一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法及装置

1.本发明涉及通信技术领域，特别是指一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法及装置。


背景技术：

2.我国的深部煤地层是复杂多样的，采矿扰动严重，地下危险源多，这包括煤和瓦斯爆炸、岩浆，洪水和其他灾害。为了协调复杂开采环境与安全高效开采之间的矛盾，选择有效的开采方法是十分重要的。煤矿六大生产系统：采煤、掘进、机电、运输、通风，地测防治水，这都需要相应和过硬的技术。
3.随着采矿技术的发展，目前我国正朝着开采技术多样化、深井技术不断强化、采矿技术智能化发展、采矿技术生态化，但各种事故还是时有发生，需要更加先进的技术，来保障人民的生命财产安全和国家的财产安全。
4.新兴和未来的无线网络(第5代(5g)及以上)对数据速率的高要求，引起了人们对其能源消耗的严重担忧。预计到2020年，这些网络将通过密集部署的多天线基站和接入点连接超过500亿的无线设备。因此，每焦耳比特能源效率(ee)已成为性能指标的关键，以确保绿色和可持续的无线网络，并提出了几个节能无线解决方案。最近在“a survey of energy-efficient techniques for 5g networks and challenges ahead”上发表了一项关于实施节能5g无线网络的不同方法的调查。在这篇文章中，作者得出的结论是，只有联合使用多种方法才能克服能源挑战，包括可再生能源的使用，节能硬件组件和相关部署技术，以及绿色资源分配和收发信号处理算法。在“energy efficiency in wireless networks via fractional programming theory”中详细讨论了无线网络中ee最大化的无线电资源分配问题，并讨论了相关的数学工具。在“scaling up mimo:opportunities and challenges with very large arrays”、“massive mimo in real propagation environments:do all antennas contribute equally？”、“massive mimo systems with non-ideal hardware:energy efficiency,estima tion,and capacity limits”以及“beyond massive mimo:the potential of data transmission with large intelligent surfaces”中，确定了部署大量天线可以带来实质性的节能效益。
5.在用于绿色通信的候选收发器方法中，最近出现了一种具有显著降低能耗的潜力的新兴硬件技术，即ris(reconfigurable intelligent surface，可重构智能表面)。ris是一种配备了集成电子电路的超表面，可以通过编程以可定制的方式改变入射电磁场。它由多层的平面结构组成，每个ris单元由反射阵列实现，反射阵列采用变容二极管或其他微电子机械系统，其谐振频率由电子控制。ris单元对入射场的操作可以分布在连续的或离散的超表面上。
6.无论具体的实现，从能源消耗的角度来看，ris技术吸引人的地方在于，它可以在不使用任何功率放大器的情况下放大和转发传入信号，它是通过适当地设计每个反射元件所应用的相移，以极好的组合每个反射信号。显然，由于不使用放大器，ris消耗的能量要比
普通的中继收发器少得多。此外，ris结构可以很容易地集成到通信环境中，因为它们非常低的硬件占用率，允许它们很容易地部署到建筑立面、房间和工厂天花板、笔记本电脑机箱，甚至集成到人的衣服。综合上述ris的优点，未来将ris用于煤矿安全监测中将能起到至关重要的作用。
7.在先进多媒体应用快速发展的驱动下，下一代无线网络必须支持高频谱效率和大规模连接。在通信感知一体化的研究中，大部分工作都集中在时间资源分配问题上，由于数据速率的高需求和用户数量的庞大，能源消耗成为未来无线网络设计中具有挑战性的问题。
8.因此能源效率已成为部署绿色和可持续无线网络的重要性能指标。通过优化通信时间和感知时间分配策略，实现高频谱效率和通信速率。现有技术中主要存在以下两个问题：其一为ris的信道估计和网络部署；其二为如何联合优化ris相移矩阵和发射功率，使得系统能量效率最高。


技术实现要素：

9.针对现有技术中ris的信道估计和网络部署、以及如何联合优化ris相移矩阵和发射功率，使得系统能量效率最高的问题，本发明提出了一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法及装置。
10.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
11.一方面，提供了一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法，包括：
12.s1：通过在煤矿通信感知网络的隧道中设置带开关的多跳可重构智能表面ris，进行通信感知；
13.s2：确定初始目标函数，根据初始目标函数，分别对通信感知过程中的功率、相位以及开关进行优化；
14.s3：当基站感知到危险因素时，所述带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化。
15.可选地，步骤s1中，通过在煤矿通信感知网络的隧道中设置带开关的多跳ris，进行通信感知，包括：
16.s11：通过基站按照预设的感知次数依次感知至少两个预设感知区域，得到感知数据；
17.s12：通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，经过数据中心分析后，所述数据中心与所述基站进行信息传输；
18.s13：基站获得不同安全等级的各个区域的感知次数下界；按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知。
19.可选地，步骤s12中，通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，包括：
20.设定带开关的多跳ris有l条路径；通过二进制向量x
l
∈{0,1}表示第l条路径上所有ris的开关状态，当x
l
＝0时表示开关关闭，x
l
＝1时开关打开；则有l条路径向数据中心发送感知数据。
21.可选地，步骤s13中，数据中心向基站发送控制信号，包括：
22.根据下述公式(1)得到数据中心发送给基站的控制信号：
[0023][0024]
其中，w表示数据中心发出的信号，w∈c1；c1表示1
×
1的矩阵；g表示从数据中心到基站的直达增益，g∈cm×1，cm×1表示m
×
1的矩阵，gh表示g的共轭转置；d表示数据中心到第一个ris的信道增益，d∈cn×1，cn×1表示n
×
1的矩阵；r
li
表示第l条传播路径上第i个ris的信道增益，r
li
∈cn×n，且r
li
为对角矩阵，cn×n表示n
×
n的矩阵；θ
li
表示第l条路径上第i个ris上的相移矩阵，θ
l
表示第l条路径上最后一个ris的相移矩阵，diag()表示对角矩阵，且|θ2|＝1；g
l
表示从第l条路径上的最后一个ris到基站的信道增益，g
l
∈cn×m；g
l
∈cn×m，cn×m表示n
×
m的矩阵；n为期望为0、方差为σ2的高斯白噪声。
[0025]
可选地，步骤s2中，确定初始目标函数包括：
[0026]
根据下述公式(2)确定初始目标函数为：
[0027][0028]
其中，s.t.表示约束条件；0≤p≤p
max
；x
l
∈{0,1}；b为信道带宽；u＝v-1
,v为数据中心的功放效率，pb是基站的电路功耗；p
max
为数据中心的最大发射功率，r为数据传输的最小速率要求；n表示每个ris上反射元素的个数，k
l
表示第l条传播路径上有k
l
个ris；pr为ris上各元素的功耗，nx
lkl
pr为第l条路径上的ris总功耗。
[0029]
可选地，步骤s2中，根据初始目标函数，分别对通信感知过程中的功率、相位以及开关进行优化，包括：
[0030]
s21：通过初始目标函数对相位以及功率进行联合优化，得到最优相位以及最优功率；
[0031]
s22：将最优相位以及最优功率带入所述初始目标函数中，对开关进行优化。
[0032]
可选地，步骤s21中，对相位以及功率进行联合优化，得到最优相位以及最优功率，包括：
[0033]
s211：固定开关x
l
以及功率p不变，根据所述初始目标函数得到优化相位的目标函数(3)：
[0034][0035]
通过连续凸近似的方法，求出所有ris相移矩阵的最优解，得到最优相位；
[0036]
s212：将得到的所述最优相位代入优化相位的目标函数(3)中，并令则得到优化功率的目标函数(4)：
[0037][0038]
其中p
min
用于表示最低功率；
[0039]
通过二阶求导以及超越函数反函数的方法解出所有传输功率的最优解，得到最优功率。
[0040]
可选地，步骤s22中，将最优相位以及最优功率带入目标函数中，对开关进行优化，包括：
[0041]
将最优相位以及最优功率带入到初始目标函数中，得到优化开关的目标函数(5)：
[0042][0043]
通过坐标下降法以及迭代求解的方法求解出最优开关状态序列，完成对开关的优化。
[0044]
可选地，步骤s3中，当基站感知到危险因素时，所述带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化，包括：
[0045]
当基站感知区域内感知到危险因素时，则不考虑功率的代价，只对传输速率进行优化，打开所有的ris开关，基站通过第条路径向数据中心传递消息的时间，实现最大速率传输；此时优化传输速率的目标函数为：
[0046][0047]
s.t.(3)(6-1)
[0048]
当未感知到危险因素时，则对功率和传输速率进行联合优化，实现最大效率传输。
[0049]
一方面，提供了一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化装置，包括：
[0050]
通信感知模块，用于通过在煤矿通信感知网络的隧道中设置带开关的多跳ris，进行通信感知；
[0051]
优化模块，用于分别对通信感知过程中的功率、相位以及开关进行优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化；
[0052]
传输速率优化模块，用于当基站感知到危险因素时，带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化。
[0053]
本发明实施例的上述技术方案至少具有如下有益效果：
[0054]
上述方案中，本发明与传统的煤矿场景相比，加ris的煤矿场景的能量效率将显著得到提高。引入ris后，通过调整ris的相移矩阵，可以在信道中动态调控电磁波的相位，实现ris端的波束成形。如此一来，相当于间接扩大了通信范围，信号能够覆盖更大的区域。优化相移矩阵后，可以在信号反射方向上实现最高增益，实现通信范围的最大化。在根据各链路的具体情况判断出发生故障的具体位置。由于通信链路较多，在修复故障时，可以选择其他链路进行信息传输，从而保障通信系统能持续工作。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0056]
图1是本发明实施例提供的一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法的流程图；
[0057]
图2是本发明实施例提供的一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法的流程图；
[0058]
图3是本发明实施例提供的一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法方法的联合传感与通信设计结构图；
[0059]
图4是本发明实施例提供的一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法的装置框图。
具体实施方式
[0060]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具
体实施例进行详细描述。
[0061]
如图1所示，本发明实施例提供了一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法，包括：
[0062]
s101：通过在煤矿通信感知网络的隧道中设置带开关的多跳可重构智能表面ris，进行通信感知；
[0063]
s102：确定初始目标函数，根据初始目标函数，分别对通信感知过程中的功率、相位以及开关进行优化；
[0064]
s103：当基站感知到危险因素时，所述带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化。
[0065]
可选地，步骤s101中，通过在煤矿通信感知网络的隧道中设置带开关的多跳ris，进行通信感知，包括：
[0066]
s111：通过基站根据各区域预设的感知次数依次感知各区域；
[0067]
s112：通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，经过数据中心分析后得到控制信号；
[0068]
s113：通过数据中心向基站发送控制信号，调整各区域的感知次数。
[0069]
可选地，步骤s112中，通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，包括：
[0070]
设定带开关的多跳ris有l条路径；通过二进制向量x
l
∈{0,1}表示第l条路径上所有ris的开关状态，当x
l
＝0时表示开关关闭，x
l
＝1时开关打开；则有l条路径向数据中心发送感知数据。
[0071]
可选地，步骤s113中，数据中心向基站发送控制信号，包括：
[0072]
根据下述公式(1)得到数据中心发送给基站的控制信号：
[0073][0074]
其中，w表示数据中心发出的信号，w∈c1；c1表示1
×
1的矩阵；g表示从数据中心到基站的直达增益，g∈cm×1，cm×1表示m
×
1的矩阵，gh表示g的共轭转置；d表示数据中心到第一个ris的信道增益，d∈cn×1，cn×1表示n
×
1的矩阵；r
li
表示第l条传播路径上第i个ris的信道增益，r
li
∈cn×n，且r
li
为对角矩阵，cn×n表示n
×
n的矩阵；θ
li
表示第l条路径上第i个ris上的相移矩阵，θ
l
表示第l条路径上最后一个ris的相移矩阵，diag()表示对角矩阵，且θ2＝1；g
l
表示从第l条路径上的最后一个ris到基站的信道增益，g
l
∈cn×m；g
l
∈cn×m，cn×m表示n
×
m的矩阵；n为期望为0、方差为σ2的高斯白噪声。
[0075]
可选地，步骤s102中，确定初始目标函数包括：
[0076]
根据下述公式(2)确定初始目标函数为：
[0077][0078]
其中，0≤p≤p
max
；x
l
∈{0,1}；b为信道带宽；u＝v-1
,v为数据中心的功放效率，pb是基站的电路功耗；p
max
为数据中心的最大发射功率，r为数据传输的最小速率要求；pr为ris上各元素的功耗，nx
lkl
pr为第l条路径上的ris总功耗。
[0079]
可选地，步骤s102中，根据初始目标函数，分别对通信感知过程中的功率、相位以及开关进行优化，包括：
[0080]
s121：通过初始目标函数对相位以及功率进行联合优化，得到最优相位以及最优功率；
[0081]
s122：将最优相位以及最优功率带入所述初始目标函数中，对开关进行优化。
[0082]
可选地，步骤s121中，对相位以及功率进行联合优化，得到最优相位以及最优功率，包括：
[0083]
s1211：固定开关x
l
以及功率p不变，根据所述初始目标函数得到优化相位的目标函数(3)：
[0084][0085]
通过连续凸近似的方法，求出所有ris相移矩阵的最优解，得到最优相位；
[0086]
s1212：将得到的所述最优相位代入优化相位的目标函数(3)中，并令则得到优化功率的目标函数(4)：
[0087]
[0088]
其中p
min
用于表示最低功率；
[0089]
通过二阶求导以及超越函数反函数的方法解出所有传输功率的最优解，得到最优功率。
[0090]
可选地，步骤s122中，将最优相位以及最优功率带入目标函数中，对开关进行优化，包括：
[0091]
将最优相位以及最优功率带入到初始目标函数中，得到优化开关的目标函数(5)：
[0092][0093]
通过坐标下降法以及迭代求解的方法求解出最优开关状态序列，完成对开关的优化。
[0094]
可选地，步骤s103中，当基站感知区域内感知到危险因素时，不考虑功率的代价，只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；未感知到危险因素时，则对功率和传输速率进行联合优化，实现最大效率传输，包括：
[0095]
当基站感知到危险因素时，所述带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化
[0096][0097]
s.t.(3)(6-1)
[0098]
当未感知到危险因素时，则对功率和传输速率进行联合优化，实现最大效率传输。
[0099]
一种可行的实施方式中，本发明的实施例与传统的煤矿场景相比，加ris的煤矿场景的能量效率将显著得到提高。引入ris后，通过调整ris的相移矩阵，可以在信道中动态调控电磁波的相位，实现ris端的波束成形。如此一来，相当于间接扩大了通信范围，信号能够覆盖更大的区域。优化相移矩阵后，可以在信号反射方向上实现最高增益，实现通信范围的最大化。在根据各链路的具体情况判断出发生故障的具体位置。由于通信链路较多，在修复故障时，可以选择其他链路进行信息传输，从而保障通信系统能持续工作。
[0100]
如图2所示，本发明实施例提供了一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化方法，包括：
[0101]
s201：通过基站按照预设的感知次数依次感知至少两个预设感知区域，得到感知
数据；
[0102]
s202：通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，经过数据中心分析后，所述数据中心与所述基站进行信息传输；
[0103]
s203：基站获得不同安全等级的各个区域的感知次数下界；按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知。
[0104]
一种可行的实施方式中，如图3所示，在煤矿通信和无线电感知网络中，基站依据每个区域的感知次数依次感知多个区域，然后通过智能反射面向数据中心发送感知数据。在数据中心分析之后，向基站发送控制信号调整各个区域的感知次数。考虑ris由于控制反射元件相移而消耗的功耗，通常打开所有的ris并不具有能量效率，为了提高能量效率，本发明的实施例中，在隧道中采用带开关的多跳ris进行通信感知。与传统的煤矿场景的通信系统相比，本发明采用的带开关的多跳ris，呢个够极大提高能量效率，且能够增大传输范围。
[0105]
优选地，步骤s202中，通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，包括：
[0106]
设定带开关的多跳ris有l条路径；通过二进制向量x
l
∈{0,1}表示第l条路径上所有ris的开关状态，当x
l
＝0时表示开关关闭，x
l
＝1时开关打开；则有l条路径向数据中心发送感知数据。
[0107]
一种可行的实施方式中，数据中心和基站之间的信息传递是双向的，本发明以数据中心向基站发送信号为例进行联合优化。首先假设信道衰落的频率是平坦的，对于符号x
*
、x
t
、xh分别表示向量的共轭、转置、共轭转置。设数据中心的天线数为1根，基站的天线个数为m根，且信号可以由多条路径传输，设第l条传播路径中的有k
l
个ris，每个ris上有n个反射元素，考虑到ris由于控制反射元件的相移会产生功耗，所以打开所有的ris会产生不必要的损耗，因此引入一个二进制向量x
l
∈{0,1}，表示第l条路径上所有ris的开关状态，当时x
l
＝0时表示开关关闭，x
l
＝1时开关打开。
[0108]
优选地，步骤s203中，数据中心向基站发送控制信号，包括：
[0109]
根据下述公式(1)得到数据中心发送给基站的控制信号：
[0110][0111]
其中，w表示数据中心发出的信号，w∈c1；c1表示1
×
1的矩阵；g表示从数据中心到基站的直达增益，g∈cm×1，cm×1表示m
×
1的矩阵，gh表示g的共轭转置；d表示数据中心到第一个ris的信道增益，d∈cn×1，cn×1表示n
×
1的矩阵；r
li
表示第l条传播路径上第i个ris的信道增益，r
li
∈cn×n，且r
li
为对角矩阵，cn×n表示n
×
n的矩阵；θ
li
表示第l条路径上第i个ris上的相移矩阵，θ
l
表示第l条路径上最后一个ris的相移矩阵，diag()表示对角矩阵，且θ2＝1；g
l
表示从第l条路径上的最后一个ris到基站的信道增益，g
l
∈cn×m；g
l
∈cn×m，cn×m表示n
×
m的矩阵；n为期望为0、方差为σ2的高斯白噪声。
[0112]
一种可行的实施方式中，根据(1)可得到基站处的信噪比为：
[0113][0114]
系统的总功率包括数据中心的发射功率、基站的电路功耗以及所有ris的功耗，因此系统的总功率可以表示为：
[0115][0116]
其中，p是数据中心的发射功率，且我们知道p＝|w|2，u＝v-1
,v是数据中心的功放效率，pb是基站的电路功耗，pr是ris上各元素的功耗，nx
lkl
pr是一条路径上的ris的总功耗。
[0117]
优选地，s204：确定初始目标函数，包括：
[0118]
根据下述公式(2)确定初始目标函数为：
[0119][0120]
其中，s.t.表示约束条件；0≤p≤p
max
；x
l
∈{0,1}；b为信道带宽；u＝v-1
,v为数据中心的功放效率，pb是基站的电路功耗；p
max
为数据中心的最大发射功率，r为数据传输的最小速率要求；n表示每个ris上反射元素的个数，k
l
表示第l条传播路径上有k
l
个ris；pr为ris上各元素的功耗，nx
lkl
pr为第l条路径上的ris总功耗。
[0121]
一种可行的实施方式中，确定初始目标函数的目的是在最小速率的要求和总功率的约束下实现能量效率最大化，由于初始目标函数的算法复杂度比较高，很难得到全局最优解，因此需要运用一种迭代的方法来降低算法复杂度，从而得到最优解。
[0122]
s205：通过初始目标函数对相位以及功率进行联合优化，得到最优相位以及最优功率。
[0123]
一种可行的实施方式中，对相位进行优化，包括：
[0124]
固定开关x
l
以及功率p不变，根据所述初始目标函数得到优化相位的目标函数(3)：
[0125][0126]
通过连续凸近似的方法，求出所有ris相移矩阵的最优解，得到最优相位；
[0127]
将得到的所述最优相位代入优化相位的目标函数(3)中，并令则得到优化功率的目标函数(4)：
[0128][0129]
其中p
min
用于表示最低功率；
[0130]
通过二阶求导以及超越函数反函数的方法解出所有传输功率的最优解，得到最优功率。
[0131]
一种可行的实施方式中，根据优化相位的目标函数(3)可知，对于功率p的优化因为优化相位的目标函数(3)的分子分母上均含有p，所以可以先对θ进行优化。若使目标函数最大，则需要使最大，从而找到最优θ。
[0132]
优化相位的目标函数(3)可以改写为：
[0133][0134]
我们知道对于l条路径上的ris，每个ris上都会有一个相移矩阵θ，为了降低算法复杂度，可以采用交替算法以此算出每个ris上的最优相移矩阵θ，即当求第一个ris上的最优相移矩阵时，固定其他ris上的相移矩阵的值，以此类推求出所有相移矩阵的最优值。
[0135]
例如，拿第一个矩阵为例，其优化相位的目标函数(3-1)可以改写为：
[0136][0137]
由于dh∈c1×n，r,θ均为对角矩阵，所以其
中s
l
∈cn×m，根据上述推导，可以将优化相位的目标函数(3-2)表示为：
[0138][0139]
对于所有路径上的第一个ris上的元素总数为令s＝[x1s1；...；x
lsl
]∈c
ω
×m。可以将优化相位的目标函数(3-3)表示为：
[0140][0141]
由于优化相位的目标函数(4-4)为一个非凸函数，因此为了方便求最优解，在这里用连续凸近似的方法将其转变为一个凸函数。则优化相位的目标函数(3-4)可以写为凸函数(3-5)：
[0142]
2r((g shφ
(n-1)
)hshφ)-|g shφ
(n-1)
|2ꢀꢀꢀ
(3-5)
[0143]
其中，凸函数(3-5)中的(n-1)表示第(n-1)次迭代的值，根据逐次凸逼近方法转变的凸函数(3-5)，可以将优化相位的目标函数(3-4)转化为：
[0144][0145]
其最优解可以表示为：
[0146][0147]
为了使优化相位的目标函数(3-6)最大化，需要选择最优的v使得2r((g shφ
(n-1)
)hshφ)最大。又因为公式(3-6)需要取实部进行操作，所以v为实数的时候目标函数最大，因此，(g shφ
(n-1)
)hsh和φ的相角应为相反数。所以依照上述方法，求出所有ris相移矩阵的最优解，得到最优相位。
[0148]
一种可行的实施方式中，对功率的优化包括：
[0149]
将上述求得的最优θ带入公式(3)中，并令则公式(3)可以简化为下述公式(4)：
[0150][0151]
s.t.p
min
≤p≤p
max
ꢀꢀꢀ
(4-1)
[0152]
其中在公式(4-1)中，p
min
被用来保证最低功率要求。
[0153]
对于公式(5)，可以通过求导的方式解出其最优解，即优化功率的目标函数(5-2)：
[0154][0155]
为了表示优化功率的目标函数(6)的变化趋势，进一步令：
[0156][0157]
函数f(p)的一阶导数为：
[0158][0159]
这表明f(p)是一个单调递减函数。由于且所以一定存在一个使得可以求得：
[0160][0161]
其中，w(
·
)是lambert-w函数，函数公式(4-5)在上递增，在上递减。
[0162]
若介于[p
min
,p
max
]之间，此时最优传输功率可以表示为：
[0163][0164]
其中
[0165]
若介于(0,p
min
)之间，此时最优传输功率应为p
min
；若介于(p
max
, ∞)之间，此时最优传输功率应为p
max
。
[0166]
一种可行的实施方式中，对于相位功率的联合优化，本发明提出了一种交替算法，对两个子问题进行求解，首先采用逐次凸逼近的方法(sca)求解相位优化的子问题，在根据求二阶导数以及超越函数反函数的方法求解功率优化的子问题。
[0167]
优选地，s206：将最优相位以及最优功率带入目标函数中，对开关进行优化。
[0168]
包括：
[0169]
将最优相位以及最优功率带入到初始目标函数中，得到优化开关的目标函数(5)：
[0170]
[0171]
通过坐标下降法以及迭代求解的方法求解出最优开关状态序列，完成对开关的优化。
[0172]
一种可行的实施方式中，对于ris开关的优化，先将优化好的φ、p带入到目标函数(3)中，得到优化开关的目标函数(5)：
[0173][0174][0175]
x
l
∈{0,1}
ꢀꢀꢀ
(5-2)
[0176]
由于目标函数为离散的非凸问题，且x
l
只取0或1，因此可以看做整数规划问题。利用坐标下降法解决问题：首先设置初始序列全0，a
x(n)
＝{0,0,0,...,0}，然后依次改变开关的状态到1，将得到的l个序列带入公式(5)中找到局部最优解，选取最优序列，继续进行迭代，将第二次迭代中得到的(l-1)个序列带入公式(5)中，找到第二个局部最优解，依次类推，求出最终最优开关状态序列。
[0177]
一种可行的实施方式中，对于开关x
l
的优化：采用坐标下降法以及迭代求解的方法求解出最优开关状态序列，完成对开关的优化，有效的避免了不必要的能量消耗。
[0178]
s207：当基站感知到危险因素时，所述带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化，包括：
[0179]
当基站感知到感知区域中存在危险因素时，则不考虑功率的代价，只对传输速率进行优化，打开所有的ris开关，基站通过第条路径向数据中心传递消息的时间，实现最大速率传输；此时优化传输速率的目标函数为：
[0180][0181]
s.t.(3)(6-1)
[0182]
一种可行的实施方式中，由于本发明是煤矿场景，因此消息需要保证实时性，当基站感知到感知区域中存在危险因素时，需要更快速的将信息传递给数据中心以及用户，因此需要更快的传输速率。为了保证传输速率更快且不考虑功率的代价则需要打开所有的
ris开关，基站通过第l条路径向数据中心传递消息的时间,为了保证更快的传输速率，此时目标函数可以写为：
[0183][0184]
s.t.(3)
ꢀꢀꢀ
(6-1)
[0185]
当未感知到危险因素时，则对功率和传输速率进行联合优化，实现最大效率传输。
[0186]
这里的相位θ和功率p的优化同样使用连续凸近似和求二阶导的方法找最优解。
[0187]
如图4所示，是根据一示例性实施例示出的一种煤矿安全监测场景的传感与通信优化装置框图。该装置300包括
[0188]
通信感知模块301，用于通过在煤矿通信感知网络的隧道中设置带开关的多跳可重构智能表面ris，进行通信感知；
[0189]
优化模块302，用于确定初始目标函数，根据初始目标函数，分别对通信感知过程中的功率、相位以及开关进行优化；
[0190]
传输速率优化模块303，用于当基站感知到危险因素时，所述带开关的多跳可重构智能表面ris将只对传输速率进行优化，实现最大速率传输；当基站未感知到危险因素时，则对功率及速率进行联合优化，完成对煤矿安全监测场景的传感与通信的优化。
[0191]
优选地，通信感知模块301，用于通过基站按照预设的感知次数依次感知至少两个预设感知区域，得到感知数据；通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，经过数据中心分析后，所述数据中心与所述基站进行信息传输；基站获得不同安全等级的各个区域的感知次数下界；按照更新的感知次数对至少两个感知区域依次感知。
[0192]
优选地，通过带开关的多跳ris向数据中心发送感知数据，包括：
[0193]
设定带开关的多跳ris有l条路径；通过二进制向量x
l
∈{0,1}表示第l条路径上所有ris的开关状态，当x
l
＝0时表示开关关闭，x
l
＝1时开关打开；则有l条路径向数据中心发送感知数据。
[0194]
优选地，数据中心向基站发送控制信号，包括：
[0195]
根据下述公式(1)得到数据中心发送给基站的控制信号：
[0196][0197]
其中，w表示数据中心发出的信号，w∈c1；g表示从数据中心到基站的直达增益，g∈cm×1；d表示数据中心到第一个ris的信道增益，d∈cn×1；r
li
表示第l条传播路径上第i个ris的信道增益，r
li
∈cn×n，且r
li
为对角矩阵；θ
li
表示第l条路径上第i个ris上的相移矩阵，θ
l
表示第l条路径上最后一个ris的相移矩阵，且|θ|2＝1；g
l
表示从第l条路径上的最后一个ris到基站的信道增益，g
l
∈cn×m；n为期望为0、方差为σ2的高斯白噪声。
[0198]
优选地，确定初始目标函数包括：
[0199]
根据下述公式(2)确定初始目标函数为：
[0200][0201]
其中，s.t.表示约束条件；0≤p≤p
max
；x
l
∈{0,1}；b为信道带宽；u＝v-1
,v为数据中心的功放效率，pb是基站的电路功耗；p
max
为数据中心的最大发射功率，r为数据传输的最小速率要求；n表示每个ris上反射元素的个数，k
l
表示第l条传播路径上有k
l
个ris；pr为ris上各元素的功耗，nx
lkl
pr为第l条路径上的ris总功耗。
[0202]
优选地，优化模块302，用于通过初始目标函数对相位以及功率进行联合优化，得到最优相位以及最优功率；将最优相位以及最优功率带入所述初始目标函数中，对开关进行优化。
[0203]
优选地，优化模块302还用于，固定开关x
l
以及功率p不变，根据所述初始目标函数得到优化相位的目标函数(3)：
[0204][0205]
通过连续凸近似的方法，求出所有ris相移矩阵的最优解，得到最优相位；
[0206]
将得到的所述最优相位代入优化相位的目标函数(3)中，并令则得到优化功率的目标函数(4)：
[0207][0208]
其中p
min
用于表示最低功率；
[0209]
通过二阶求导以及超越函数反函数的方法解出所有传输功率的最优解，得到最优
功率。
[0210]
优选地，将最优相位以及最优功率带入目标函数中，对开关进行优化，包括：
[0211]
将最优相位以及最优功率带入到初始目标函数中，得到优化开关的目标函数(5)：
[0212][0213]
通过坐标下降法以及迭代求解的方法求解出最优开关状态序列，完成对开关的优化。
[0214]
优选地，传输速率优化模块303，还用于当基站感知区域内感知到危险因素时，则不考虑功率的代价，只对传输速率进行优化，打开所有的ris开关，基站通过第l条路径向数据中心传递消息的时间，实现最大速率传输；此时优化传输速率的目标函数为：
[0215][0216]
s.t.(3)(6-1)
[0217]
当未感知到危险因素时，则对功率和传输速率进行联合优化，实现最大效率传输。
[0218]
本发明实施例中，在煤矿场景中，由于有很大的墙体阻碍，由数据中心以及基站之间的信息传递有很大的阻碍，会损耗大量的能量，而ris能消除障碍物对传递信号的影响，从而减少不必要的能量损耗。与经过障碍物阻挡的电磁波相比，在空气中电磁波的传播速度更快，使用ris避免电磁波通过障碍物来能减少信号传播的时间，在一定程度上也保证了感知的时效性。综上所述，与传统的煤矿场景相比，加ris的煤矿场景的能量效率将显著得到提高。本发明在引入ris后，通过调整ris的相移矩阵，可以在信道中动态调控电磁波的相位，实现ris端的波束成形。如此一来，相当于间接扩大了通信范围，信号能够覆盖更大的区域。优化相移矩阵后，可以在信号反射方向上实现最高增益，实现通信范围的最大化。若发生意外情况，例如矿难或某个链路上的ris损坏，则数据中心通过所有链路向基站发送指令，命令基站将不同的数据信息通过所有链路传递给数据中心，若数据中心没有接收到消息，则分析此消息的通道来源，说明该通道发生故障，反之，通道设施正常。在根据各链路的具体情况判断出发生故障的具体位置。由于通信链路较多，在修复故障时，可以选择其他链路进行信息传输，从而保障通信系统能持续工作。
[0219]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0220]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。