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专利号: 2022106740610
申请人: 广州大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2026-01-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、建立基于混合NOMA传输的IRS辅助MEC系统,系统中包括K个单天线用户,一个智能反射面,一个单天线基站(BS)以及BS端的一台MEC服务器,性能有限的K个用户被分入不同的子信道,且两个用户共用一个子信道,同一子信道中的两用户采用混合NOMA的传输方式,在IRS的辅助下,所有用户在Tmax内同时将部分或者全部数据卸载到MEC服务器上运算;

S2、根据步骤S1中所采用的传输协议以及系统模型,列出时间Tmax内对应本地用户运算和卸载的数据量,以及相应总的能量消耗;

S3、能量效率定义为计算数据量与总能量的比值,为了能够最大化用户的能量效率,需要约束每个用户总的能量,用户最小计算数据量,系统的最大完成时间以及IRS的相移,联合优化本地运算频率,传输功率,不同阶段的传输时间和IRS相移;

S4、步骤S3中描述的问题为非凸的分式问题,且变量之间存在耦合关系,根据广义分式规划理论的Dinkelbach迭代算法,将分式规划问题转换成易于求解的形式,并将转换后的问题分解成两个等价的子问题,即最大化用户信道增益和最大化用户的能量效率;

S5、针对S4中描述的两个子问题,首先分析推倒出IRS的优化相移的闭式解,获得最大的用户信道增益,在此基础上,引入辅助变量进行问题转换,并结合SCA方法将非凸问题转换成凸问题,获得能量效率的优化解。

2.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,所述步骤S1中,同一子信道的两用户的集合为K={m1,m2},假设IRS有N个反射超表面,每个超表面由V个相同反射系数的相邻单元组成,且IRS为无源的,振幅为1,相移为离散的,对于任意用户k的而言,其中k∈K,有user k‑BS,user k‑IRS,IRS‑BS的信道增益分别为Hhd,k,hr,k和G,其中 和 则复合信道增益为gk=G Φhr,k+hd,k,其中 为IRS对角反射矩阵,且有 L表示IRS离散相移的等级数,而对于反射面Δβ=2π/L,有θn∈F={0,Δβ,...,(L‑1)Δβ},n={1,2,···N},之后描述中,将集中在一个子信道中的设计,这样的设计同样适用于其他子信道。

3.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,所述步骤S1中,假设本地用户在Tmax时间内始终进行数据运算,部分数据采用混合NOMA在同一子信道卸载到边缘服务器,混合NOMA分为两种传输方式,且都假设用户m1首先进行解码,这两种传输分别为:① 用户m1和用户m2首先利用NOMA同时在共享时间块tno卸载数据到MEC服务器,用户m1先卸载完毕,之后用户m2利用专有的时间块 卸载剩余的卸载数据到MEC服务器;② 用户m1和用户m2首先利用NOMA同时tno内卸载数据到MEC服务器,用户m2数据先卸载完毕,之后用户m1利用专有的时间块 传输剩余的卸载数据到MEC服务器。

4.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,所述步骤S2中,对于用户k,在Tmax时间内本地运算的数据量以及能量为Lloc,k=Tmaxfk/Ck, 其中,fk表示在本地运算过程中用户k的运算频率,Ck表示用户k运算完1bit数据中央处理器所需要的周期数,εk用户k处的处理器芯片的有效电容系数;在共享时间块tno卸载过程中用户m1和m2的数据量分别为:2

其中,pk,no和gk,no分别表示用户k在共享时间块的传输功率和信道增益, σ表示为噪声功率,B表示信道带宽;在单独时间块,用户k传输的数据量为:其中,pk,s和gk,s表示用户k在单独时间块的传输功率和信道增益;在传输的过程中用户k传输数据所消耗的能量为Ek,up=tk,s(pk,s+pk,c)+tno(pk,no+pk,c)     (4)pk,c表示在传输的过程中用户k恒定回路功率消耗;根据以上描述,可以通过控制用户传输功率,实现两种传输方式,即① ②当传输功率为0时,表明该卸载过程不存在,即对应的时间块也为0。

5.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,所述步骤S3中,对时间块t={tk,s,tno},传输功率 本地运算频率fk和智能反射面的离散相移矩阵 进行优化,其中K={m1,m2};

具体问题建模为:

P0:

s.t C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

其中,C1和C2是资源块的用户时间约束,C3是用户能量的约束,C4表示用户K本地运算频率的约束,C5表示每个用户计算量要大于或者等于最小计算数据量,C6是智能反射面相移的约束。

6.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特

2 2 2 2

征在于,所述步骤S4中,令rk,s=|gk,s|/σ和rk,no=|gk,no|/σ,其中 首先根据分式规划理论里的Dinkelbach算法 ,将问题转换成易于求解的形式,即由于转换后的问题为非凸的,且变量

之间存在耦合关系;为了便于求解,将IRS的离散相移与其他变量可以分解成两个等价的子问题求解,即P2:

P3:

5a‑5e     (7)。

7.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,所述步骤S5中,问题P2对应的变量为离散的,为了便于求解,对约束条件进行连续化处理,既令θk,n∈[0,2π],最后对求得的值进行离散化,具体如下:P4:

其中θk,n∈[0,2π]表示用户k在智能反射面的第n组相位在[0,2π]之间;在这里,对|gk|的形式进行变换其中 此时,利

用三角不等式:

其中 为第n组的元素 因为|αk,n|=1使这个等式成立;因此,能够得出相移的上界为:该值为单独时间块tk,s内相移的最优值,接下来需要平衡两个用户的信道增益,得出共享时间块tno的最佳的相移,由上 我们可以得到 和 在这里设在此处 可能不满足单位模值,需要找到一个离其最近的单位模值矢量,可通过下面公式表示因为0≤v≤1,所以令 量化 的每一个相位到它最近的点,使θn∈F,可得到

[v]

利用 求出Φ ,进一步求出用户对应的信道增益;然后,引入辅助变量并将它们代入问题P2中,可以得到建模:

P5:

8a~8b,8d     (15d)

定义变量 由于(15b)的表达式仍为非凸约束,因此接下来令其中

8.根据权利要求1所述的混合NOMA的IRS辅助MEC系统中能量效率最大化的方法,其特征在于,所述步骤S5中,结合SCA方法,首先利用泰勒一阶展开式求表示出 该展开式为 的上界;然后在这里定义子空间 在接下来描述中k=m2始终成立;设给定的局部点的第m次迭代为 因此,在给定的局部点

其中

因此

相当于 的下界,

使其最小值要大于等于 于是,可将问题建模表示为

8a~8b,8d,19a,19c      (24b)根据P6即可求解出优化解。