一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信系统及其方法

本发明涉及通信技术，具体是一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信系统及其方法。

背景技术：

1、传统的双功能通信感知一体化(isac)是基于集中式多天线输入-多天线多输出(mimo)架构，在集中式mimo系统架构中，所有天线位于一个信号发射基站(bs)或天线彼此之间的距离很近。基站负责管理和协调来自该集中天线阵列的信号传输和接收。

2、但是在空间受限的环境中，视距感知信号反射效果较差，难以准确测量信号反射角度和距离。所以传统的集中式双功能isac无法提供精准的室内雷达感知功能。另外低频信号的波长会很长，长波长会引发多路径反射，导致一个信号会更容易通过很多不同的路径进行传播，给获取精确的信号反射路径带来了挑战。在感知功能方面，较宽的频谱带宽可以提供更高的雷达感知分辨率，但对通信系统来说可能成为负担，因为并非所有系统都需要如此宽的带宽和数据传输速率，这使得双功能isac信号设计不适合于低速率和低成本系统，如在物联网(iot)中的应用。通信和雷达感知在信号发射功率、信号占据的带宽和用户支持方面有着不同的需求，使得单一信号波形难以同时满足两者的要求，通信和感知功能的联合设计限制了整体系统的灵活性。

3、为此，我们设计出了一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信系统及其方法来解决以上问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的基于集中式mimo架构的通信感知一体化系统依赖视距信号传输和反射，当信号路径受阻或存在强多路径反射时，通信传输受到极大影响的缺点，而提出的一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信系统及其方法，采用共存信号结构，使感知和通信信号在时间、频率或空间域上正交，从而保留通信和感知功能的各自独特特性，提升整体系统的灵活性。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤s1，系统构建：将天线单元采用分布式架构设置，每个天线单元对应连接一个射频单元，射频单元均与数字信号预处理模块连接，构建通信感知一体化的通信系统；

5、步骤s2，信道检测：利用射频单元内置的数模转换模块把已知信号的数字信号转化为模拟信号，经天线单元利用交错的导频信号向接收端发送，接收端根据接收的已知信号中的导频信号估计信道特性，将感知信号回波反馈给天线单元；

6、步骤s3，数据信号调整补偿：天线单元将接收的感知信号回波传输至射频单元，射频单元利用内置的数模转换模块将感知信号回波转换为数字信号，并将数字信号传输给数字信号预处理模块，数字信号预处理模块对实际要传输的数据信号进行预编码，设计成通信感知一体化信号；

7、步骤s4，数据信号传输：经数字信号预处理模块设计的通信感知一体化信号传输至射频单元，利用射频单元内设的数模转换模块把通信感知一体化信号转化为模拟信号，经天线单元向接收端发送。

8、本方案进一步地优化，步骤s1中，天线单元采用分布式架构设置，是将每个天线单元围绕障碍物外围设置多个。

9、本方案进一步地优化，步骤s2中，经天线单元利用交错的导频信号向接收端发送已知信号时，根据天线单元的设置数量，每个天线单元对应一个信号发射时间间隙，信号发射时间间隙为一个ofdm符号；导频信号为时域正交的导频探测参考信号。

10、本方案进一步地优化，步骤s2中，根据导频信号估计的信道特性包括信号的幅度以及相位的变化。

11、本方案进一步地优化，步骤s3中，数字信号预处理模块对实际要传输的数据信号进行预编码，设计成通信感知一体化信号，过程如下：

12、定义已知信号的信道矩阵h为：

13、

14、式中，hmn表示从第n个天线单元到第m个接收端的信道链路；

15、设计的时间正交导频符号由天线单元在对应天线单元数量的符号周期内传输，第一个时间周期内，只有第一个天线传输符号p1，其余天线单元不使用，依次类推，在第n个时间周期内，只有n天线传输符号pn，其余天线单元不使用，时间正交导频符号的矩阵p为：

16、

17、接收端从n天线单元接收到的符号y表示为：

18、

19、式中，ymn表示第m个接收端在第n个时间周期内接收到的符号，z表示信号传输过程中受到加性白高斯噪声影响；

20、信道矩阵通过下式推导出：

21、

22、基于获得的h信道特性，通信感知一体化信号x设计为：

23、

24、式中，表示信道矩阵的逆矩阵，d表示实际要传输的通信数据。

25、一种应用于分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法的系统，该系统包括：

26、天线单元，利用交错的导频信号向接收端发送已知信号，接收来自接收端的感知信号回波，将经射频单元转化的通信感知一体化信号，发送给接收端；

27、数字信号预处理模块，与每个射频单元建立连接，对实际要传输的数据信号进行预编码，设计成通信感知一体化信号；

28、射频单元，与每个天线单元连接，把已知信号和通信感知一体化信号转化为模拟信号；

29、接收端，接收天线单元发送的已知信号和通信感知一体化信号，根据接收的已知信号中的导频信号估计信道的特性，将感知信号回波反馈给天线单元。

30、本方案进一步地优化，所述天线单元采用分布式架构布置，围绕障碍物外围设置多个，每个天线单元对应连接一个所述射频单元；

31、所述射频单元接收来自于天线单元传输的感知信号回波，并利用内设的数模转换模块转换为数字信号，传输给数字信号预处理模块。

32、本方案进一步地优化，所述导频信号为时域正交的导频探测参考信号，多个所述导频信号经过多个时间间隙完成发送。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用分布式阵列天线，共存信号结构，使感知和通信信号在时间、频率或空间域上共存复用，从而保留各自的独特特性，允许独立设计，保留通信和感知功能的各自独特特性，提升系统的灵活性，优于传统的单一通信感知信号设计。本发明采用分布式的多天线单元，利用信道的多样性来检测信道特性，用来做感知，避免了天线单元之间的空间干扰以及相邻导频信号之间有重叠干扰，支持多用户通信功能，并利用实时感知信号回波监控使系统能够通过反馈的信道估计，准确检测和跟踪与用户位置或移动相关的信道状况变化，均衡适应动态信号传播环境，适用于多径传播的环境，对多路径有很强的鲁棒性。

技术特征：

1.一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法，其特征在于，步骤s1中，天线单元采用分布式架构设置，是将每个天线单元围绕障碍物外围设置多个。

3.根据权利要求1所述的一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法，其特征在于，步骤s2中，经天线单元利用交错的导频信号向接收端发送已知信号时，根据天线单元的设置数量，每个天线单元对应一个信号发射时间间隙，信号发射时间间隙为一个ofdm符号；导频信号为时域正交的导频探测参考信号。

4.根据权利要求1所述的一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法，其特征在于，步骤s2中，根据导频信号估计的信道特性包括信号的幅度以及相位的变化。

5.根据权利要求1所述的一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法，其特征在于，步骤s3中，数字信号预处理模块对实际要传输的数据信号进行预编码，设计成通信感知一体化信号，过程如下：

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法的系统，其特征在于，系统包括：

7.根据权利要求6所述的分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法的系统，其特征在于，所述天线单元采用分布式架构布置，围绕障碍物外围设置多个，每个天线单元对应连接一个所述射频单元；

8.根据权利要求6所述的分布式天线阵列通信感知一体化的通信方法的系统，其特征在于，所述导频信号为时域正交的导频探测参考信号，多个所述导频信号经过多个时间间隙完成发送。

技术总结
本发明公开了一种分布式天线阵列通信感知一体化的通信系统及其方法，为涉及通信技术技术领域。每个天线单元对应连接一个射频单元，射频单元均与数字信号预处理模块连接，利用射频单元把已知信号转化为模拟信号，经天线单元利用交错的导频信号向接收端发送，接收端根据导频信号估计信道特性，将感知信号回波反馈给天线单元；射频单元将感知信号回波转换为数字信号并传输给数字信号预处理模块，对实际要传输的数据信号进行预编码，设计成通信感知一体化信号后经天线单元向接收端发送。本发明采用共存信号结构，使感知和通信信号在时间、频率或空间域上共存复用，从而保留各自的独特特性，适用于多径传播的环境，对多路径有很强的鲁棒性。

技术研发人员：许同阳,汤奕,叶宇剑
受保护的技术使用者：东南大学溧阳研究院
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10