一种混合场景下通感一体化低功耗方法

本发明涉及无线通信，具体为一种混合场景下通感一体化低功耗方法。

背景技术：

1、未来的6g网络，物联网设备对于通信和感知能力的需求不断增加。诸如增强现实、智慧城市、数字孪生、智能工厂和自动驾驶等创新应用正呈现蓬勃发展的态势。这些应用依赖于无线信号进行数据传输和环境感知，因此对于更加高效的通信和能量传输技术的需求日益迫切。然而，传统的通信系统存在能源消耗大、资源利用率低的问题，尤其是随着用户数量的增加，通信系统对于能量的需求愈发突出。

2、与此同时，对于不同厂家生产可进行能量收集的设备，实际场景中往往同时存在着能量分割协议和功率分割协议的能量收集用户，通信用户不仅需要进行数据传输，还需要进行环境感知。因此，如何在这种复杂的混合场景下，实现低功耗的通感一体化方法成为当前研究的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种混合场景下通感一体化低功耗方法，以解决上述背景技术中提出的问题，

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种混合场景下通感一体化低功耗方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：构建初始优化问题，以最小化混合场景下通感一体化系统的功耗为目标，且以通信最小速率需求、不同设备能量收集最小需求、不同目标方向上感知功率的差值，以及用户能量收集的功率分割因子和时间分割因子为约束，优化基站发射波束wk、vm和用于能量收集的功率分割因子βk和时间分割因子tm；其中wk是基站对第k个功率分割能量收集协议用户的波束成形向量，其中vm是基站对第m个时间分割能量收集协议用户的波束成形向量，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，k和m分别是混合场景下功率分割能量收集协议和时间分割能量收集协议用户总数。

5、步骤s2：引入辅助变量将初始优化问题等价转化为新的表述形式，其中，(·)h表示矩阵的共轭转置。

6、步骤s3：根据步骤s2中转换得到的问题，利用半定松弛技术，舍去关于矩阵和矩阵的秩约束。

7、步骤s4：由于固定tm时，步骤s3中问题为凸问题，采用一维搜索tm，求解问题的最优解。

8、步骤s5：将得到的最优解记为并进行cholesky分解，得到最优的发射波束和用户能量收集的相关因子，

9、进一步的，在所述步骤s1中，初始优化问题构建如下：

10、优化目标为：最小化

11、约束条件为：

12、

13、

14、|p(θp)-p(θq)|≤pdiff，

15、0＜βk＜1，0＜tm＜1，m＝1,2,…,m，k＝1,2,…,k

16、其中，||·||表示矢量的二范数，log2(·)表示以2为底的对数，|·|表示取模值，hk表示基站到第k个功率分割能量收集协议用户的信道向量，分别表示功率分割能量收集协议用户接收机的噪声功率和能量分割处的噪声功率，表示第k个功率分割能量收集协议用户的最小通信速率需求，gm表示基站到第m个时间分割能量收集协议用户的信道向量，分别表示时间分割能量收集协议用户接收机的噪声功率和能量分割处的噪声功率，表示第m个时间分割能量收集协议用户的最小通信速率需求，表示第k个功率分割能量收集协议用户的最小能量收集需求，表示第m个时间分割能量收集协议用户的最小能量收集需求，为非线性能量收集模型，其中，a，b为常数，pmax表示用户设备能最大收集的能量。表示在角度θ处的波束强度，a(θ)是基站天线阵列在θ感知方向的角度，a(θ)＝[1,ejπsinθ,…,ejπ(n-1)sinθ]，n表示基站发射天线数量，e为自然底数，j为虚数单位，l为雷达感知方向数目，pdiff表示不同感知方向波束强度差值约束。

17、进一步的，在所述步骤s2中，引入辅助变量，将初始优化问题等价转化为如下问题：

18、优化目标为：最小化

19、约束条件为：

20、

21、|p(θp)-p(θq)|≤pdiff，

22、0＜βk＜1，0＜tm＜1，m＝1,2,…,m，k＝1,2,…,k

23、wk±0，vm±0，m＝1,2,…,m，k＝1,2,…,k

24、rank(wk)＝1，rank(vm)＝1，m＝1,2,…,m，k＝1,2,…,k

25、其中，pin(·)为enlr(pin)的逆函数，tr(·)表示矩阵的迹，x±0表示x为半正定矩阵，rank(·)表示矩阵求秩。

26、进一步的，在所述步骤s3中，利用半定松弛技术，舍去秩约束，将优化问题转化为如下问题：

27、优化目标为：最小化

28、约束条件为：

29、

30、|p(θp)-p(θq)|≤pdiff，

31、0＜βk＜1，0＜tm＜1，m＝1,2,…,m，k＝1,2,…,k

32、wk±0，vm±0，m＝1,2,…,m，k＝1,2,…,k

33、进一步的，在所述步骤s4中，对时间分割因子tm进行一维搜索，在每次搜索过程中，固定tm，使用凸优化工具箱进行凸求解。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、本发明所述的一种混合场景下通感一体化低功耗方法，满足实际应用中，多厂家生产的设备能量收集协议不一致情况，通过这种创新的混合场景下通感一体化低功耗方法，有望为未来物联网设备的发展和普及做出重要贡献，推动物联网技术迈向新的高度。

技术特征：

1.一种混合场景下通感一体化低功耗方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种混合场景下通感一体化低功耗方法，其特征在于，在所述步骤s1中，初始优化问题构建如下：

3.根据权利要求2所述的一种混合场景下通感一体化低功耗方法，其特征在于，在所述步骤s2中，引入辅助变量，将初始优化问题等价转化为如下问题：

4.根据权利要求3所述的一种混合场景下通感一体化低功耗方法，其特征在于，在所述步骤s3中，利用半定松弛技术，舍去秩约束，将优化问题转化为如下问题：

5.根据权利要求1所述的一种混合场景下通感一体化低功耗方法，其特征在于，在所述步骤s4中，对时间分割因子tm进行一维搜索，在每次搜索过程中，固定tm，使用凸优化工具箱进行凸求解。

技术总结本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种混合场景下通感一体化低功耗方法，包括：构建初始优化问题，以最小化混合场景下通感一体化系统的功耗为目标，且以通信最小速率需求、不同设备能量收集最小需求、不同目标方向上感知功率的差值，以及用户能量收集的功率分割因子和时间分割因子为约束，利用半定松弛和一维搜索求解。本发明通过研究对混合通感一体化场景，提出一种能够有效平衡通信、感知和能量传输的方法，在保证系统低功耗的同时，提高通信系统的能源利用效率和资源利用率，有望为未来物联网设备的发展和普及做出重要贡献，推动物联网技术迈向新的高度。技术研发人员：陈晓敏,周成瑞,孙强,金丽,杨永杰受保护的技术使用者：南通大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6