路侧单元通感一体化系统及混合波束成形方法技术方案

本申请属于无线通信技术领域，公开了一种路侧单元通感一体化系统及混合波束成形方法，该方法中将路侧单元通感一体化系统(RSU

【技术实现步骤摘要】
路侧单元通感一体化系统及混合波束成形方法


[0001]本申请属于无线通信
，具体地涉及一种面向车联网的毫米波的通感一体化系统及混合波束成形方法。

技术介绍

[0002]车联网是未来智能交通系统的重要组成部分，比如基于蜂窝车联网技术(Cellular Vehicle to Everything，C
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V2X)。C
‑
V2X技术通过构建车路协同感知、通信和信息交互，以解决车与车、车与路之间的高可靠、低时延通信和高精度感知等难题。车辆配备了通信收发器和各种传感器，目的是同时提取环境信息，并与路侧单元、其他车辆甚至行人交换信息。通感一体化(Integrated Sensing and Communications，ISAC)辅助的V2X网络可以将通信和感知功能集成到同一个信令框架下的硬件平台上，从而提高系统的频谱和硬件效率，获得集成增益，助力C
‑
V2X技术的发展。
[0003]毫米波(mmWave)具有30
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300GHz的大带宽，可同时为系统提供Gbit/s的高容量通信和厘米级的高精度感知服务,为了进一步提高ISAC辅助的车联网系统的性能，如文献【P.Kumari,J.Choi,N.Gonz
á
lez
‑
Prelcic and R.W.Heath,"IEEE 802.11ad
‑
Based Radar:An Approach to Joint Vehicular Communication
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Radar System,"in IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.67,no.4,pp.3012
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3027,April 2018】中揭示一种方案，其利用频段为60GHz的IEEE 802.11ad波形的特殊帧结构(重复Golay互补序列构成的前导码和导频)，分别设计单帧和多帧感知算法用于单目标和多目标车辆探测以及距离和速度估计，同时完成车与车之间的通信任务。然而上述设计采用的是模拟波束成形技术，基带处只发射一个数据流，只局限于一个车辆用户通信。
[0004]考虑到毫米波存在严重的路径损耗和降雨衰减，因此需要大规模多输入多输出(mMIMO)技术来提供高增益定向波束，以弥补毫米波通信的不足。若采用每根天线配备单独射频链路的全数字波束形成器，会导致高昂的硬件成本和功耗。为了平衡系统性能和成本，在毫米波MIMO通信中已提出了混合波束形成技术。又如文献【X.Wang,Z.Fei,J.A.Zhang and J.Xu,"Partially
‑
Connected Hybrid Beamforming Design for Integrated Sensing andCommunication Systems,"in IEEE Transactions on Communications,vol.70,no.10,pp.6648
‑
6660,Oct.2022】中提出一种基于混合波束成形结构的毫米波通感一体化系统的方案，该方案在满足多个通信用户信干噪比的条件下，最小化感知目标到达角估计的克拉美罗界(Cram
é
r
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Rao bound，CRB)，但其中采用的是部分连接混合波束形成设计，使其系统的性能增益达不到最佳，并且只对一个目标进行感知，不满足车联网中多用户、多目标的通感融合要求。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提出一种通感(通信感知)一体化系统及混合波束成形方法，该方法用于解决车联网中车路(V2I)场景下的高速率通信和高精度感知定位的通感融合问
题。
[0006]为实现上述的问题，本申请采用如下的方案：
[0007]一种路侧单元通感一体化系统(RSU
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ISAC)，用于车联网，包括：数字波束成形器、射频链路(RF Chain)、模拟波束形成器、发射天线阵列、接收天线阵列、匹配滤波器及感知信号处理器，所述射频链路电性连接所述数字波束成形器及所述模拟波束形成器，所述模拟波束形成器电性连接所述发射天线阵列，所述发射天线阵列用于发射信号，所述接收天线阵列用于接收响应所述发射信号的回波信号，所述匹配滤波器接收并响应所述回波信号经匹配滤波器滤波后传输至所述感知信号处理器，所述感知信号处理器基于接收的滤波后的信号经运算得到车辆信息，所述车辆信息包括车辆角度、时延参数或距离参数中的至少一种。
[0008]构建通信感知一体化信号的发射信号模型并通过该路侧单元通感一体化系统向下行多用户及多车辆目标发送，多车辆目标返回的回波信号经接收天线阵列接收回传至匹配滤波器，匹配滤波器将匹配滤波后的信号传输至感知信号处理器，感知信号处理器输出车辆角度、时延参数、距离参数；根据多用户中每个通信用户的接收信号模型推导通信用户的容量表达式；路侧单元通感一体化系统根据通信用户信道的强度分配加权因子，将所有通信用户的加权和速率作为通信性能指标；通过回波信号推导车辆角度、时延参数的Fisher信息量，得到车辆角度、时延参数估计的CRB；将多车辆的角度估计CRB作为路侧单元通感一体化系统的感知性能指标，在满足其约束下设计数字波束形成器和模拟波束成形器；设置优化问题为：在多车辆角度估计的CRB、系统总功率预算和模拟波束成形器的单模约束下优化数字波束形成器和模拟波束成形器以最大化多用户加权和速率；采用BCD算法对所述优化问题进行求解：先将最大化多用户加权和速率问题利用加权最小均方误差算法等价转化为最小化问题，设计精确罚函数下的黎曼共轭梯度算法优化求解模拟波束成形矩阵，再采用逐次凸逼近算法优化数字波束成形矩阵，通过交替优化上述模拟波束成形矩阵及数字波束成形矩阵，直到BCD算法收敛。
[0009]优选的，该数字波束成形器位于基带处。
[0010]优选的，该路侧单元通感一体化系统，在所述发射天线阵列处形成发射的通感一体化信号，所述通感一体化信号经所述发射天线阵列向下行多用户及多车辆目标发送。
[0011]本申请实施例提出一种利用上述路侧单元通感一体化系统的混合波束成形方法，所述方法包括如下步骤：
[0012]步骤S1：构建发射信号模型，并向下行多用户及多车辆目标发送；
[0013]步骤S2：构建毫米波通信信道模型，根据多用户中每个通信用户的接收信号模型推导通信用户的容量表达式；路侧单元通感一体化系统根据通信用户信道的强度分配加权因子，将所有通信用户的加权和速率作为通信性能指标；
[0014]步骤S3：感知信号处理器基于接收的车辆目标响应的回波信号并利用感知目标回波模型，经运算得到车辆角度、时延参数估计的CRB，将多车辆的角度估计CRB作为路侧单元通感一体化系统的感知性能指标，在满足其约束下设计数字波束形成器和模拟波束成形器；步骤S4：基于所述的路侧单元通感一体化系统、通信性能指标和感知性能指标，对优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种路侧单元通感一体化系统，用于车联网，其特征在于，包括：数字波束成形器、射频链路、模拟波束形成器、发射天线阵列、接收天线阵列、匹配滤波器及感知信号处理器，所述射频链路电性连接所述数字波束成形器及所述模拟波束形成器，所述模拟波束形成器电性连接所述发射天线阵列,所述发射天线阵列用于发射信号，所述接收天线阵列用于接收响应所述发射信号的回波信号，所述匹配滤波器接收并响应所述回波信号经匹配滤波器滤波后传输至所述感知信号处理器，所述感知信号处理器基于接收的滤波后的信号经运算得到车辆信息，所述车辆信息包括车辆角度、时延参数或距离参数中的至少一种。2.如权利要求1所述的路侧单元通感一体化系统，其特征在于，所述数字波束成形器位于基带处。3.如权利要求1所述的路侧单元通感一体化系统，其特征在于，在所述发射天线阵列处形成发射的通感一体化信号，所述通感一体化信号经所述发射天线阵列向下行多用户及多车辆目标发送。4.一种利用权利要求1
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3中任一项所述的路侧单元通感一体化系统的混合波束成形方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：构建发射信号模型，并通过路侧单元通感一体化系统向下行多用户及多车辆目标发送；步骤S2：构建毫米波通信信道模型，根据多用户中每个通信用户的接收信号模型推导通信用户的容量表达式；路侧单元通感一体化系统根据通信用户信道的强度分配加权因子，将所有通信用户的加权和速率作为通信性能指标；步骤S3：感知信号处理器基于接收的车辆目标响应的回波信号并利用感知目标回波模型，经运算得到车辆角度、时延参数估计的CRB，将多车辆的角度估计CRB作为路侧单元通感一体化系统的感知性能指标，在满足其约束下设计数字波束形成器和模拟波束成形器；步骤S4：基于所述的路侧单元通感一体化系统、通信性能指标和感知性能指标，对优化问题进行建模；所述的优化问题是：在多车辆角度估计的CRB、系统总功率预算和模拟波束成形器的单模约束下优化数字波束形成器和模拟波束成形器以最大化多用户加权和速率；步骤S5：采用BCD算法求解所述优化问题。5.如权利要求4所述的混合波束成形方法，其特征在于，所述步骤S1中包括：通信符号通过数字波束成形器进行预编码处理，再依次经过射频链路的上变频处理及模拟波束成形器的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚俊，程文驰，陈方园，王江舟，陈小忠，陈高波，
申请(专利权)人：浙江金乙昌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：