基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法

本申请涉及通信，特别是涉及一种基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法。

背景技术：

1、近年来，商业领域对集成传感与通信(isac)智能设备的需求快速增长。随着雷达和无线通信技术的不断发展，以及人们对嵌入式小型设备多功能化、智能化的高度期望，isac系统进入了公众视野，引起了工业界和学术界的广泛讨论，两种系统使用同一平台，共享相同的硬件和频谱资源，形成了一类特定的射频技术。尽管具有良好的通信和雷达检测性能，但以毫米波和大规模mimo为核心技术的isac系统需要大量的硬件组件，如射频链、功率放大器、数模转换器等，这无疑会导致基站的总功耗和硬件成本大幅增加。纯数字波束赋形直接设计量化发射信号矢量，每根天线映射一条rf链路，适用于天线数量较少的系统，对于大规模mimo系统，为了降低系统复杂度和功耗，需要采用混合波束形成设计。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低大规模mimo系统复杂度和功耗的基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法。

2、一种基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法，所述方法包括：

3、获取基站发送的信号，对基站发送的信号进行建模，得到信号模型；信号模型中包括待求解的模拟预编码器；基于雷达和通信性能之间的权衡优化问题设计模拟预编码器和经过数字预编码器后的一位数模转换器量化信号；

4、根据设计得到的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号设计发射波束矢量，建立发射波束矢量的优化表达式；

5、对发射波束矢量的优化表达式进行求解，将优化表达式的代价函数进行展开，展开后的表达式表示为拉格朗日形式，基于拉格朗日形式获取展开后的表达式的最优性条件；对最优性条件进行求解，得到最优发射波束矢量；

6、根据最优发射波束矢量设计模拟预编码器和一位数模转换器量化信号的优化问题，利用matlab工具箱和btsa-ga算法分别对优化问题进行求解，得到优化后的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号；根据优化后的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号生成感通一体化混合波束。

7、上述基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法，不同于数字波束形成方案中直接设计量化发射信号矢量的设计思路，本申请设计模拟预编码器，以及在数字预编码器之后一位数模转换器量化信号。给定最优通信波束形成器和期望的雷达波束方向图，设计模拟预编码器和经过数字预编码器后的一位数模转换器量化信号，在系统发射功率约束、模拟预编码器的恒模约束以及量化信号的离散非凸约束下，最小化通信波束形成误差和雷达波束形成误差的加权和，isac系统可以获得更好的雷达传感波形的峰旁比和优越的通信误码率性能。然后根据最优发射波束矢量设计模拟预编码器和一位数模转换器量化信号的优化问题，利用matlab工具箱和btsa-ga算法交替求解在移相网络恒定包络约束下的模拟预编码器和数字预编码后的一位数模转换器量化信号，通过设计了一种全局优化算法，即btsa-ga算法来解决离散约束优化问题，避免了一些经典非线性预编码算法中因放宽非凸符号约束而造成的性能损失，根据优化后的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号生成感通一体化混合波束，在基站与多个下行用户通信的同时实现雷达的检测和感知功能，充分利用稀缺的频谱资源，实现更大的信道容量、更高的频谱效率和更优越的目标检测性能，可以大大降低硬件成本、系统复杂度和各射频链路的功耗。

技术特征：

1.一种基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法，所述方法应用于包括双功能基站的窄带大规模mimo系统，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于雷达和通信性能之间的权衡优化问题设计所述模拟预编码器和经过数字预编码器后的一位数模转换器量化信号，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据设计得到的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号设计发射波束矢量，建立所述发射波束矢量的优化表达式，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将优化表达式的代价函数进行展开，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，展开后的表达式表示为拉格朗日形式，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述拉格朗日形式获取展开后的表达式的最优性条件，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述最优发射波束矢量设计所述模拟预编码器和一位数模转换器量化信号的优化问题，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用matlab工具箱和btsa-ga算法分别对所述优化问题进行求解，得到优化后的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本申请涉及一种基于一位数模转换器感通一体化混合波束形成方法。所述方法包括：基于雷达和通信性能之间的权衡优化问题设计模拟预编码器和经过数字预编码器后的一位数模转换器量化信号；根据设计得到的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号设计发射波束矢量，对发射波束矢量的优化表达式进行求解，得到最优发射波束矢量；根据最优发射波束矢量设计模拟预编码器和一位数模转换器量化信号的优化问题，利用Matlab工具箱和BTSA‑GA算法分别对优化问题进行求解，根据优化后的模拟预编码器和一位数模转换器量化信号生成感通一体化混合波束。采用本方法能够降低大规模MIMO系统复杂度和功耗。

技术研发人员：余小游,郑梦瑶,卢昕妍
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/18