一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，根据基站、用户和指定感知区域的位置关系划分非均匀像素网格，基于多天线多载波的毫米波信道模型，将基于非均匀像素的环境感知问题转换为压缩感知重构问题，随后提出了一种近似消息传递算法实现了在非均匀像素网格基础上的遮挡检测和环境目标成像。相比现有的环境感知重构算法，本发明专利技术的方法基于一种非均匀像素网格实现了在遮挡效应下精确的环境感知，节约了系统计算开销，为未来感知通信一体化系统设计提供了一种高效的环境感知方法，研究了在上行链路无线通信场景中采用一种考虑了遮挡效应的像素划分方案，实现了感知通信一体化系统的设计。实现了感知通信一体化系统的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法及装置。

技术介绍

[0002]在第六代(6G)无线网络中，自动驾驶和无人机导航等新兴技术不仅需要广泛的无线通信服务，还需要环境中目标物体的成像结果。因此感知与通信一体化(ISAC)技术逐渐成为6G无线通信系统的关键技术，旨在利用无线通信设备和基础设备实现环境感知成像。同时，毫米波(mmWave)以其高带宽、高可靠性、高集成度等特点，具有强大的成像潜力。
[0003]在上行链路无线通信场景中，用户发送通信信号至基站接收，发送的信号被环境中的物体反射、散射，从而使得基站的接收信号中蕴含着环境信息。复杂的环境给ISAC系统带来了巨大的挑战。环境中每一个未知目标的位置、运动方向、电磁特性等，使我们面临着海量的未知信息。为了应对这一挑战，可以采用压缩感知理论来有效地减少未知变量维度。通过充分利用环境中物体的潜在稀疏性，环境感知问题可以转化为压缩感知稀疏像素重建问题。然而稀疏像素的离散化方法以及像素离散化引起的天线位置误差仍有待讨论。同时环境中物体复杂的位置关系会造成遮挡效应，即距离较近的物体会遮挡电磁波的传播，使天线无法接收到较远物体的信号。对于单个收发器，遮挡效应会导致伪影并干扰传感结果。此外在多收发器场景下，遮挡效应导致的多视角问题也需要研究。目前，现有的毫米波通信与感知一体化方法没有针对以上问题进行像素分割设计。针对上述困难，我们提出了一种非均匀像素离散化方法和相应的重构算法来实现ISAC系统的设计。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，本专利技术利用现有通信系统的导频信号或其它已知数据序列来进行感知，可与现有通信系统兼容，实现感知通信一体化，考虑到了收发机和环境中目标物体之间的遮挡关系，实现了在上行链路无线通信场景中，基站利用多个用户发送的上行数据实现环境感知的目的。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]提出一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，包括以下步骤：
[0007]根据基站、用户和指定感知区域的位置关系划分非均匀像素网格；
[0008]在任意时隙中，利用基站接收波束扫描接收环境中的用户发送的一定长度的导频序列信号；
[0009]基于所述非均匀像素网格，构建多波束多载波毫米波信道模型；
[0010]使用所述多波束多载波毫米波信道模型将所述基站接收的导频序列信号中基于非均匀像素的环境感知问题转换为压缩感知重构问题；
[0011]基于近似消息传递方法求解所述压缩感知重构问题，得到环境感知结果。
[0012]进一步地，“根据基站、用户和指定感知区域的位置关系划分非均匀像素网格”具体包括以下步骤：
[0013]根据基站和用户之间的位置关系和波束扫描方向来计算非均匀像素网格的几何参数；
[0014]根据划分的非均匀像素网格，定义散射系数代表待感知的环境信息。
[0015]进一步地，“基于所述非均匀像素网格，构建多波束多载波毫米波信道模型”具体包括以下步骤：
[0016]当发射和接收波束扫描角分别为和时，基站接收信号可以表示为，
[0017][0018]其中和是分别是发送和接收射频链路波束成形矢量；是用户在第n
f
个子载波上的发送序列，K是序列长度，n表示噪声，x是非均匀网格对应的代表待感知的环境信息；
[0019]上述步骤中的传播增益表示如下：对于第n
f
个子载波，多径传播增益主要由两部分组成，分别是从用户发射天线到环境像素网格自由空间传播增益和从环境像素网格到基站接收天线的自由空间传播增益两种传播增益表示为：
[0020][0021][0022]其中，是接收天线到N
s
个像素的导向矩阵，其第n
s
列可以表示为
[0023][0024]其中是从第n
s
个像素到基站的到达角(AOA)，d为天线间距，为子载波波长；
[0025]是N
s
个像素到发送天线导向矩阵，其第n
s
行可以表示为
[0026][0027]其中是从用户到第n
s
个像素的出发角；是从N
s
个像素到基站的自由空间传播增益；
[0028][0029]其中，和分别为第n
s
个像素至基站之间的信道幅度增益和相移；
[0030]是用户到N
s
个像素的自由空间传播增益：
[0031][0032]其中，和分别为用户到第n
s
个像素之间的信道幅度增益和相移。
[0033]进一步地，“使用所述多波束多载波毫米波信道模型将所述基站接收的导频序列信号中基于非均匀像素的环境感知问题转换为压缩感知重构问题”具体包括以下步骤：
[0034]当第n
f
个子载波上的发射波束和接收波束的方向确定后，根据发射序列和接收到的序列利用现有的信道估计方法得到估计的传播增益具体公式如下：
[0035][0036]通过联合处理来自多个收发波束和多个子载波的数据，将压缩感知重建方程表示如下：
[0037]随着连续波束扫描，用户和基站之间的通信数据增加，测量矩阵维数A逐渐增长，压缩感知问题的压缩比降低，从而提高了重建精度，因此，基于环境散射体信息的稀疏性，将环境感知问题转化为压缩感知重构优化问题：
[0038][0039]进一步地，“基于近似消息传递方法求解所述压缩感知重构问题，得到环境感知结果”具体包括以下步骤：
[0040]步骤(a)，设置环境感知先验概率，令环境信息分布概率密度函数表示为
[0041][0042]其中f(
·
)是归一化函数；
[0043]步骤(b)，近似消息传递算法参数初始化，令输入函数g
in
(
·
)，g
′
in
(
·
)和输出函数g
out
(
·
)，g
′
out
(
·
)分别如下：
[0044][0045][0046][0047][0048][0049]令迭代次数t
G
＝0，残差稀疏向量估计均值稀疏向量估计方差
[0050]步骤(c)，令M＝N
c
N
f
K，对于m＝1,2,...,M，计算z
m
的估计的均值和方差
[0051][0052][0053][0054]步骤(d)，对于m＝1,2,...,M，计算残差的均值和方差
[0055][0056][0057]步骤(e)，对于n
s
＝1,2,...,N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，其特征在于，包括以下步骤：根据基站、用户和指定感知区域的位置关系划分非均匀像素网格；在任意时隙中，利用基站接收波束扫描接收环境中的用户发送的一定长度的导频序列信号；基于所述非均匀像素网格，构建多波束多载波毫米波信道模型；使用所述多波束多载波毫米波信道模型将所述基站接收的导频序列信号中基于非均匀像素的环境感知问题转换为压缩感知重构问题；基于近似消息传递方法求解所述压缩感知重构问题，得到环境感知结果。2.根据权利要求1所述的基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，其特征在于，所述根据基站、用户和指定感知区域的位置关系划分非均匀像素网格，具体包括以下步骤：根据基站和用户之间的位置关系和波束扫描方向来计算非均匀像素网格的几何参数；根据划分的非均匀像素网格，定义散射系数代表待感知的环境信息。3.根据权利要求1所述的基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，其特征在于，所述基于所述非均匀像素网格，构建多波束多载波毫米波信道模型，具体包括以下步骤：当发射和接收波束扫描角分别为和时，基站接收信号可以表示为，其中和是分别是发送和接收射频链路波束成形矢量；是用户在第n
f
个子载波上的发送序列，K是序列长度，n表示噪声，X是非均匀网格对应的代表待感知的环境信息；上述步骤中的传播增益表示如下：对于第n
f
个子载波，多径传播增益主要由两部分组成，分别是从用户发射天线到环境像素网格自由空间传播增益和从环境像素网格到基站接收天线的自由空间传播增益两种传播增益表示为：两种传播增益表示为：其中，是接收天线到N
s
个像素的导向矩阵，其第n
s
列可以表示为
其中是从第n
s
个像素到基站的到达角(AOA)，d为天线间距，为子载波波长；是N
s
个像素到发送天线导向矩阵，其第n
s
行可以表示为其中是从用户到第n
s
个像素的出发角；是从N
s
个像素到基站的自由空间传播增益；其中，和分别为第n
s
个像素至基站之间的信道幅度增益和相移；是用户到N
s
个像素的自由空间传播增益：
其中，和分别为用户到第n
s
个像素之间的信道幅度增益和相移。4.根据权利要求3所述的基于非均匀像素的毫米波一体化通信与感知方法，其特征在于，所述使用所述多波束多载波毫米波信道模型将所述基站接...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳，童欣，杨照辉，刘明，邓志吉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：