一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法技术

本发明专利技术公开了一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，卫星端配备大规模MIMO阵列，实现通信感知一体化系统。卫星端基于电磁波传播统计特性，发送多个用户终端的通信信号，同时对目标进行检测，实现卫星端与不同用户终端的同时通信以及对目标的感知。本发明专利技术充分利用频谱资源，基于卫星实现无线通信和目标感知功能的灵活切换，缓解波束斜视对系统性能的影响，大幅提升通信性能以及雷达的分辨率，可用于构建天、空、地、海一体化综合网络，实现全球覆盖。全球覆盖。全球覆盖。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法


[0001]本专利技术涉及一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法。

技术介绍

[0002]随着无线产业的飞速发展，频谱资源越来越稀缺，频谱资源的价值也越来越高。为了提高频谱资源的利用率，提出了通信感知一体化方法和系统，以实现无线通信与雷达感知两个功能模块之间的频率复用。在通信感知一体化系统中，通信和感知可以在一个硬件平台上同时进行，使射频环境的解拥塞成为可能。现有的通信感知一体化工作主要集中在地面网络，并已经探索了许多设计，以提高两个功能模块的性能。
[0003]对于卫星大规模MIMO通信感知一体化系统，其电磁波传播特性与地面存在显著差异，因此不能直接采用地面通信感知一体化系统。具体来说，主要体现在两个方面：一是由于卫星与用户终端以及目标之间的距离较长，会导致高传播延迟，同时，用户终端和检测目标的移动性，会导致较大的多普勒频移。此外，考虑到宽带卫星大规模MIMO通信感知一体化系统采用大规模阵列和宽带传输，导致信道维度大、变化快，这给电磁波传播状态信息的估计带来了挑战。一般情况下，对于卫星大规模MIMO通信感知一体化系统，在卫星侧发射机端，准确的电磁波传播瞬时状态信息是很难得到的。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种基于电磁波传播统计状态信息的考虑波束斜视的卫星大规模MIMO通信感知一体化方法和系统，可以有效缓解波束斜视对系统性能的影响，实现频谱资源的有效利用，在无线通信和目标感知的功能间灵活切换，大幅提升通信能效以及雷达的分辨率。
[0005]技术方案：一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测；通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化；其中，卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，所述电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，所述电磁波传播统计状态信息是目标的到达角；根据所述电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号；在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新所述通信感知一体化预编码。
[0006]有益效果：本专利技术的卫星大规模MIMO通信感知一体化方法具有如下优点：
[0007](1)在本专利技术中，对考虑波束斜视的电磁波传播统计特性进行建模，建立了波束斜视的程度和系统相关参数之间的关系；
[0008](2)在本专利技术中，该系统的发射机可以同时执行通信和感知功能，引入加权系数来调整两个功能模块的权重，以权衡通信能效和雷达波束模式估计准确性；
[0009](3)在本专利技术中，设计了一种混合预编码方法，以缓解波束斜视效应，并增强通信的能效性能和雷达感知的分辨率。
附图说明
[0010]图1为卫星大规模MIMO通信感知一体化系统示意图；
[0011]图2为卫星端大规模天线阵列配置示意图。
具体实施方式
[0012]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0013]一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的方法，卫星端配备大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测，如图1所示。通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化。其中，通信过程包括信道估计和数据传输；感知过程包括雷达目标搜索和波束赋形。卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，电磁波传播统计状态信息是目标的到达角。
[0014]根据电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号，通信感知一体化预编码为基于能效最大化原则和凸优化算法的的混合预编码方案。大规模MIMO天线阵列的每个天线单元独立发送信号，并采用全数字或模拟或混合的传输方式。通过发送一个信号同时实施通信和感知过程中，引入权重系数来权衡通信和感知的性能，以实现无线通信和目标感知功能的灵活切换。在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新通信感知一体化预编码。
[0015]具体的，如图2所示，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，包含数百个以上的天线单元，每个天线单元可采用单极化或多极化天线；阵列结构为均匀面阵，其中x和y方向的天线数分别为和则总天线数为天线间隔为r，并采用混合模拟/数字发射机，服务于K个单天线用户，每个用户终端均采用全数字接收机，同时对多个目标进行检测，发射机所需射频链的数量为M
t
，K≤M
t
≤N
t
。
[0016]考虑到宽带大规模MIMO低轨卫星系统的频率选择性，采用正交频分复用(OFDM)方案来减小码间干扰，即在信号带宽B
w
上共采用M个子载波，则子载波间隔为Δ
B
＝B
w
/M。于是，第m个子载波的频率为
[0017][0018]1.通信模块
[0019](1)对考虑波束斜视情况下的多径信道传播的统计特性进行建模
[0020]注意到卫星高度远高于地面用户终端周围的散射体，若对第k个用户，共有L
k
条传播路径，设各传播路径具有相同的到达角其中，和分别表示x和y方向上的到达角。若第l条路径上的传播时延为τ
k,l
，则其与天线阵列第(n
x
,n
y
)个元素之间的总时
延为
[0021][0022]式中第二项为对于第k个用户，天线阵列的第(1,1)个元素到第(n
x
,n
y
)个元素的之间的时延，即
[0023][0024]式中分别表示x和y方向上的天线单元编号，c表示光速。
[0025]设第k个用户的第l条路径的信道增益为α
k,l
，多普勒增益为ν
k,l
，则第k个用户和低轨卫星端天线阵列第(n
x
,n
y
)个元素之间在时间为t，频率为f时的下行信道空频响应为
[0026][0027]其中，exp{
·
}表示指数操作符，f
c
表示载波频率。对上式重排并进行向量化处理，采用时间和频率同步后得到基带下行信道空频响应矢量
[0028]h
k
(t,f)＝v
k
(f)g
k
(t,f)，
ꢀꢀꢀ
(5)
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，其特征在于，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测；通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化；其中，卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，所述电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，所述电磁波传播统计状态信息是目标的到达角；根据所述电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号；在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新所述通信感知一体化预编码。2.根据权利要求1所述的卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，其特征在于，通过发送一个信号同时实施通信和感知过程中，引入权重系数来权衡通信和感知的性能。3.根据权利要求2所述的卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，其特征在于，所述通信感知一体化预编码设计方法包括如下步骤：在寻求通信的能效最大化的同时保证雷达感知性能，建立优化问题在寻求通信的能效最大化的同时保证雷达感知性能，建立优化问题其中，K表示用户数，R
k
表示卫星与第k个用户之间的通信速率，P
total
表示总发射功率，M表示子载波数，V[m]表示恒模射频预编码器，W[m]表示基带预编码器，w
k
[m]表示对第k个用户的基带预编码矢量，P表示功率预算，为模拟预编码器所需要满足的约束，B
rad
[m]表示最优的子阵列雷达预编码器，U[m]表示在第m个子载波处引入的辅助酉矩阵，ε表示混合预编码器与雷达预编码器的欧氏距离公差项，表示P
r
×
P
r
阶的单位阵，P
r
表示目标数，||
·
||
F
表示矩阵F范数；步骤1：对于优化问题将模拟预编码器和数字预编码器的乘积视作一个整体，并暂时不考虑无关约束，得到全数字预编码问题不考虑无关约束，得到全数字预编码问题其中，B[m]表示混合预编码矩阵，b
k
[m]＝V[m]w
k
[m]表示对第k个用户的预编码矢量；步骤2：考虑波传播统计特性，采用R
k
[m]的紧上界作为替代，即
其中，R
k
[m]表示第k个用户第m个子载波上的速率，γ
k
是卫星和第k个用户之间的信道能量，v
k
[m]表示频率为f
m
的第m个子载波处的阵列响应矢量，N0表示噪声功率；步骤3：令为所有子载波预编码矩阵的集合，采用Dinkelbach算法将问题转化为一系列子问题即其中，表示和所有子载波预编码矩阵集合相关的速率的紧上界，表示和所有子载波预编码矩阵集合相关的总功率，辅助变量η
(i)
满足步骤4：考虑第i个子问题，为表示方便，省略编号i，令b
k,m
＝b

【专利技术属性】
技术研发人员：尤力，强晓宇，叶育琦，黄彦，王闻今，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：