf,hf),智能超表面的初始位置随机生成,智能超表面j的坐标为CRj=(xj,yj,hj),其中,基站、用户、RIS高度固定。
在基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接之前,基于最小路径损耗原则为用户和基站之间建立直接链路;根据直接链路和障碍物的位置信息确定第一用户。
在本发明实施例中,基于最小路径损耗原则为用户和基站之间建立直接链路包括:
其中,kd为与用户建立直接链路的基站的位置信息,Ld(k)为用户对应的最小路径损耗,为第m个基站到第k个用户的距离,ρ为路径损失指数。为0或1,表示基站k与用户m之间通过直接链路连接,则二者之间通过间接链路连接。
将用户和基站之间建立直接链路后,则判断在链路上是否有障碍物阻塞,若用户与基站之间有视距链路,则用户接收来自基站的信号,此时用户与提供路径损耗最小的基站关联;若由于用户被障碍物堵塞导致基站与用户之间没有视距链路,则用户接收来自RIS(智能超表面)的信号,此时用户与提供路径损耗最小的RIS关联,RIS与提供路径损耗最小的基站关联。
得到第一用户之后,基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接包括:
通过判断基站的发射功率与最大发射功率的大小关系,决策基站、RIS、用户是否可以建立通信关联。也就是说,计算基站的实际发射功率;当实际发射功率大于基站的最大发射功率时,重新为第一用户、智能超表面和基站建立连接。
具体通过以下公式限制:
其中,代表单个基站发送的功率上限,上式表示基站k在所关联的RIS和用户上的功率之和不能超过最大发射功率;单个用户不能关联多个基站;单个RIS不能关联多个基站;单个用户不能关联多个RIS。若基站超过了关联上限,则需要重新为用户和RIS关联基站。
用户通过直接链路接收到的信号可表示为:
用户通过间接链路接收到的信号为:
其中,为RISj的第n个反射单元在入射方向上的增益;为RISj的第n个反射单元在反射方向上的增益;为基站k到智能超表面j的第n个反射单元的距离;为智能超表面j的第n个反射单元到用户m的距离;为智能超表面j的第n个反射单元的相移,为了使用户平均接收功率最大,设
进一步,以智能超表面位置为优化变量,用户平均接收功率为优化目标,建立数学优化问题,即:
其中,为了减少RIS之间的干扰,使约束c1表示任意两个RIS之间的最小距离约束;约束c2表示基站所发射的功率不能超过基站的最大发射功率;约束c3表示表示单个用户不能关联多个基站;约束c4表示单个RIS不能关联多个基站;约束c5表示单个用户不能关联多个RIS。具体的,Pavg为用户平均接收功率,CR为智能超表面的位置信息,M为用户的数量,Stotal用户接收功率,为第j个智能超表面的位置信息,为第f个智能超表面的位置信息,Δ为智能超表面之间的最小距离阈值,J为智能超表面的数量,为第m个用户和第k个基站之间的连接标识,pk,m为第k个基站为第m个用户分配的发射功率,为第j个智能超表面和第k个基站之间的连接标识,pk,j为第k个基站为第j个智能超表面分配的发射功率,为第k个基站的最大发射功率,为第m个用户和第j个智能超表面之间的连接标识。
在求解优化问题时,本发明实施例采用遗传算法求解智能超表面的位置信息;具体的,在遗传算法中,以所有智能超表面的位置信息作为种群、以每个智能超表面的位置信息作为染色体上的一个基因、以及以用户平均接收功率作为染色体的适应度。
更为具体的,包括以下步骤(其中,为了描述方便上述的一些步骤也放入了求解步骤中):
Step 1、根据基站、用户的位置信息以及基于路径损耗的关联策略,关联基站与用户。
Step 2、根据约束条件c1生成若干条染色体作为初始种群,即RIS的初始坐标集合,并设定算法中的遗传代数、交叉概率及变异概率。
Step 3、根据RIS的坐标以及基于路径损耗的关联策略,为被障碍物阻塞的用户关联RIS。
Step 4、基于路径损耗的关联策略为RIS关联基站。
Step 5、判断RIS关联的用户是否超过关联上限,若超过,则执行Step 3重新为此用户关联RIS。若未超过,则执行Step 6。
Step 6、判断基站关联的RIS是否超过关联上限,若超过,则执行Step 4重新为此RIS关联基站。若未超过,则执行Step 7。
Step 7、计算所有染色体的适应度,选出使用户平均接收功率最大的一组染色体。
Step 8、按照交叉概率决定新种群中的每个个体是否交叉,若交叉则随机生成交叉点,利用君主方案生成新的种群。
Step 9、按照变异概率决定新种群中的每个个体是否变异,若变异则随机选取两个基因进行变异。
Step 10、判断此时由子代生成的种群是否满足约束,若不满足,则返回Step8,若满足,保留此时子代作为下一代种群。
Step 11、判断遗传代数是否达到G(即最大迭代次数),若未达到返回Step2,且将此时的子代作为下一次迭代开始RIS的位置;若达到则结束算法。
本发明综合考虑实际情况下基站、用户、阻塞随机部署,在用户与基站之间没有视线路径的情况下合理配置基站、用户、RIS之间的关联,优化RIS位置,使信号被堵塞的用户也能实现很好的接收功率。基站、阻塞、用户采用泊松点分布,RIS初始位置随机分布,若用户与基站之间有视线链路,则基站为用户服务,若用户与基站之间无视线链路,则利用RIS来辅助通信。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述,通过MATLAB仿真来验证上述实施例方法的有效性。在面积为106m2的范围内部署基站、RIS、用户和障碍物,基站个数为10个,智能超表面个数为30个,若无特别说明,用户数为300。设基站高度为18m、智能超表面高度为20m、用户高度为1.6m。遗传算法中交叉率设为0.45,变异率设为0.02。
如图3所示,为智能超表面设置单元数分别为150、100、50时方案所实现用户平均接收功率随迭代次数变化的情况。每个基站的最大发射功率为30W。仿真结果显示,随迭代次数增多,算法基本收敛,且智能超表面位置优化后系统用户平均接收功率相比优化前系统用户平均接收功率有着显著的提升。
如图4所示,用户数不同时,用户平均接收功率随智能超表面单元数变化的情况。每个基站的最大发射功率为5W。如图可知,随着智能超表面单元数增加,用户平均接收功率增加逐渐缓慢。
如图5所示,为部署智能超表面和无智能超表面方案,用户平均接收功率随基站给单个用户发射功率变化的情况。如图可知,与不使用智能超表面相比,本发明显著提升了用户平均接收功率。在有智能超表面辅助时,随着单元数增加,用户平均接收功率增加逐渐减小。
本发明还公开了一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置,如图2所示包括:生成模块210,用于随机生成每个智能超表面的初始位置信息;连接模块220,用于基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;建立模块230,用于基于网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;求解模块240,用于求解优化问题,得到智能超表面的位置信息。
需要说明的是,上述模块之间的信息交互、执行过程等内容,由于与本发明方法实施例基于同一构思,其具体功能及带来的技术效果,具体可参见方法实施例部分,此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,仅以上述各功能模块的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成,即将所述装置的内部结构划分成不同的功能模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中,上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。另外,各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分,并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中模块的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
本发明还公开了一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置,包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法。
上述的装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。该装置可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解,该装置可以包括更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件,例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。
处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器在一些实施例中可以是所述装置的内部存储单元,例如装置的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述装置的外部存储设备,例如所述装置上配备的插接式硬盘,智能存储卡(Smart Media Card,SMC),安全数字(Secure Digital,SD)卡,闪存卡(Flash Card)等。进一步地,所述存储器还可以既包括所述装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等,例如所述计算机程序的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要说明的是,上述装置的具体内容,由于与本发明方法实施例基于同一构思,其具体功能及带来的技术效果,具体可参见方法实施例部分,此处不再赘述。
Claims (10)
1.一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
随机生成每个智能超表面的初始位置信息;
基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,所述第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;
基于所述网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;
求解所述优化问题,得到所述智能超表面的位置信息。
3.如权利要求2所述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,其特征在于,求解所述优化问题包括:
采用遗传算法求解所述智能超表面的位置信息;
其中,在遗传算法中,以所有智能超表面的位置信息作为种群、以每个所述智能超表面的位置信息作为染色体上的一个基因、以及以用户平均接收功率作为染色体的适应度。
4.如权利要求2或3所述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,其特征在于,随机生成每个智能超表面的初始位置信息之前还包括:
获取基站的位置信息、用户的位置信息和障碍物的位置信息。
5.如权利要求4所述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,其特征在于,基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接之前还包括:
基于最小路径损耗原则为用户和基站之间建立直接链路;
根据所述直接链路和所述障碍物的位置信息确定第一用户。
8.如权利要求4-7任一所述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法,其特征在于,基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接之后还包括:
计算所述基站的实际发射功率;
当所述实际发射功率大于所述基站的最大发射功率时,重新为第一用户、智能超表面和基站建立连接。
9.一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置,其特征在于,包括:
生成模块,用于随机生成每个智能超表面的初始位置信息;
连接模块,用于基于最小路径损耗原则为第一用户、智能超表面和基站建立连接,得到网络拓扑结构;其中,所述第一用户为与基站之间没有直接链路的用户;
建立模块,用于基于所述网络拓扑结构,以用户平均接收功率最大为目标、智能超表面的位置信息为优化变量建立优化问题;
求解模块,用于求解所述优化问题,得到所述智能超表面的位置信息。
10.一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化装置,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一项所述的一种去蜂窝网络多个智能超表面位置优化方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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