CN117042162B - 通信方法、装置、反射平面、计算系统、增强器及中继器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种通信方法、装置、反射平面、计算系统、增强器及中继器，其通信方法包括：获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；基于通信参数，确定目标优化问题，目标优化问题包括上行链路的传输时延与下行链路的传输速率的映射关系；对目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据带宽优解和反射矩阵优解进行调节，以供智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加。基于本申请方案，通过智能反射平面来优化任务卸载，并联合上行和下行通信，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，可以解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种通信方法、装置、反射平面、计算系统、增强器及中继器。
背景技术
智能反射平面（可重构智能表面，Reconfigurable Intelligent Surface，RIS），具有自定义控制反射信号传播的能力，已被提出作为下一代无线网络的候选技术。通过调整RIS元面的相位和幅度特性，可以控制和增强所需的反射信号，并减轻不希望的干扰，以实现所谓的“智能无线电环境”，可以显著提高现有无线网络的覆盖范围和频谱效率。与传统的主动中继技术相比，由于RIS可调节传输信号的振幅或者相移来改善收发信端的通信条件，RIS不需要使用单独的射频链路或其他高功耗高价格的元件。
但是，当前RIS的研究主要集中在同一传输方向的信号增强，在同一区域的上行用户和下行用户需求相当，且RIS部署较少时，可以利用同一智能反射平面调节上下行信号的反射信号的振幅和相位，导致缺乏一种基于RIS辅助的联合上下行通信的信号增强的方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种通信方法、装置、反射平面、计算系统、增强器及中继器，旨在解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题。
为实现上述目的，本申请提供一种通信方法，所述通信方法应用于智能反射平面，所述通信方法包括以下步骤：
获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。
可选地，所述对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解的步骤包括：
根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题，得到反射矩阵优化问题及带宽优化问题；
基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解；
将所述反射矩阵的解带入所述带宽优化问题中，并采用预设的卡罗需-库恩-塔克KKT条件求解所述带宽优化问题，得到带宽的解；
回传所述反射矩阵的解与所述带宽的解，并返回执行所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤，直到所述反射矩阵的解及所述带宽的解收敛，得到所述带宽优解和所述反射矩阵优解。
可选地，所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤包括：
分解所述反射矩阵优化问题，得到上行反射矩阵优化问题和下行反射矩阵优化问题；
分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解；
对所述上行反射矩阵优解和所述下行反射矩阵优解进行差值分解，得到所述反射矩阵的角度可行区间；
采用所述二分法，遍历所述角度可行区间，得到所述反射矩阵的解。
可选地，所述分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解的步骤包括：
分别对所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题进行三角不等式转换，得到对应的相移系数；
基于所述相移系数，分别得到所述上行反射矩阵优解及所述下行反射矩阵优解。
可选地，所述根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题的步骤包括：
计算所述目标优化问题对应的偏导数矩阵，得到对应的矩阵值；
在所述矩阵值为负时，分解所述目标优化问题。
可选地，目标优化问题包括目标优化函数及约束条件，所述通信参数包括上行，所述获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数的步骤包括：
基于所述通信参数及预设的权重因子，构建所述上行链路的所述传输时延与所述下行链路的传输速率的所述映射关系，得到所述目标优化函数；
基于预设阈值，确定所述目标优化函数的所述约束条件。
本申请实施例还提出一种通信装置，所述通信装置包括：
获取模块，用于获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
确定模块，用于基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
优化模块，用于对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。
本申请实施例还提出一种智能反射平面，所述智能反射平面包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
本申请实施例还提出一种移动边缘计算系统，所述移动边缘计算系统包括基站、移动边缘计算服务器、用户终端以及如上所述的智能反射平面，所述移动边缘计算服务器部署在所述基站的一侧。
本申请实施例还提出一种信号增强器，所述信号增强器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
本申请实施例还提出一种中继器，所述中继器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有通信程序，所述通信程序被处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
本申请实施例提出的通信方法、装置、反射平面、计算系统、增强器及中继器，通过获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。基于本申请方案，利用智能反射平面来优化任务卸载，并联合上行和下行通信，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，可以解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题，增强信号传输质量，减少丢包率。
附图说明
图1为本申请通信装置所属智能反射平面的功能模块示意图；
图2为本申请通信方法第一示例性实施例的流程示意图；
图3为本申请通信方法第二示例性实施例的移动边缘计算系统架构的第一示意图；
图4为本申请通信方法第二示例性实施例的移动边缘计算系统架构的第二示意图；
图5为本申请通信方法第三示例性实施例的流程示意图；
图6为本申请通信方法第四示例性实施例的流程示意图；
图7为本申请通信方法的角度可行区间示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例的主要解决方案是：获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。基于本申请方案，利用智能反射平面来优化任务卸载，并联合上行和下行通信，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，可以解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题，增强信号传输质量，减少丢包率。
本申请实施例涉及的技术术语：
RIS：智能反射平面（Intelligent reflective surface, RIS），又称为可重构智能表面；具有自定义控制反射信号传播的能力，因此已被提出作为下一代无线网络的候选技术。更具体地说，通过调整 RIS 元面的相位和幅度特性，可以控制和增强所需的反射信号，并减轻不希望的干扰，以实现所谓的“智能无线电环境”，可以显著提高现有无线网络的覆盖范围和频谱效率。与传统的主动中继技术相比，RIS 不需要使用单独的射频链路或其他高功耗高价格的元件，RIS 消耗的功率很低，而且价格也便宜得多。RIS 可以无缝集成到现有的无线通信网络中，以实现不同的目标，包括降低用户间干扰，降低发射功耗，反射传播信号以避免通信阻塞，以及促进先进的调制技术。RIS 的这些优点使得很多人开始研究RIS 辅助的通信网络。不只是在通信网络中，RIS 在感知成像方面也具有很多优势。RIS 的每一个微面都能够独立的控制入射的信号，改变空间中的传播环境。通过不断地调整 RIS的反射特性，接收机能够得到不同的回波信号，从而获得更多环境中的信息。
信号衰落：无线信道中，信号衰落受路径损耗、阴影效应以及多径影响，会产生严重的误码率。
移动边缘计算：移动边缘计算系统中，用户任务主要为时延敏感型任务，该卸载任务不仅要求边缘计算服务器的部署广、计算能力强，同时也要求无线传输可靠、吞吐大。
本申请实施例考虑到，由于RIS可调节传输信号的振幅或者相移来改善收发信端的通信条件，因此多被应用于中继或者信号增强器。但是当前RIS的研究主要集中在同一传输方向的信号增强，例如，增强某区域上行所有用户的信号，调节反射信号的振幅和相位，来达到直射链路信号和反射链路信号相干叠加的效果，而当同一区域上下行用户需求相当，且RIS部署较少时，此时可利用同一智能反射平面调节上下行信号的反射信号的振幅和相位，然而当前研究几乎没有研究关于基于RIS辅助的联合上下行通信的信号增强，尤其在移动边缘计算系统中，时延敏感型任务的传输可靠性和吞吐性能需要得到满足，因此本文提出移动边缘计算系统中基于智能反射平面的上下行通信解决方案。
因此，本申请实施例方案，从提升联合上下行通信的可靠性实际问题出发，在进行联合上下行通信时，结合智能反射平面的充分利用有限空间中的反射性能以及上下行信号传输的可靠能力，提出一种移动边缘计算系统中基于智能反射平面的联合上下行通信解决方案，解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题。
具体地，参照图1，图1为本申请通信装置所属智能反射平面的功能模块示意图。该通信装置可以为独立于智能反射平面的、能够进行通信的装置，其可以通过硬件或软件的形式承载于智能反射平面上。
在本实施例中，该通信装置所属智能反射平面至少包括输出模块110、处理器120、存储器130以及通信模块140。
存储器130中存储有操作系统以及通信程序，通信装置可以将获取的上行链路及下行链路各自对应的通信参数；确定的目标优化问题，上行链路的传输时延与下行链路的传输速率的映射关系；得到的带宽优解及反射矩阵优解等信息存储于该存储器130中；输出模块110可为显示屏等。通信模块140可以包括WIFI模块、移动通信模块以及蓝牙模块等，通过通信模块140与外部设备或服务器进行通信。
其中，存储器130中的通信程序被处理器执行时实现以下步骤：
所述通信方法应用于智能反射平面，所述通信方法包括以下步骤：
获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。
进一步地，存储器130中的通信程序被处理器执行时还实现以下步骤：
根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题，得到反射矩阵优化问题及带宽优化问题；
基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解；
将所述反射矩阵的解带入所述带宽优化问题中，并采用预设的卡罗需-库恩-塔克KKT条件求解所述带宽优化问题，得到带宽的解；
回传所述反射矩阵的解与所述带宽的解，并返回执行所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤，直到所述反射矩阵的解及所述带宽的解收敛，得到所述带宽优解和所述反射矩阵优解。
进一步地，存储器130中的通信程序被处理器执行时还实现以下步骤：
分解所述反射矩阵优化问题，得到上行反射矩阵优化问题和下行反射矩阵优化问题；
分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解；
对所述上行反射矩阵优解和所述下行反射矩阵优解进行差值分解，得到所述反射矩阵的角度可行区间；
采用所述二分法，遍历所述角度可行区间，得到所述反射矩阵的解。
进一步地，存储器130中的通信程序被处理器执行时还实现以下步骤：
分别对所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题进行三角不等式转换，得到对应的相移系数；
基于所述相移系数，分别得到所述上行反射矩阵优解及所述下行反射矩阵优解。
进一步地，存储器130中的通信程序被处理器执行时还实现以下步骤：
计算所述目标优化问题对应的偏导数矩阵，得到对应的矩阵值；
在所述矩阵值为负时，分解所述目标优化问题。
进一步地，存储器130中的通信程序被处理器执行时还实现以下步骤：
基于所述通信参数及预设的权重因子，构建所述上行链路的所述传输时延与所述下行链路的传输速率的所述映射关系，得到所述目标优化函数；
基于预设阈值，确定所述目标优化函数的所述约束条件。
本实施例通过上述方案，具体通过获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。基于本申请方案，利用智能反射平面来优化任务卸载，并联合上行和下行通信，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，可以解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题，增强信号传输质量，减少丢包率。
基于上述智能反射平面架构但不限于上述架构，提出本申请方法实施例。
参照图2，图2为本申请通信方法第一示例性实施例的流程示意图。所述通信方法包括：
步骤S210，获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
本实施例方法的执行主体可以是一种通信装置，也可以是一种智能反射平面或服务器，本实施例以通信装置进行举例，该通信装置可以集成在具有数据处理功能的智能反射平面或服务器上。
本实施例方案主要实现通信尤其是联合上下行用户通信，增强信号传输质量，减少丢包率。
具体地，上行链路可以是用户终端向基站或网络的传输路径，用于传输用户终端产生的数据、信号或请求等。下行链路可以是基站或网络向用户终端的传输路径，用于传输基站发送的数据、信号或响应等。
通信参数可以是用于描述上行链路和下行链路的特性和性能的参数。通信参数可以包括：上行链路和下行链路各自对应的信道增益、信道系数、信号强度、白噪声、信噪比、传输速率、传输时延、传播损耗、信道衰落，上行用户和下行用户各自对应的功率中的一种或以上等。
步骤S220，基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
具体地，目标优化问题包括上行链路的传输时延与下行链路的传输速率的映射关系。通过优化链路资源的分配和调整，来实现最佳的上行用户的上行传输时延和下行用户的下行传输速率之间的平衡。
步骤S230，对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。
具体地，通过迭代地调整和优化变量来逐步接近最优解，带宽优解可以调节上行链路和下行链路的带宽分配，反射矩阵优解用于调节智能反射平面的角度配置。当智能反射平面接收到直射链路信号时，可以有效对反射链路信号进行调制、相移等操作，以实现反射链路信号与直射链路信号的相关叠加。
其中，直射链路信号可以是上行的直射链路信号，对应的反射链路信号为上行的反射链路信号；也可以是下行的直射链路信号，对应的反射链路信号为下行的反射链路信号。
示例性地，根据反射矩阵优解，优化智能反射平面的反射角度，根据带宽优解，优化上行链路和下行链路的带宽后，可以使得在用户需要上传文件、发送消息等场景时，通过上行用户终端生成上行卸载信号，其中，上行卸载信号可以包括上行的直射链路信号和上行的反射链路信号，使得上行用户终端将上行直射链路信号发送给基站，同时智能反射平面可以接收到上行反射链路信号，将上行反射链路信号发送给上行用户终端，使得经过智能反射平面的上行反射链路信号可以与上行直射链路信号形成有效的相关叠加。
另一示例性地，根据反射矩阵优解，优化智能反射平面的反射角度，根据带宽优解，优化上行链路和下行链路的带宽后，可以使得在用户需要下载文件、接收消息等场景时，通过基站生成下行传输信号，其中，下行传输信号包括下行的直射链路信号和下行的反射链路信号，基站将下行的直射链路信号发送给下行用户终端，同时智能反射平面可以接收到下行的反射链路信号时，将下行的反射链路信号发送给下行用户终端，使得经过智能反射平面的下行反射链路信号可以与下行直射链路信号形成有效的相关叠加。
本实施例通过上述方案，具体通过获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。基于本申请方案，利用智能反射平面来优化任务卸载，并联合上行和下行通信，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，可以解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题，增强信号传输质量，减少丢包率。
参照图3，图3为本申请通信方法第二示例性实施例的移动边缘计算系统架构的第一示意图。本申请实施例考虑到，移动边缘计算系统中，用户任务主要为时延敏感型任务，该卸载任务不仅要求边缘计算服务器的部署广、计算能力强，同时考虑同区域用户的上下行用户传输需求，同时满足上行用户和下行用户的无线传输可靠、吞吐大。由此，本实施例采用移动边缘计算系统来对上行用户和下行用户的通信进行增强。
具体地，移动边缘计算系统可以用于研究RIS辅助的MEC系统中联合上下行通信解决方案。基站收发信号链路可以包括2T2R或4T4R。
其中，作为一种实施方案，如图3示出的移动边缘计算系统的框架包括：基站（BS）、移动边缘计算服务器（MECS）、智能反射平面（RIS）、上行用户终端（UL-U）和/或下行用户终端（DL-U），基站包括单发射天线（Receiving antenna，Rx）和单接收天线（Transmittingantenna，Tx），也即，基站的收发信号链路可以为2T2R。
作为另一种实施方案，基于图3中的单发射天线和单接收天线，可通过改变直路信号的增益拓展至多个天线，也即基站可以包括多个发射天线以及多个接收天线。例如，图4为本申请通信方法第二示例性实施例的移动边缘计算系统架构的第二示意图，基站的收发信号链路为4T4R。
本申请实施例采用RIS来辅助MEC进行任务卸载，可以充分利用有限空间中RIS的反射性能；此外，RIS可以作为信号增强或信号中继，联合反射上下行传输信号，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，增强信号传输质量，减少丢包率，同时提升上行用户和下行用户传输信号的低时延高可靠性能。
参照图5，图5为本申请通信方法第三示例性实施例的流程示意图。基于上述图2至4所示的实施例，步骤S220，基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系，包括：
步骤S510，基于所述通信参数及预设的权重因子，构建所述上行链路的所述传输时延与所述下行链路的传输速率的所述映射关系，得到所述目标优化函数；
具体地，因MEC系统中，用户任务多为时延敏感型任务，本提案考虑优化上行用户的传输时延下行用户的吞吐量，即最小化上行传输时延和最大化下行传输速率，为同时满足两者提出优化问题P0，该P0与通信参数中的上下行用户传输速率、上行传输用户的任务长度、上下行用户占用带宽、上行卸载信号的SNR、下行传输信号的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、上行用户的传输功率、基站BS传输下行传输信号的功率、服务质量（Quality of Service，QoS）最大时延阈值、QoS最低速率阈值及权重因子相关。
其中，权重因子用于对上行传输时延和下行传输速率赋予不同的重要性或权重的因子。
步骤S520，基于预设阈值，确定所述目标优化函数的所述约束条件。
具体地，约束条件可以包括若干个约束条件。在本申请实施例中，约束条件1表示上行用户传输时延不高于QoS最大时延阈值；约束条件2表示下行用户传输速率不低于QoS最低速率阈值；约束条件3表示该时刻的上下行用户的占用带宽不高于可使用总带宽B，同时上下行用户的传输功率不高于限定的传输功率。
示例性地，该MEC系统中，假设BS侧部署有一个或多个MEC服务器（MECS），且针对单个上行用户（Uplink user，UL-U）和单个下行用户（Downlink user，DL-U）进行信号增强研究，假设某时刻信道可利用带宽为B，则该时刻上行用户和下行用户占用带宽分别为：和。在该MEC系统中，假设RIS由K个反射单元组成，且其振幅反射系数和相移系数为：/>和，/>且/>，则RIS反射系数矩阵可以写为：
；
其次，令上下行用户的直射链路信道增益分别为：、/>，由于反射平面的反射单元存在K个，因此反射链路的信号增益为向量形式，令/>为RIS至BS链路的信道系数；/>为UL-U至RIS链路的信道系数；
同时令为BS至RIS链路的信道系数，令为RIS至DL-U链路的信道系数。同时，令该时刻，上行用户的传输功率为/>，基站BS传输下行传输信号的功率为/>。
因此，可根据上下行传输信号的增益、信号传输功率，分别得到上行传输信号和下行传输信号的表达式为：
；
；
其中表示上行卸载信号，/>表示上行的信号噪声信号，/>表示基站侧的接收信号，下行同理。假设上下行的信道的高斯白噪声功率分别为/>、/>，因此可得上行卸载信号的SNR和下行传输信号的SNR分别为：
为同时满足两者优化问题，应用权重因子，且上行用户传输速率为，同理，下行用户传输速率为/>，假设L(bits)表示上行传输用户的任务长度，因此优化问题P0可写作：
其中，，约束条件1表示上行用户传输时延必须不高于QoS最大时延阈值/>，约束条件2表示下行用户传输速率不低于QoS最低速率阈值/>，约束条件3表示该时刻的上下行用户的占用带宽不高于可使用总带宽B，同时上下行用户的传输功率不高于限定的传输功率，其次，RIS反射单元的相移系数满足/>。
本实施例通过上述方案，具体通过根据所述通信参数及预设的权重因子，构建上行链路传输时延与下行链路传输速率的映射关系，并得到目标优化函数。通过设定预设阈值，确定目标优化函数的约束条件，确保优化的解符合实际需求，可以有效实现上行链路和下行链路性能的均衡优化和调节。
参照图6，图6为本申请通信方法第四示例性实施例的流程示意图。基于上述图2至图5所示的实施例，步骤S230，对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，包括：
步骤S610，根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题，得到反射矩阵优化问题及带宽优化问题；
具体地，非凸条件可以是目标函数或约束条件符合非凸性质，用于指示当前问题是否需要进行分解。通过将问题分解为两个子问题，我们可以针对每个子问题分别进行优化，可以更好地处理和解决复杂的优化问题，提升信号传输的优化效率。
进一步地，步骤S610，根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题，包括：计算所述目标优化问题对应的偏导数矩阵，得到对应的矩阵值；在所述矩阵值为负时，分解所述目标优化问题。
示例性地，为求解上述优化问题，得到MEC系统中RIS辅助的联合上下行通信的解决方案，需要针对该问题进行求解，并最终给出相应的解决方案算法。因此，由于P0问题的Hessian矩阵的存在非凸性，对P0问题进行优化，假设该时刻用户和基站的传输功率已知，则可转换P0为P1问题：
此时，根据变量的Hessian矩阵得到，该优化问题仍为非凸优化问题，同时由于该优化问题为连续优化问题，因此分解P1问题为问题P2.1和问题P2.2，如下：
步骤S620，基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解；
具体地，为了获得最优的反射矩阵的解，通过搜索区间将可行区间逐渐缩小，直到找到解的近似值，可以得到反射矩阵的近似解。
进一步地，步骤S620，基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解，包括：
步骤S621，分解所述反射矩阵优化问题，得到上行反射矩阵优化问题和下行反射矩阵优化问题；
示例性地，针对P2.1问题，当初始化的值，P2.1为非凸函数，因此，针对P2.1问题，进行分解，同时优化/>和/>的值，即分解为P2.1.1和P2.1.2问题，如下所示：/>
步骤S622，分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解；
进一步地，步骤S622，分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解，包括：
步骤A10，分别对所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题进行三角不等式转换，得到对应的相移系数；步骤A20，基于所述相移系数，分别得到所述上行反射矩阵优解及所述下行反射矩阵优解。
由于P2.1.1问题与P2.1.2问题求解类似，因此在本申请实施例中，通过分析P2.1.1问题进行举例。
示例性地，为求解该问题，首先转化其目标函数为下式：
；
其中，可表示为：
；
式中，表示上行用户在第k个反射单元的相移系数，/>可表示为；
其次，根据三角不等式，可以进一步转换该目标函数为：
因此，反射单元的相移系数可得到为：
；/>
此时，的最优解为：
；
同理，的最优解可以表示为：
。
步骤S623，对所述上行反射矩阵优解和所述下行反射矩阵优解进行差值分解，得到所述反射矩阵的角度可行区间；
具体地，为确定反射矩阵中每个反射单元的反射角度的范围，采用差值分解得到反射角度，可以用于指示反射矩阵的可调整程度，即在这个范围内调整反射角度，进而优化信号传输。
步骤S624，采用所述二分法，遍历所述角度可行区间，得到所述反射矩阵的解。
示例性地，由于P2.1问题的解与P2.1.1问题的最优解/>和P2.1.2问题的最优解的关系/>需进一步分析得到，因此采用差值分解，即假设/>的最大值的表达式为：
；
最小值的表达式为：
；
同时假设和/>的差值为/>，得到：/>。
由此，反射角度可行区间的表示可以参照图7，图7为本申请通信方法的角度可行区间示意图。
针对每个反射单元，可得：
，
，
，
因此可得：
；
如此，可以利用二分法遍历得到/>值使P2.1目标函数值最大，此时得到/>，则P2.1目标函数值设为/>。
步骤S630，将所述反射矩阵的解带入所述带宽优化问题中，并采用预设的卡罗需-库恩-塔克KKT条件求解所述带宽优化问题，得到带宽的解；
示例性地，由于P2.2问题针对变量的Hessian矩阵值大于0，则P2.2为凸函数，因此，对于P2.2问题，可以将P2.1问题中得到的/>带入P2.2，利用卡罗需-库恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）条件求解得到带宽的解/>，则P2.2目标函数值设为/>；
步骤S640，回传所述反射矩阵的解与所述带宽的解，并返回执行所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤，直到所述反射矩阵的解及所述带宽的解收敛，得到所述带宽优解和所述反射矩阵优解。
示例性地，迭代求解P2.1优化问题和P2.2优化问题的解，直至两个问题的解收敛。其中P2.1问题求解得到，带入P2.2问题，求解得到/>的值，再将其带入到P2.1问题，不断迭代，直至/>，满足迭代误差小于/>，则完成迭代，从而得到/>、/>的最优解。
本实施例通过上述方案，具体针对RIS辅助的联合上下行通信方式提出基于RIS的联合上下行通信优化算法，利用Hessian矩阵、KKT条件、迭代优化以及二分法等求解原优化问题，得到最优的带宽分配和反射矩阵配置方案，可以提高系统的整体性能和信号传输的优化效率，实现联合上行和下行信号传输质量和用户体验。
此外，本申请实施例还提出一种通信装置，所述通信装置包括：
获取模块，用于获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
确定模块，用于基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
优化模块，用于对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。
本实施例实现通信的原理及实施过程，请参照上述各实施例，在此不再赘述。
此外，本申请实施例还提出一种智能反射平面，所述智能反射平面包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
由于本资源规划程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
此外，本申请实施例还提出一种移动边缘计算系统，所述移动边缘计算系统包括基站、移动边缘计算服务器、用户终端以及如上所述的智能反射平面，所述移动边缘计算服务器部署在所述基站的一侧。
由于本资源规划程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
此外，本申请实施例还提出一种信号增强器，所述信号增强器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
由于本资源规划程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
此外，本申请实施例还提出一种中继器，所述中继器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
由于本资源规划程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
此外，本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有通信程序，所述通信程序被处理器执行时实现如上所述的通信方法的步骤。
由于本通信程序被处理器执行时，采用了前述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有前述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
相比现有技术，本申请实施例提出的通信方法、装置、反射平面、计算系统、增强器及中继器，通过获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。基于本申请方案，利用智能反射平面来优化任务卸载，并联合上行和下行通信，使反射链路信号与直射链路信号形成相关叠加，可以解决联合上行终端和下行终端通信时，信号传输的可靠性低的技术问题，增强信号传输质量，减少丢包率。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是智能反射平面，信号增强器，中继器，计算机，服务器，被控终端，或者网络设备等)执行本申请每个实施例的方法。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种通信方法，其特征在于，所述通信方法应用于智能反射平面，所述通信方法包括以下步骤：
获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，包括：
根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题，得到反射矩阵优化问题及带宽优化问题；基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解；将所述反射矩阵的解带入所述带宽优化问题中，并采用预设的卡罗需-库恩-塔克KKT条件求解所述带宽优化问题，得到带宽的解；回传所述反射矩阵的解与所述带宽的解，并返回执行所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤，直到所述反射矩阵的解及所述带宽的解收敛，得到所述带宽优解和所述反射矩阵优解；
根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供所述智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加。
2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤包括：
分解所述反射矩阵优化问题，得到上行反射矩阵优化问题和下行反射矩阵优化问题；
分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解；
对所述上行反射矩阵优解和所述下行反射矩阵优解进行差值分解，得到所述反射矩阵的角度可行区间；
采用所述二分法，遍历所述角度可行区间，得到所述反射矩阵的解。
3.如权利要求2所述的通信方法，其特征在于，所述分别转换所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题并求解，得到上行反射矩阵优解及下行反射矩阵优解的步骤包括：
分别对所述上行反射矩阵优化问题和所述下行反射矩阵优化问题进行三角不等式转换，得到对应的相移系数；
基于所述相移系数，分别得到所述上行反射矩阵优解及所述下行反射矩阵优解。
4.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题的步骤包括：
计算所述目标优化问题对应的偏导数矩阵，得到对应的矩阵值；
在所述矩阵值为负时，分解所述目标优化问题。
5.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，目标优化问题包括目标优化函数及约束条件，所述通信参数包括上行，所述获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数的步骤包括：
基于所述通信参数及预设的权重因子，构建所述上行链路的所述传输时延与所述下行链路的传输速率的所述映射关系，得到所述目标优化函数；
基于预设阈值，确定所述目标优化函数的所述约束条件。
6.一种通信装置，其特征在于，所述通信装置包括：
获取模块，用于获取上行链路及下行链路各自对应的通信参数；
确定模块，用于基于所述通信参数，确定目标优化问题，所述目标优化问题包括所述上行链路的传输时延与所述下行链路的传输速率的映射关系；
优化模块，用于对所述目标优化问题进行迭代优化，得到带宽优解及反射矩阵优解，并根据所述带宽优解和所述反射矩阵优解进行调节，以供智能反射平面在接收到直射链路信号对应的反射链路信号时，使所述反射链路信号与所述直射链路信号形成相关叠加；
所述优化模块，还用于根据预设非凸条件，分解所述目标优化问题，得到反射矩阵优化问题及带宽优化问题；基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解；将所述反射矩阵的解带入所述带宽优化问题中，并采用预设的卡罗需-库恩-塔克KKT条件求解所述带宽优化问题，得到带宽的解；回传所述反射矩阵的解与所述带宽的解，并返回执行所述基于预设二分法，求解所述反射矩阵优化问题，得到反射矩阵的解的步骤，直到所述反射矩阵的解及所述带宽的解收敛，得到所述带宽优解和所述反射矩阵优解。
7.一种智能反射平面，其特征在于，所述智能反射平面包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的通信方法的步骤。
8.一种移动边缘计算系统，其特征在于，所述移动边缘计算系统包括基站、移动边缘计算服务器、用户终端以及权利要求7所述的智能反射平面，所述移动边缘计算服务器部署在所述基站的一侧。
9.一种信号增强器，其特征在于，所述信号增强器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的通信方法的步骤。
10.一种中继器，其特征在于，所述中继器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的通信程序，所述通信程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的通信方法的步骤。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有通信程序，所述通信程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的通信方法的步骤。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117042162A (zh) | 2023-11-10 |
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