混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法包括，建立包括地面终端、固定式RIS、UAV搭载RIS在内的系统模型，配置系统参数；定义卸载决策；确定地面终端总卸载任务量与系统总能耗，定义系统能量效率；构造以最大化系统能量效率为目标，联合优化地面终端卸载决策等的优化问题，并采用丁克尔巴赫法将优化问题简化；比较地面终端通过固定式RIS进行任务卸载与通过UAV搭载RIS进行任务卸载的卸载速率，求解卸载决策；采用半正定松弛法并引入罚函数求解固定式RIS与UAV搭载RIS的波束成形矩阵、求解时隙分配、采用连续松弛求解UAV轨迹；通过块坐标下降法不断迭代卸载决策等直至获得最优解及系统能效的最大值。载决策等直至获得最优解及系统能效的最大值。载决策等直至获得最优解及系统能效的最大值。

【技术实现步骤摘要】
混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法


[0001]本专利技术涉及地面终端任务卸载
，尤其涉及混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法。

技术介绍

[0002]随着移动通信网络与物联网(IoT,Internet of Things)技术的飞速发展，智能终端设备将广泛应用于人们的日常生活中，未来将有数以千亿计的设备接入网络，计算密集型应用的增多与用户需求的增长对物联网设备的计算资源与通信资源提出了更高的要求，为提高移动设备的服务质量，移动边缘计算(MEC,Mobile Edge Computing)得益于其距离用户近、分布式部署等特点被作为解决设备资源受限与应用资源匮乏等问题的手段提出，可以有效地提高通信与计算效率、克服时间成本高与资源消耗巨大的问题。
[0003]由于现有技术对能耗的高要求使得通信成本也随之变高，可重构智能反射面(RIS,Reconfigurable Intelligent Surface)的低功耗、高能效特性及其无线通信传输环境的重构功能受到了业界的广泛研究。在城市环境或地形复杂地区中基站与设备间的视距(LoS,line
‑
of
‑
sight)链路被阻挡的情况下，借助RIS构造反射链路可以有效提高系统的能量效率，然而RIS大多数情况下被安装在建筑物表面，覆盖范围有限并且可能无法很好地应对突发情况，而无人机(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)凭借其机动性强，部署成本低的优点受到广泛关注，利用UAV搭载RIS便可以有效解决固定式RIS覆盖范围有限的问题。但无人机也受到其自身飞行能耗与悬停能耗的限制，将固定式RIS与UAV搭载RIS联合起来解决UAV与RIS各自受到自身限制的问题可以进一步提高系统的性能。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述现有存在的问题，提出了本专利技术。
[0006]因此，本专利技术提供了混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法，能够解决仅由固定式RIS辅助移动边缘计算系统的信道条件较差致不足以支撑地面终端完成其卸载任务的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案，混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法，包括：
[0008]建立包括k个地面终端、固定式RIS、UAV搭载RIS在内的系统模型，配置系统参数；定义卸载决策；确定地面终端总卸载任务量与系统总能耗，定义系统能量效率；构造以最大化系统能量效率为目标，联合优化地面终端卸载决策、时隙分配、固定式RIS、UAV搭载RIS波束成形矩阵与UAV轨迹的优化问题，并采用丁克尔巴赫法将优化问题由分数优化转化参数优化同时引入松弛变量简化该优化问题；比较地面终端通过固定式RIS进行任务卸载与通
过UAV搭载RIS进行任务卸载的卸载速率，求解卸载决策；采用半正定松弛法并引入罚函数求解固定式RIS与UAV搭载RIS的波束成形矩阵、求解时隙分配、采用连续松弛求解UAV轨迹；通过块坐标下降法不断迭代卸载决策、固定式RIS与UAV搭载RIS波束成形矩阵、时隙分配、UAV轨迹直至获得最优解及系统能效的最大值。
[0009]作为本专利技术所述的混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法的一种优选方案，其中：所述配置系统参数具体包括：地面终端集合一种优选方案，其中：所述配置系统参数具体包括：地面终端集合地面终端k的水平坐标z
k
＝[x
k
,y
k
]T
，用户k的发射功率P
k
，混合接入点水平坐标z
A
＝[x
a
,y
a
]T
，固定式RIS的水平坐标z
R
＝[x
r
,y
r
]T
，固定式RIS的高度H
r
，UAV水平瞬时坐标q[n]＝[x[n],y[n]]T
，UAV高度H
u
，UAV起点位置q0，UAV终点位置q
F
，UAV速度上限v
max
，固定式RIS卸载信道带宽B
FRIS
，UAV搭载RIS卸载信道带宽B
URIS
，固定式RIS第n帧波束成形矩阵，固定式RIS第n帧波束成形矩阵UAV搭载RIS第n帧波束成形矩阵UAV搭载RIS第n帧波束成形矩阵UAV飞行总时长T，时间帧时间帧集合地面终端k第n帧卸载任务量下限L
k,min
[n]，地面终端k与混合接入点之间的信道增益其中β1为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
GA,k
为地面终端k与混合接入点之间的距离，服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布；地面终端k与固定式RIS之间的信道增益其中β2为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
GR,k
为地面终端k与固定式RIS之间的距离，R
GR
为该信道的莱斯系数，表示地面终端k与固定式RIS之间视距链路增益，λ为载波波长，M为RIS上反射元件的数量，φ
GR,k
为地面终端k与RIS间到达角的余弦，即RIS间到达角的余弦，即服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布；固定式RIS与混合接入点之间的信道增益为固定式RIS与混合接入点之间的信道增益为其中β3为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
RA
为固定式RIS与混合接入点之间的距离，R
RA
为该信道的莱斯系数，表示固定式RIS与混合接入点之间视距链路增益，φ
RA
为固定式RIS与混合接入点间到达角的余弦，即为固定式RIS与混合接入点间到达角的余弦，即服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布；地面终端k与UAV搭载RIS之间的信道增益为其中β4为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
GU,k
[n]为时隙n内地面终端k与UAV搭载RIS之间的距离，φ
GU,k
[n]为时隙n内地面终端与UAV搭载RIS间到达角的余弦，即
UAV搭载RIS与混合接入点之间的信道增益其中β5为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
UA
[n]为时隙n内UAV搭载RIS与混合接入点之间的距离，φ
UA
[n]为时隙n内UAV搭载RIS与混合接入点间到达角的余弦，即
[0010]作为本专利技术所述的混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法的一种优选方案，其中：所述定义卸载决策包括,定义地面终端k在第n帧的卸载决策为α
k
[n]，α
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法，其特征在于：包括，建立包括k个地面终端、固定式RIS、UAV搭载RIS在内的系统模型，配置系统参数；定义卸载决策；确定地面终端总卸载任务量与系统总能耗，定义系统能量效率；构造以最大化系统能量效率为目标，联合优化地面终端卸载决策、时隙分配、固定式RIS、UAV搭载RIS波束成形矩阵与UAV轨迹的优化问题，并采用丁克尔巴赫法将优化问题由分数优化转化参数优化同时引入松弛变量简化该优化问题；比较地面终端通过固定式RIS进行任务卸载与通过UAV搭载RIS进行任务卸载的卸载速率，求解卸载决策；采用半正定松弛法并引入罚函数求解固定式RIS与UAV搭载RIS的波束成形矩阵、求解时隙分配、采用连续松弛求解UAV轨迹；通过块坐标下降法不断迭代卸载决策、固定式RIS与UAV搭载RIS波束成形矩阵、时隙分配、UAV轨迹直至获得最优解及系统能效的最大值。2.如权利要求1所述的混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述配置系统参数具体包括：地面终端集合特征在于：所述配置系统参数具体包括：地面终端集合地面终端k的水平坐标z
k
＝[x
k
，y
k
]
T
，用户k的发射功率P
k
，混合接入点水平坐标z
A
＝[x
a
，y
a
]
T
，固定式RIS的水平坐标z
R
＝[x
r
，y
r
]
T
，固定式RIS的高度H
r
，UAV水平瞬时坐标q[n]＝[x[n]，y[n]]
T
，UAV高度H
u
，UAV起点位置q0，UAV终点位置q
F
，UAV速度上限V
max
，固定式RIS卸载信道带宽B
FRIS
，UAV搭载RIS卸载信道带宽B
URIS
，固定式RIS第n帧波束成形矩阵，固定式RIS第n帧波束成形矩阵UAV搭载RIS第n帧波束成形矩阵UAV搭载RIS第n帧波束成形矩阵UAV飞行总时长T，时间帧时间帧集合地面终端k第n帧卸载任务量下限L
k，min
[n]，地面终端k与混合接入点之间的信道增益其中β1为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
GA，k
为地面终端k与混合接入点之间的距离，服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布；地面终端k与固定式RIS之间的信道增益端k与固定式RIS之间的信道增益其中β2为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
GR，k
为地面终端k与固定式RIS之间的距离，R
GR
为该信道的莱斯系数，表示地面终端k与固定式RIS之间视距链路增益，λ为载波波长，M为RIS上反射元件的数量，φ
GR，k
为地面终端k与RIS间到达角的余弦，即服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布；固定式RIS与混合接入点之间的信道增益为固定式RIS与混合接入点之间的信道增益为其中β3为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
RA
为固定式RIS与混合接入点之间的距离，R
RA
为该信道的莱斯系数，为该信道的莱斯系数，表示固定式RIS与
混合接入点之间视距链路增益，φ
RA
为固定式RIS与混合接入点间到达角的余弦，即服从均值为0方差为1的圆对称复高斯分布；地面终端k与UAV搭载RIS之间的信道增益为其中β4为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
GU，k
[n]为时隙n内地面终端k与UAV搭载RIS之间的距离，φ
GU，k
[n]为时隙n内地面终端与UAV搭载RIS间到达角的余弦，即UAV搭载RIS与混合接入点之间的信道增益UAV搭载RIS与混合接入点之间的信道增益其中β5为参考距离为1米时此信道的信道功率增益，d
UA
[n]为时隙n内UAV搭载RIS与混合接入点之间的距离，φ
UA
[n]为时隙n内UAV搭载RIS与混合接入点间到达角的余弦，即3.如权利要求2所述的混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述定义卸载决策具体包括以下步骤，定义地面终端k在第n帧的卸载决策为α
k
[n]，α
k
[n]∈{0，1}，若α
k
[n]＝1，指示地面终端k在第n帧通过固定式RIS进行任务卸载，若α
k
[n]＝0，指示地面终端k在第n帧通过固UAV搭载RIS进行任务卸载。4.如权利要求3所述的混合式RIS辅助UAV移动边缘计算系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述确定地面终端总卸载任务量与系统总能耗包括，第k个地面终端第n帧通过固定式RIS卸载任务的卸载速率表示为：地面终端k在第n帧通过固定式RIS卸载的任务量表示为：第k个地面终端第n帧通过UAV搭载RIS卸载任务的卸载速率表示为：地面终端k在第n帧通过UAV搭载RIS卸载的任务量表示为：地面终端k在第n帧的传输能耗表示为：UAV在第n帧的飞行能耗E
UAV
[n]表示为：
其中，P0，P1，U
tip
，d0，ρ，s，G，V0均为固定值机械参数，P0表示悬停状态下UAV的恒定叶形功率，P1表示悬停状态下UAV的感应功...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩琦，余雪勇，宋家宁，黄子誉，韩璐，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：