毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法技术方案

本发明专利技术公开了一种毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法。该方法在满足通信用户接收信干噪比要求和总发射功率约束下，以最小化待设计的发射波束的波束图样与给定的雷达波束图样的差距为目标，通过交替最小化方法，优化设计了发射波束，得到了无硬件约束的波束成形矩阵；在此基础上，进一步考虑相控阵的硬件约束，优化设计了毫米波通信感知一体化系统的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵。系统的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵。系统的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵。

【技术实现步骤摘要】
毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法


[0001]本专利技术属于毫米波无线通信领域，尤其涉及一种毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法。

技术介绍

[0002]作为下一代无线通信的候选技术，通信感知一体化(Integrated Sensing and Communications，ISAC)正在吸引学术界、工业界和政府部门的广泛关注和兴趣。ISAC能够充分共享空间、时间、频率和功率资源，减少无线通信和雷达感知的硬件和软件复杂度。目前ISAC系统的研究工作主要分为以通信为中心的设计、以感知为中心的设计和通信感知联合设计。而另一方面，稀缺的频谱资源促使大家对更高频段的毫米波频谱进行开发与利用。一般来说，毫米波大规模MIMO系统使用相控阵形成具有高度指向性的通信波束来减少高频传输的路径损耗，这与雷达系统有一个共同特点——都使用相控阵。
[0003]MIMO ISAC面临的一个挑战是波束成形设计，文献[1]将天线阵列分为通信阵列和感知阵列，两者相互独立，通过优化模拟波束成形，尽可能减少了两个阵列之间的相互干扰，相比于传统的半正定规划方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设计毫米波通信感知一体化系统模型；步骤2、设计毫米波通信的信道模型；步骤3、设计毫米波通信的信号传输模型；步骤4、基于所述系统模型、信道模型和信号传输模型进行优化问题建模；步骤5、通过求解所建模的优化问题来设计发射波束，得到无硬件约束的波束成形矩阵；步骤6、基于所述无硬件约束的波束成形矩阵设计满足硬件约束的模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵。2.根据权利要求1所述的毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法，其特征在于，步骤1中的系统模型如下：雷达通信双功能基站部署了N
BS
根天线用于服务N
c
个单天线的通信用户，天线部署为一个均匀线阵，相邻天线间距为半波长，基站射频链路数目为N
RF
，其中N
c
条射频链路用于形成N
c
个通信波束，N
t
条射频链路用于形成雷达感知波束，即N
RF
＝N
t
+N
c
。3.根据权利要求2所述的毫米波通感一体化系统中的发射波束成形方法，其特征在于，步骤2中，设计毫米波通信中的信道模型：第n个通信用户和基站间的信道表示为：其中，L
n
代表无线传输的路径数目，g
l
代表第l条路径的增益，代表第l条路径的出发角，H是共轭转置运算，表示信道导向矢量，定义为：它是N
BS
和的函数，l＝1，2，...，L
n
。4.根据权利要求3所述的毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法，其特征在于，步骤3中，设计毫米波通信的信号传输模型：y＝HF
RF
F
BB
x+η其中，代表基站的模拟波束成形矩阵，代表基站的数字波束成形矩阵，F
BB
每一元素的模值、幅度均可变，而F
RF
的每个元素模恒为1；代表根据步骤2中h
n
的定义新定义了一个联合信道矩阵，代表发送信号构成的向量，代表发送的通信信号，则代表发送的雷达信号，且满足则代表发送的雷达信号，且满足
表示维度为N
RF
的单位矩阵；代表接收端的高斯白噪声，其每一个元素独立且服从复高斯分布5.根据权利要求4所述的毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法，其特征在于，步骤3中，定义矩阵F＝F
RF
F
BB
，并定义F的第i列为f
i
，i＝1，2，...，N
RF
，则基站的发射波束为6.根据权利要求5所述的毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法，其特征在于，步骤4中基于所述系统模型、信道模型和信号传输模型，建模优化问题如下：于，步骤4中基于所述系统模型、信道模型和信号传输模型，建模优化问题如下：γ
n
≥Γ
n
，n＝1，2，...，N
c
其中，‖
·
‖2代表向量的2范数，约束条件中，代表第n个通信用户的实际接收信干噪比，Γ
n
代表预设的用户信干噪比门限，P
T
代表基站的总发射功率；根据预设的M个空间采样点φ1、φ2…
φ
M
形成空间导向矢量矩阵Φ＝[α(N
BS
，φ1)，α(N
BS
，φ2)，...，α(N
BS
，φ
M
)]
T
，其中
‑
1≤φ1＜φ2＜
…
＜φ
M
≤1；代表给定的雷达波束图样；D是一个预设的M维非负对角阵，D的第i个对角元代表在采样点φ
i
上待设计的发射波束形成的图样与给定的雷达波束图样b逼近程度的权值，该优化问题通过调整在基站总发射功率约束和通信用户信干噪比约束下，使发射波束形成的图样与给定的雷达波束图样b逼近。7.根据权利要求6所述的毫米波通信感知一体化系统的发射波束成形方法，其特征在于，步骤5中求解所述优化问题方法如下：步骤5.1、引入相位向量提高所述优化问题求解的自由度，p中的元素满足：|p
i
|＝1，i＝1，2，...，M；定义M维对角阵A＝diag{b}，即A的第i个对角元等于b的第i个元素，i＝1，2，...，M；将所述优化问题改写为：
γ

【专利技术属性】
技术研发人员：戚晨皓，尤肖虎，慈玮，张津铭，张陈诚，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：