本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)人機(jī)搭載可重構(gòu)智能超表面輔助通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著空域資源日益緊張，無(wú)人機(jī)（unmanned?aerial?vehicle，uav）作為低空經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，憑借其高度機(jī)動(dòng)性和快速部署能力，已在應(yīng)急通信、信號(hào)覆蓋及智能交通等場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，可重構(gòu)智能超表面（reconfigurable?intelligentsurface，ris）作為一種關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)反射信號(hào)相位的動(dòng)態(tài)控制，能夠有效提升頻譜效率并降低能耗。然而，低空空域的復(fù)雜性往往會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，傳統(tǒng)的uav或ris獨(dú)立部署難以有效應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。通過(guò)將uav與ris融合，uav-ris輔助通信系統(tǒng)能夠增強(qiáng)傳輸?shù)目煽啃耘c適應(yīng)性，從而在低空經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵任務(wù)中確保穩(wěn)定高效的通信性能。

2、然而，在實(shí)際的空中ris部署中，由于uav在加速和減速過(guò)程中受到慣性阻力及空氣動(dòng)力效應(yīng)的影響，機(jī)身不可避免地發(fā)生傾斜，導(dǎo)致波束偏移和信道變化，從而降低了空中ris輔助通信的性能。此外，現(xiàn)有研究已表明，ris的實(shí)際增益對(duì)信號(hào)入射角和反射角高度敏感。盡管存在這些物理限制，當(dāng)前研究大多忽略了空中ris姿態(tài)變化的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能未能達(dá)到空中ris增益的理論上界。這一持續(xù)性的建模缺陷嚴(yán)重限制了空中ris在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)的不足提出了一種基于歐拉角的飛行控制范式，實(shí)現(xiàn)了空中ris的姿態(tài)優(yōu)化；通過(guò)歐拉角控制策略，該框架能夠在優(yōu)化姿態(tài)調(diào)整的同時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)相位偏移補(bǔ)償，從而保持最優(yōu)波束對(duì)準(zhǔn)。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

3、一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，包含空中ris輔助的通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，所述空中ris輔助的通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景包含基站與地面用戶的通信環(huán)境及uav-ris的控制環(huán)境；

4、所述基站與地面用戶的通信環(huán)境包含地面用戶集合與基站；在該環(huán)境下，基站在同一時(shí)刻可為多個(gè)地面用戶提供通信服務(wù)；其中，基站與用戶間的通信鏈路分為兩種：直接鏈路和反射鏈路；所述直接鏈路為信號(hào)通過(guò)自由空間傳播直接傳輸?shù)降孛嬗脩?；所述反射鏈路為信?hào)自基站發(fā)出，經(jīng)過(guò)空中ris反射后，傳輸給地面用戶；

5、所述uav-ris的控制環(huán)境包含uav和ris陣列；在該控制環(huán)境下，無(wú)人機(jī)平臺(tái)作為載體，通過(guò)靈活的飛行能力，在基站與地面用戶之間提供空中信號(hào)反射中繼；在飛行和懸停過(guò)程中，無(wú)人機(jī)受慣性及空氣阻力的影響，其機(jī)身姿態(tài)包括滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角會(huì)動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而導(dǎo)致ris反射角度和信號(hào)入射角的偏移，從而引起波束對(duì)準(zhǔn)誤差和信道增益波動(dòng)，直接影響反射鏈路的通信性能；

6、具體包括如下步驟：

7、步驟1，無(wú)人機(jī)搭載ris懸?；蝻w行在地面用戶上空；基站通過(guò)下行鏈路向空中ris發(fā)送通信信號(hào)，ris通過(guò)實(shí)時(shí)相位調(diào)控對(duì)信號(hào)進(jìn)行反射增強(qiáng)和波束調(diào)整，確保反射信號(hào)精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶方向；通過(guò)反射鏈路將優(yōu)化后的信號(hào)傳遞給地面用戶；

8、步驟2，為了應(yīng)對(duì)uav姿態(tài)變化，包括滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角，對(duì)接收和反射信號(hào)的角度影響，即對(duì)系統(tǒng)通信性能的影響，基于軟演員評(píng)論家（soft?actor-critic，sac）深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法來(lái)聯(lián)合優(yōu)化uav的姿態(tài)和ris相移，從而最大化系統(tǒng)通信速率和；

9、步驟3，在每個(gè)時(shí)隙 l，通過(guò)對(duì)空中ris姿態(tài)和uav軌跡的狀態(tài)分析，確定最優(yōu)策略，uav根據(jù)得出的最優(yōu)策略進(jìn)行下一步的動(dòng)作展開(kāi)。

10、作為本發(fā)明一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟1中，環(huán)境采用三維笛卡爾坐標(biāo)系，uav在固定高度水平飛行，地面用戶隨機(jī)分布。

11、作為本發(fā)明一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟2中，接收和反射信號(hào)的角度將由歐拉角表示，從而表示接收和反射波束，計(jì)算出系統(tǒng)通信速率和；基于sac深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法是通過(guò)最大熵策略來(lái)提升探索效率，使得在策略評(píng)估和策略改進(jìn)階段能夠平衡探索與利用。

12、作為本發(fā)明一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟3中，最優(yōu)策略包括：根據(jù)當(dāng)前環(huán)境，調(diào)整uav的飛行軌跡和空中ris的姿態(tài)，從而確保最優(yōu)信號(hào)入射角和反射角，進(jìn)而最大化ris的信道增益，提升系統(tǒng)的通信性能。

13、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

14、1、本發(fā)明一種基于歐拉角的空中ris控制方法，以聯(lián)合優(yōu)化uav軌跡和空中ris姿態(tài)，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，以最大化系統(tǒng)通信速率和；本發(fā)明考慮了空中ris姿態(tài)與uav軌跡之間的耦合關(guān)系，以及ris信道增益與朝向之間的聯(lián)系，使應(yīng)用場(chǎng)景更符合顯示情況，應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景中可以取得較好的效果；

15、2、本發(fā)明提出的sac算法不僅關(guān)注累積獎(jiǎng)勵(lì)的最大化，還將策略熵作為關(guān)鍵優(yōu)化目標(biāo)之一；該算法旨在最大化累積獎(jiǎng)勵(lì)與策略熵的加權(quán)和，通過(guò)引入策略隨機(jī)性，鼓勵(lì)智能體在動(dòng)作選擇時(shí)具備更高的探索能力。

技術(shù)特征：

1.一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于：包含空中ris輔助的通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，所述空中ris輔助的通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景包含基站與地面用戶的通信環(huán)境及uav-ris的控制環(huán)境；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于：在步驟1中，環(huán)境采用三維笛卡爾坐標(biāo)系，uav在固定高度水平飛行，地面用戶隨機(jī)分布。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于：在步驟2中，接收和反射信號(hào)的角度將由歐拉角表示，從而表示接收和反射波束，計(jì)算出系統(tǒng)通信速率和；基于sac深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法是通過(guò)最大熵策略來(lái)提升探索效率，使得在策略評(píng)估和策略改進(jìn)階段能夠平衡探索與利用。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)空中ris姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于：在步驟3中，最優(yōu)策略包括：根據(jù)當(dāng)前環(huán)境，調(diào)整uav的飛行軌跡和空中ris的姿態(tài)，從而確保最優(yōu)信號(hào)入射角和反射角，進(jìn)而最大化ris的信道增益，提升系統(tǒng)的通信性能。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)空中RIS姿態(tài)變化的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，包含空中RIS輔助的通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，基于歐拉角的空中RIS控制方法，以聯(lián)合優(yōu)化UAV軌跡和空中RIS姿態(tài)，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，以最大化系統(tǒng)通信速率和；考慮空中RIS姿態(tài)與UAV軌跡之間的耦合關(guān)系，以及RIS信道增益與朝向之間的聯(lián)系，使應(yīng)用場(chǎng)景更符合顯示情況，應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景中取得較好的效果；提出的SAC算法不僅關(guān)注累積獎(jiǎng)勵(lì)的最大化，還將策略熵作為關(guān)鍵優(yōu)化目標(biāo)之一；在最大化累積獎(jiǎng)勵(lì)與策略熵的加權(quán)和，通過(guò)引入策略隨機(jī)性，鼓勵(lì)智能體在動(dòng)作選擇時(shí)具備更高的探索能力。

技術(shù)研發(fā)人員：徐俊杰,李斌,楊冬東,鮑子毓,沙忠譚
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15