智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法技术方案

本发明专利技术涉及一种智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法，属于无线通信技术领域。该方法首先，根据发射波束成型设计要求，利用空间自由度对多个通信用户和雷达目标合成多波束；然后，通过联合优化基站的发射波束成型和RIS的相移矩阵，将波束成型设计方法表达为一个约束优化问题进行求解，在信号泄漏噪声比和RIS相移的约束下，最大化MIMO雷达发射波束成型的性能；最后，通过交替迭代优化的方法进行求解。本发明专利技术所的联合波束成型方法实现过程简单，应用范围广泛，能够提高通信感知一体化系统的频谱效率。一体化系统的频谱效率。一体化系统的频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，涉及一种智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法。

技术介绍

[0002]由于无线通信网络需求的不断增加，频谱拥挤正成为一个严重的问题，未来的通信系统将要探索与其它电子设备在同一频段下共存的可行性。为了解决这种拥塞，有人提出无线通信与雷达系统共享频谱的通信感知一体化系统(Integrated Sensing and Communication,ISAC)，通过共享频谱、硬件平台和联合信号处理框架将雷达感知和无线通信结合起来。同时智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface,RIS)作为一项具有革命性意义的技术，通过使用集成在平面上的大量低成本无源反射元件重新配置无线传播环境，能够显著提高无线通信系统的性能。可以通过控制RIS的不同元件的振幅或相位来反映入射信号，以实现定向信号增强。
[0003]在不断的研究中，多种波束成型方案被相继提出，早期工作考虑单天线设备，利用单独的正交雷达和通信信号实现频谱共享，然而，单天线方案不能探测多个目标的同时与多个用户通信，导致雷达和通信性能的损失。后来的研究采用了多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output，MIMO)系统，可以将这些研究分为信息嵌入和多波束两大类。
[0004]在信息嵌入系统中，雷达通常被视为主要功能，通信信息被编码到雷达波形中，例如将数据位嵌入到雷达波形的参数中，可以产生相位调制、空间调制和载波频率调制形式的通信，或者通过控制雷达旁瓣的振幅和相位来嵌入通信位。在这些方案中，由于每个雷达脉冲携带的通信符号数量非常有限，因此系统会产生较低的信息速率。第二种方法是基于多波束的波束成型，即利用空间自由度向多个通信用户和雷达目标合成多个波束，相对于信息嵌入策略，多波束的波束成型方法能够使用其单独的波形，通过为每个功能使用传统的专用信号，可以获得更高的数据速率并保证雷达探测性能。在这种方法中，主要设计目标是雷达和通信信号形成正确的发射波束并都能可靠工作。但是在严格的雷达波束图约束下，设计的发射波束成型并不能有效地抑制多用户间干扰，因此通信感知一体化的通信性能并不令人满意。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法，解决现有多波束方案中严格雷达波束图约束下系统通信性能损失严重以及信号在毫米波衰减严重的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法，具体包括以下步骤：
[0008]S1：根据发射波束成型设计要求，部署具有N个反射单元的智能反射表面(RIS)辅
助通信感知一体化(ISAC)系统，利用空间自由度对多个通信用户和雷达目标合成多波束；
[0009]S2：通过联合优化基站的发射波束成型矩阵W和RIS相移矩阵Θ，将波束成型设计方法表达为一个约束优化问题P1，在信号泄漏噪声比和RIS相移的约束下，最大化MIMO雷达发射波束成型的性能；
[0010]S3：通过交替迭代优化方法对优化问题P1进行求解。
[0011]进一步，步骤S1中，部署的系统结构为：设毫米波RIS辅助ISAC系统是单基地MIMO雷达系统和多用户MIMO通信发射机共用天线阵列，基站配备M个天线，共有K个单天线通信用户，RIS配备了N个反射元件，假设基站和用户都配备了均匀线阵(ULA)，其归一化阵列间距为ρ，假设K≤M，雷达和通信通过联合波束形成同时操作；基站的发送信号x(n)为：
[0012]x(n)＝w
r
s(n)+w
c
c(n),n＝0,..,N
‑1[0013]其中，s(n)＝[s1(n),...,s
M
(n)]T
∈C
M
×1是包含M个雷达波形的向量，C
x
×
y
表示x
×
y的复值矩阵空间，上标T表示矩阵的转置；c(n)＝[c1(n),...,c
K
(n)]T
∈C
K
×1是包含K个并行通信符号的向量，w
r
∈C
M
×
M
和w
c
∈C
M
×
K
分别为雷达预编码矩阵和通信预编码矩阵；
[0014]第k个用户的接收信号为：
[0015][0016]其中，G∈C
N
×
M
，分别表示基站到IRS，IRS到第k个用户的等效信道，上标H表示矩阵的共轭转置，k∈{1,...,K}表示通信用户的序号；w
c,k
表示通信预编码矩阵的第k列，w
r,k
表示雷达预编码矩阵的第k列，c
k
表示第k个通信符号，s
k
表示第k个雷达波形；表示RIS的相移矩阵，其中θ
n
∈[0,2π)和β
n
∈[0,1]分别表示RIS第n个反射元件的相移和反射系数，diag(
·
)表示一个对角矩阵，每个对角元素是相应的元素
·
，j表示虚数单位；为具有均值向量0和协方差矩阵的零均值圆对称复高斯噪声，表示第k个用户在接收处的高斯白噪声，～表示分布为。
[0017]进一步，步骤S1中，利用空间自由度对多个通信用户和雷达目标合成多波束，具体包括：假设在空域范围内有Q个潜在目标方向，这些空域方向所构成的空域角度集合可以表示为则雷达通过发射波束成型在这些方向上的辐射的累积信号能量E(θ)表示为：
[0018][0019]其中，R表示发射波形的相关矩阵，定义为其中，是一个M
×
M维的空域累计能量矩阵，a(θ
q
)表示导向矢量；
[0020]第k个用户的SLNR(信号泄漏噪声比)为：
[0021][0022]其中，H
k
表示第k个用户的级联信道，表示第k个用户的级联信道，表示基站到第k个用户的等效信道。
[0023]进一步，步骤S2中，在基站侧设计发射波束成型矩阵W以及RIS相移矩阵Θ的优化问题P1，具体包括：将雷达和通信波束成型的联合设计表示为在每个下行链路用户的SLNR约束、RIS相移约束以及发送功率约束下，最大化雷达目标在目标方向的能量，将优化问题P1表示为：
[0024]P1:
[0025][0026][0027]SLNR
k
≥Γ
k
,k＝1,...,K
[0028]0≤θ
n
≤2π
[0029]其中，max tr{RX}是求tr{RX}的最大值W和Θ的取值，s.t表示subject to的缩写，tr本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射表面辅助的通信感知一体化系统波束成型方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：根据发射波束成型设计要求，部署具有N个反射单元的RIS辅助ISAC系统，利用空间自由度对多个通信用户和雷达目标合成多波束；其中，RIS表示智能反射表面，ISAC表示通信感知一体化；S2：通过联合优化基站的发射波束成型矩阵W和RIS相移矩阵Θ，将波束成型设计方法表达为一个约束优化问题P1，在信号泄漏噪声比和RIS相移的约束下，最大化MIMO雷达发射波束成型的性能；S3：通过交替迭代优化方法对优化问题P1进行求解。2.根据权利要求1所述的通信感知一体化系统波束成型方法，其特征在于，步骤S1中，部署的系统结构为：设毫米波RIS辅助ISAC系统是单基地MIMO雷达系统和多用户MIMO通信发射机共用天线阵列，基站配备M个天线，共有K个单天线通信用户，RIS配备了N个反射元件，假设基站和用户都配备了均匀线阵，其归一化阵列间距为ρ，假设K≤M，雷达和通信通过联合波束形成同时操作；基站的发送信号x(n)为：x(n)＝w
r
s(n)+w
c
c(n),n＝0,..,N
‑
1其中，s(n)＝[s1(n),...,s
M
(n)]
T
∈C
M
×1是包含M个雷达波形的向量，C
x
×
y
表示x
×
y的复值矩阵空间，上标T表示矩阵的转置；c(n)＝[c1(n),...,c
K
(n)]
T
∈C
K
×1是包含K个并行通信符号的向量，w
r
∈C
M
×
M
和w
c
∈C
M
×
K
分别为雷达预编码矩阵和通信预编码矩阵；第k个用户的接收信号为：其中，G∈C
N
×
M
，分别表示基站到IRS，IRS到第k个用户的等效信道，上标H表示矩阵的共轭转置，k∈{1,...,K}表示通信用户的序号；w
c,k
表示通信预编码矩阵的第k列，w
r,k
表示雷达预编码矩阵的第k列，c
k
表示第k个通信符号，s
k
表示第k个雷达波形；表示RIS的相移矩阵，其中θ
n
∈[0,2π)和β
n
∈[0,1]分别表示RIS第n个反射元件的相移和反射系数，diag(
·
)表示一个对角矩阵，每个对角元素是相应的元素
·
，j表示虚数单位；为具有均值向量0和协方差矩阵的零均值圆对称复高斯噪声，表示第k个用户在接收处的高斯白噪声，～表示分布为。3.根据权利要求2所述的通信感知一体化系统波束成型...

【专利技术属性】
技术研发人员：景小荣，雷宇欣，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：