一种通信感知一体化系统感知辅助波束赋形方法

本发明涉及通信，更具体的说，本发明涉及一种通信感知一体化系统感知辅助波束赋形方法。

背景技术：

1、蜂窝通信系统是无线通信的一个重要架构，目前已经发展到第五代且影响着人们生活的方方面面。因此，下一代蜂窝通信系统的研究越来越受到关注。通信感知一体化(integrated sensing and communication，isac)被认为是下一代无线通信系统的关键领域之一，通信和感知在信号处理和系统结构等方面有很多相似。感知系统加入通信功能，使其可以有更多的应用场景。另一方面，通信系统加入感知功能，使它性能有更大的提升且更加智能化。通信系统可以利用感知获得的周围目标和环境高精度定位信息进一步提升自身的通信性能。

2、通信感知一体化系统获得的环境信息可以应用于多个方面，其中一个比较重要的就是波束赋形。利用码本或数学优化是常用的波束赋形方法。然而，基于码本的波束赋形方法得到的波束往往是次优的，不能最大提升通信性能。基于数学优化的波束赋形方法需要频繁地进行信道估计以获得信道状态信息，导致非常大的通信开销，造成性能损失。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种通信感知一体化系统感知辅助波束赋形方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通信感知一体化系统感知辅助波束赋形方法，其改进之处在于，该方法包括以下步骤：

3、s10、isac基站发送参考信号，所述参考信号包括在初始化阶段全向发送的参考信号以及在感知辅助阶段根据预设编码矢量fk定向发送的参考信号；

4、s20、isac接收端利用回波信号，分别基于正交匹配追踪omp和多信号分类算法music，联合感知方法获取周围目标或用户的参数，所述参数包括距离、速度以及角度；

5、s30、利用感知时隙得到目标或用户的距离和角度，计算编码矢量fk；或者，利用感知方法得到的历史信息结合运动学方程计算编码矢量fk；

6、s40、重复步骤s20和步骤s30，实现感知辅助蜂窝通信波束赋形。

7、进一步的，所述isac基站包括m根发送天线和n根接收天线，周围目标或用户的数量为k；

8、所述isac基站和所述isac接收端基于5g定位参考信号操作，该5g定位参考信号为ofdm信号，具有q个ofdm符号和p个子载波，δf为子载波间隔；

9、在某一时隙，第k个目标或用户的距离、速度和角度分别为dk、vk、θk，在第p个子载波、第q个ofdm符号上k个感知/通信用户的信号矢量为：

10、sp，q＝[sp，q，1,…,sp，q，k]t；

11、则发送信号为：

12、xp,q＝fsp，q；

13、其中，f的第k列是第k个感知/通信用户的编码矢量fk，；

14、

15、其中，pk为当前ofdm符号周期第k个波束的发射功率，pk与成反比，为感知算法所预测的第k个感知/通信用户和基站的距离，总功率e表示自然常数，j为虚数单位，π为圆周率，fc为载波频率，d0为天线间间隔，sin(.)表示正弦函数，为感知算法所预测的第k个感知/通信用户所在方位，c为光速，m为发送天线数量，t为转置符号，表示开根操作。

16、进一步的，所述初始化阶段时：

17、

18、进一步的，步骤s20中，基于正交匹配追踪omp联合感知方法，包括以下步骤：

19、s201、将所述角度、距离和速度域划分为均匀网格：

20、θ＝[θ1,θ2,...,θu]；

21、d＝[d1,d2,...,dv]；

22、v＝[v1,v2,...,vw]；

23、s202、将所述isac基站的接收信号转换为稀疏域后如下：

24、

25、其中，p、q分别表示第p个载波和第q个ofdm符号，σ·表示求和符号，u、v、w分别是角度、距离、速度域划分的网格数，vw、dv和θu分别是速度、距离、角度域第w、v、u的网格点，ts为符号周期，δf为子载波间隔，c为光速，am(θu)、an(θu)分别为发送和接收导向矢量，t为转置符号，xp,q为发送信号，αu,v,w为目标反射系数，np,q为噪声矢量；

26、

27、为克罗内克积，θ、d、v分别为角度、距离、速度域划分网格矢量，α为稀疏矢量，iu为大小为u的单位矩阵；

28、s203、收集p个子载波、q个ofdm符号上的yp,q，拼接得到：

29、y＝zα+n；

30、其中，

31、

32、

33、进一步的，步骤s20中，基于正交匹配追踪omp联合感知方法，还包括以下步骤：

34、采用正交匹配追踪omp解决稀疏模型，包括以下步骤：

35、s204、输入接收信号y、字典矩阵z，稀疏度k；

36、s205、循环从1至k，令残差r0＝y；

37、s206、找出残差rk-1和字典矩阵中内积最大的列的角标λ；

38、s207、更新索引集λk＝λk-1∪λ和字典矩阵的原子集合φk＝[φk-1,z[:,λ]]；

39、s208、采用最小二乘法求

40、s209、更新残差

41、s210、判断是否k>k，若是则停止迭代，否则继续循环；输出索引集λk即为所求；

42、s211、按以下公式转换成k个目标距离、速度和角度：

43、速度

44、距离其中，mod(a,b)表示a/b的余数；

45、角度

46、其中，λk为迭代过程输出的索引集，u、v分别是角度和距离域划分的网格数，表示向下取整操作。

47、进一步的，步骤s20中，所述基于多信号分类算法music，联合感知方法获取周围目标或用户的参数，包括：

48、s2001、music测角：输入接收信号yp,q，得到k个估计角度

49、s2002、空域滤波：使用k个估计的角度构造对应波束赋形矢量：

50、

51、得到k个滤波后的信号y’p,q,k；

52、s2003、点除：构造发送导向矢量：

53、

54、滤波后的信号y’p,q,k点除得到yp,q,k；

55、s2004、2d-music算法测距测速，对k个yp,q,k依次使用2d-music算法测距测速，实现联合测距、测速以及测角。

56、进一步的，步骤s30中，所述运动学方程为：

57、

58、

59、

60、

61、其中，ts为感知时隙间隔，为第t个感知时隙得到的第k个目标或用户距离，为第t个感知时隙得到的第k个目标或用户速度，为当前时隙第k个目标或用户的径向加速度，为第t个感知时隙得到的第k个目标或用户所在方位，为当前时隙第k个目标或用户的切向速度。

62、进一步的，所述isac接收端的接收信号为：

63、

64、其中，ts为符号周期，dk、vk分别是目标的距离和速度，np,q为噪声矢量，导向矢量为：

65、目标反射系数λc为波长，σrcs为雷达散射截面。

66、进一步的，第k个通信用户处接收信号为：

67、

68、其中，用户接收端导向矢量为：

69、

70、r为用户接收天线数；

71、计算第p个载波、第q个符号上第k个通信用户处信干噪比为：

72、

73、其中，h为共轭转置符号，-1表示求逆操作，dk、vk、θk分别为第k个目标或用户的距离、速度和角度，fi为第i个波束的编码矢量；

74、实现的速率和为：

75、

76、其中，ir是大小为r的单位矩阵。

77、本发明的有益效果是：本发明提出了一种通信感知一体化系统感知辅助波束赋形方法，能够感知得到isac接收端高精度的位置信息，能够形成更准确的发送波束。在两个感知时隙间，利用历史感知速度和角度信息进行接收端位置的预测可以避免频繁地信道估计，极大地减少信道状态信息跟踪开销，并且能够更加快速地进行波束失效恢复。