近场区域内成像与通信优化方法技术

技术编号：42870800 阅读：1 留言：0更新日期：2024-09-27 17:31

本发明专利技术公开了一种近场区域内成像与通信优化方法。所述方法，包括如下步骤：S1.在基站发射端的近场区域内集成无线通信和成像系统模型；S2.通过分析发射波束成形的协方差矩阵与用户通信和成像性能的关系，得出用户需满足的通信速率约束；S3.在给定LOS信道条件下，得出成像物体发射系数的估计值；S4.在发射总功率约束下，构建近场区域内的集成无线通信和成像系统模型的整体优化问题；S5.将S4中整体优化问题的信道条件数进行转化，求解最优波束成形对应的协方差矩阵。本发明专利技术引入MIMO系统信道条件数，将其转化为合信道矩阵求迹，通过设计发射波束成形的协方差矩阵，在保证通信用户速率的同时使成像性更佳。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成通信与感知，更具体地说，涉及一种近场区域内成像与通信优化方法。

技术介绍

1、第五代移动通信系统(5g)通过在发射机或接收机部署用于多输入多输出(mimo)的大规模天线阵列，大大拓宽了我们的视野，以牺牲空间资源为代价提高了可靠性和效率。这种方法大大提高了频谱利用率和信道容量。为了进一步探索光谱效率的提高，许多研究人员将注意力转向了毫米波和太赫兹波段。然而，先前将球面波传播近似为平面波传播的假设在这些波段不再成立。具体地，在高频大规模mimo通信系统中，由于天线阵列变大，其瑞利距离显著提高，接收器可能在瑞利距离内，即近场区域内。因此，研究近场变得非常重要。在最近提出的下一代网络，即6g系统中，通过集成和协同定位、传感和通信，引入集成传感和通信(isac)的概念，为研究人员提供了新的思路。这些技术依赖在高频带和大规模天线阵列上实现前所未有的性能增强，揭示了全息通信、定位、传感和成像的前景。

2、在这种背景下，对近场的研究集中在定位、通信和传感上，然而成像的潜在优势在很大程度上仍未被探索。这项工作旨在将近场和成像相结合，进一步研究它们在6g通信场景中的潜在应用。例如，由于通信用户和用于成像的雷达信号共用一个频谱资源，当优先满足成像功能时，势必会导致通信性能的下降。而在近场区域内，波束对齐从而能量更为集中，可以减少路径损耗并提高传输效率，一定程度上给予我们实现通信成像一体化以及对两者性能找出一种均衡的可能。

3、因此，近场区域内的通信成像一体化是一个有前景的方向，但现有文献中很少研究这一方向。</p>

4、因此，亟需一种新的近场区域内成像与通信优化方法。

技术实现思路

1、本专利技术提出了一种近场区域内成像与通信优化方法，在通信传感一体化的基础上引入了成像与通信作结合的部分。其中通信用户及成像物体都处于发射天线阵列的近场区域内。引入mimo系统信道条件数，将其转化为合信道矩阵求迹，通过合理地设计发射波束成形的协方差矩阵，在保证通信用户速率达到一定条件的前提下，使成像性能尽可能的好。

2、为了解决上述技术问题至少之一，根据本专利技术的一方面，提供了一种近场区域内成像与通信优化方法，包括如下步骤：

3、s1.构建mimo天线阵列发射端近场区域内的集成无线通信和成像系统模型，给出发送端发射信号，以及各个信道的函数表达式；

4、s2.通过分析发射波束成形的协方差矩阵与用户通信和成像性能的关系，得出用户需满足的通信速率约束；

5、s3.在给定los信道条件下，采用最小二乘法得出成像物体发射系数的估计；

6、s4.在发射总功率约束下，从mimo系统的信道条件数角度考虑构建近场区域内的集成无线通信和成像系统的整体优化问题；

7、s5.将s4中整体优化问题的信道条件数转化为约束半定规划问题，采用半正定松弛法来求解最优波束成形对应的协方差矩阵。

8、进一步的，s1中，发射端为有n个元件的均匀线性阵列，均匀线性阵列通过发射雷达信号来感知周围的目标，发射信号经过在三维空间上划分为k个网格点的成像物体反射，到达有m个接收天线阵列的接收端，同时在发射端还有p个通信用户进行通信；基站的发射信号为：其中表示用于成像和通信的波束形成矢量，sn是独立且不相关的雷达发射符号，满足定义发射端发射信号的协方差矩阵为：

9、可以看作是通信用户协方差与成像协方差两部分之和，其中rn,n＝pmax/n，表示第n个天线元件发射信号的最大功率，pmax是的最大发射功率；定义发射端与成像物体之间的信道，发射端与第p个用户之间的通信信道，成像物体与接收端之间的信道分别为定义成像物体反射系数对角阵为∑＝diag(γ)＝diag(γ1,…,γk)，γk为第k个网格点的反射系数；所以接收天线阵列接收到的信号为y＝gσhhx+n,n为加性高斯白噪声；用户接收到的信号为其中np表示第p个用户通信信道的加性高斯白噪声。

10、进一步的，s2中，将用户通信速率定义为其中tr(*)为求矩阵迹；约束为rc≥σ,sinr≥σ'。

11、进一步的，s3中，对y向量化，进行矩阵变换得到vec(n)于是使用最小二乘法得到成像物体反射系数的估计为其中表示求f的伪逆。

12、进一步的，s4中，整体的优化问题描述为：

13、

14、

15、

16、rc≥σ，

17、r≥0.

18、其中⊙为khatri-rao乘积。

19、进一步的，s5中，考虑将条件数缩放为求信道迹，即

20、而其中htot为发射端到成像物体与成像物体到接收端间的合信道，其可以表示为htot＝(hx)t⊙g；此时，定义并将功率约束改写为：tr(rcp+ri)≤pt，rank(rcp),rank(ri)＝1，优化问题转化为：

21、

22、

23、tr(rcp+ri)≤pt，

24、rc≥σ，

25、rank(rcp),rank(ri)＝1，

26、r≥0.

27、对于秩一约束，采用半定松弛方法将其去除，并引入惩罚因子，使用cvx工具迭代求解。

28、根据本专利技术的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本专利技术的近场区域内成像与通信优化方法中的步骤。

29、根据本专利技术的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本专利技术的近场区域内成像与通信优化方法中的步骤。

30、与现有的技术相比较，本专利技术的上述方法的有益效果为：

31、(1)本专利技术实现了近场区域内无线通信与成像的结合，满足用户通信速率同时使成像效果尽可能的好。

32、(2)解决了原有系统成像和无线通信功能无法同时满足的问题。

33、(3)由于通信用户和成像物体均处于近场环境中，实现了波束对齐，能量更为集中，也就提高了能量传输效率。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种近场区域内成像与通信优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，发射端为有N个元件的均匀线性阵列，均匀线性阵列通过发射雷达信号来感知周围的目标，发射信号经过在三维空间上划分为K个网格点的成像物体反射，到达有M个接收天线阵列的接收端，同时在发射端还有P个通信用户进行通信；基站的发射信号为：其中表示用于成像和通信的波束形成矢量，sn是独立且不相关的雷达发射符号，满足定义发射端发射信号的协方差矩阵为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S2中，将用户通信速率定义为其中Tr(*)为求矩阵迹；约束为Rc≥σ,SINR≥σ'。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，S3中，对Y向量化，进行矩阵变换得到于是使用最小二乘法得到成像物体反射系数的估计为其中为求伪逆。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，S4中，整体的优化问题描述为：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S5中，考虑将条件数缩放为求信道迹，即而其中Htot为发射端到成像物体与成像物体到接收端间的合信

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现如权利要求1～6中任一项所述的近场区域内成像与通信优化方法中的步骤。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～6中任一项所述的近场区域内成像与通信优化方法中的步骤。

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【技术特征摘要】

1.一种近场区域内成像与通信优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中，发射端为有n个元件的均匀线性阵列，均匀线性阵列通过发射雷达信号来感知周围的目标，发射信号经过在三维空间上划分为k个网格点的成像物体反射，到达有m个接收天线阵列的接收端，同时在发射端还有p个通信用户进行通信；基站的发射信号为：其中表示用于成像和通信的波束形成矢量，sn是独立且不相关的雷达发射符号，满足定义发射端发射信号的协方差矩阵为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，s2中，将用户通信速率定义为其中tr(*)为求矩阵迹；约束为rc≥σ,sinr≥σ'。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，s3中，对y向量化，进行矩阵变换得到于是使用最小二乘法得到成像物体反射系数的估计为其中为求伪逆。

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【专利技术属性】
技术研发人员：王保云，衡鸣垚，张海洋，王立尧，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：

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