一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法及组件技术

本发明专利技术提供一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法及组件，应用于MIMO—OFDM基站，通过在MIMO—OFDM基站的每一个移相器和天线单元之间设置真时延线单元，并基于基站所需感知空间对移相器的相位和真时延线单元的时延值进行设置，使得基站发射的所有子载波波束可以按照预定的波束偏移方式覆盖感知空间，并根据回波信号中峰值功率子载波的频率确定目标的角度估计值，根据旁瓣功率子载波的相位差异确定目标的距离估计值，最后根据角度估计值和距离估计值确定目标的位置，基站只需要发射并接收一次信号即可实现波束偏移空间的全覆盖波扫式目标感知，确保了目标定位的准确性以及减少了时间开销。及减少了时间开销。及减少了时间开销。

【技术实现步骤摘要】
一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法及组件


[0001]本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法及组件。

技术介绍

[0002]在第六代移动通信(6G)中，利用通信信号进行定位是ISAC(Integrated sensing and communication，通信感知一体化)的一项重要需求。定位任务通常可以被分为两大类：一类是合作式通信用户定位，如定位移动电话等；另一类是非合作目标定位，如定位移动的车辆或不处于通信状态的用户等。一旦感知获取了用户目标的位置，基站不仅可以更好地服务用户通信，而且能够支持更多的智慧场景，如智能车联网、数字孪生等。
[0003]现有的基于通信信号实现非合作目标定位的方案均假设通信信号为窄带信号，然而6G通信将采用更高的频段、更大的带宽和基于大规模MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)阵列的波束赋形技术来实现更高数据速率的通信传输。MIMO阵列主要以传统移相器为主流硬件实现波束赋形，然而，移相器为窄带器件，其生成的模拟波束成形矩阵无法随频率变化而变化，此时对于采用OFDM(Orthogonal frequency
‑
division multiplexing，正交频分复用)技术的宽带通信系统而言，无法克服宽带效应所带来的波束部分偏移现象，即来自不同频率子载波的波束会向不同的方向分散，使一些子载波的波束方向偏离预先期望的角度指向。波束部分偏移现象将对波束赋形技术产生较明显的影响，从而影响目标感知的准确性。
[0004]并且，在传统的波束扫描方案中，通常使用时分复用的方式对空间方向进行扫描，即一个时刻系统只发射一个方向的波束，下一个时刻发射另一个方向的波束，通过一段时间的连续发射波束，实现对空间方向部分范围的覆盖，从而感知该范围内的目标用户。这种时分复用方案的时间开销过大是最严重的问题，在对时间要求较为严苛的应用场景下，这种方案弊端更加明显。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法及组件，用以解决现有技术中不能解决宽带通信系统中波束偏移影响下的目标定位问题的缺陷，以及基于传统波束扫描的目标定位方案需要大额时间开销的缺陷，实现在较小的时间开销下，对宽带通信系统中波束偏移影响下的非合作目标快速定位的目的。
[0006]本专利技术提供一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，应用于MIMO—OFDM基站，所述MIMO—OFDM基站包括射频链、N个真时延线单元、N个移相器和N个天线单元；所述射频链的输出端分别与N个所述真时延线单元的输入端连接，N个所述真时延线单元的输出端分别一一对应与N个所述移相器的输入端连接，N个所述移相器的输出端分别一一对应与N个所述天线单元的输入端连接，N为不小于2的正整数；所述高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法包括：基于所述基站所需感知空间对N个所述移相器的相位和N个所述真时延
线单元的时延值进行设置，以使所述基站发射的所有子载波波束按照预定的波束偏移方式覆盖所述感知空间；确定目标回波信号的功率频谱中的峰值功率子载波的频率，并根据所述峰值功率子载波的频率确定所述目标的角度估计值；确定根据所述峰值功率子载波附近的旁瓣功率子载波的相位差异，并根据所述旁瓣功率子载波的相位差异确定所述目标的距离估计值；根据所述角度估计值和所述距离估计值确定所述目标的位置。
[0007]根据本专利技术提供的一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，所述基于所述基站所需感知空间对N个所述移相器的相位和N个所述真时延线单元的时延值进行设置，以使所述基站发射的所有子载波波束按照预定的波束偏移方式覆盖所述感知空间，包括：确定所述基站的波扫初始角度，并基于所述波扫初始角度确定N个所述移相器的相位；所述波扫初始角度与所述感知空间的最大角度重合；确定所述基站的波扫终止角度，并基于所述波扫终止角度确定N个所述真时延线单元的时延值；所述终止角度与所述感知空间最小角度重合；基于所述相位和所述时延值分别设置N个所述移相器和N个所述真时延线单元，以使所述基站发射的所有子载波波束按照从所述波扫初始角度到所述波扫终止角度的波束偏移方式覆盖所述感知空间。
[0008]根据本专利技术提供的一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，所述根据所述峰值功率子载波的频率确定所述目标的角度估计值，包括：根据所述峰值功率子载波的频率采用第一预设公式确定所述目标的角度估计值；所述第一预设公式为：
[0009][0010]其中，为第k
*
个目标的角度估计结果，W为系统传输带宽；为第k
*
个目标对应的峰值功率子载波的基带频率；为第k
*
个目标对应的峰值功率子载波的通带频率；f0为OFDM信号的最低子载波频率；θ
start
为所述感知空间的最大角度；θ
end
为所述感知空间的最小角度。
[0011]根据本专利技术提供的一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，所述根据所述旁瓣功率子载波的相位差异确定所述目标的距离估计值，包括：根据所述旁瓣功率子载波的相位差异采用第二预设公式确定所述目标的距离估计值；所述第二预设公式为：
[0012][0013]其中，为第k
*
个目标的距离估计结果；第k
*
个目标对应的旁瓣功率子载波共有个；为第k
*
个目标对应的第个旁瓣功率子载波的通带频率；r为一维距离搜索变量；c为光速；为基站使用内置检测器检测出的子载波的相位测量值；j为复数单位；arg max(
·
)为寻求使得目标函数达到最大值的期望参数的函数。
[0014]根据本专利技术提供的一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，所述确定目
标回波信号的功率频谱中的峰值功率子载波的频率，并根据所述峰值功率子载波的频率确定所述目标的角度估计值之前，还包括：在波扫次数不大于P次时，执行基于所述基站所需感知空间对N个所述移相器的相位和N个所述真时延线单元的时延值进行设置的步骤，P为不小于2正整数，每次所述波束偏移的角度范围不同；确定P次波扫中所述目标的P个角度估计值，并根据P个所述角度估计值确定所述目标的高精度角度估计值；确定P次波扫中所述目标的P个峰值功率子载波的相位差异，并根据P个所述峰值功率子载波的相位差异确定所述目标的高精度距离估计值；根据所述目标的高精度角度估计值和所述目标的高精度距离估计值确定所述目标的高精度位置。
[0015]根据本专利技术提供的一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，所述根据P个所述峰值功率子载波的相位差异确定所述目标的高精度距离估计值，包括：根据P个所述峰值功率子载波的相位差异第三预设公式确定所述目标的高精度距离估计值；所述第三预设公式为：
[0016][0017]其中，为第k
*
个目标的高精度距离估计结果；P为高精度定位方案中的波扫次数；为第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，其特征在于，应用于MIMO—OFDM基站，所述MIMO—OFDM基站包括射频链、N个真时延线单元、N个移相器和N个天线单元；所述射频链的输出端分别与N个所述真时延线单元的输入端连接，N个所述真时延线单元的输出端分别一一对应与N个所述移相器的输入端连接，N个所述移相器的输出端分别一一对应与N个所述天线单元的输入端连接，N为不小于2的正整数；所述高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法包括：基于所述基站所需感知空间对N个所述移相器的相位和N个所述真时延线单元的时延值进行设置，以使所述基站发射的所有子载波波束按照预定的波束偏移方式覆盖所述感知空间；确定目标回波信号的功率频谱中的峰值功率子载波的频率，并根据所述峰值功率子载波的频率确定所述目标的角度估计值；确定根据所述峰值功率子载波附近的旁瓣功率子载波的相位差异，并根据所述旁瓣功率子载波的相位差异确定所述目标的距离估计值；根据所述角度估计值和所述距离估计值确定所述目标的位置。2.根据权利要求1所述的高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，其特征在于，所述基于所述基站所需感知空间对N个所述移相器的相位和N个所述真时延线单元的时延值进行设置，以使所述基站发射的所有子载波波束按照预定的波束偏移方式覆盖所述感知空间，包括：确定所述基站的波扫初始角度，并基于所述波扫初始角度确定N个所述移相器的相位；所述波扫初始角度与所述感知空间的最大角度重合；确定所述基站的波扫终止角度，并基于所述波扫终止角度确定N个所述真时延线单元的时延值；所述终止角度与所述感知空间最小角度重合；基于所述相位和所述时延值分别设置N个所述移相器和N个所述真时延线单元，以使所述基站发射的所有子载波波束按照从所述波扫初始角度到所述波扫终止角度的波束偏移方式覆盖所述感知空间。3.根据权利要求1所述的高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，其特征在于，所述根据所述峰值功率子载波的频率确定所述目标的角度估计值，包括：根据所述峰值功率子载波的频率采用第一预设公式确定所述目标的角度估计值；所述第一预设公式为：其中，为第k
*
个目标的角度估计结果，W为系统传输带宽；为第k
*
个目标对应的峰值功率子载波的基带频率；为第k
*
个目标对应的峰值功率子载波的通带频率；f0为OFDM信号的最低子载波频率；θ
start
为所述感知空间的最大角度；θ
end
为所述感知空间的最小角度。4.根据权利要求1所述的高效的基于波束偏移的通信感知一体化方法，其特征在于，所述根据所述旁瓣功率子载波的相位差异确定所述目标的距离估计值，包括：
根据所述旁瓣功率子载波的相位差异采用第二预设公式确定所述目标的距离估计值；所述第二预设公式为：其中，为第k
*
个目标的距离估计结果；第k
*
个目标对应的旁瓣功率子载波共有个；为第k
*
个目标对应的第个旁瓣功率子载波的通带频率；r为一维距离搜索变量；c为光速；为基站使用内置检测器检测出的子载波的相位测量值；j为复数单位；arg max(
·
)为寻求使得目标函数达到最大值的期望参数的函数。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：