本发明专利技术公开了MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，包括：S1：初始化雷达波形和通信波束成形矩阵；S2：设计通信波束成形矩阵；S3：计算并验证通信和速率是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4，如果不收敛，则返回步骤S2；S4：基于通信波束成形矩阵设计雷达波形；S5：再次计算并验证通信和速率是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵和雷达波形即为全局最优解；如果不收敛，则返回步骤S2。本发明专利技术对通信波束成形矩阵和雷达波形进行循环迭代优化，有效降低MIMO雷达与多用户MIMO通信系统共存场景中MIMO雷达对通信系统的干扰，显著提高了通信和速率。提高了通信和速率。提高了通信和速率。
【技术实现步骤摘要】
MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法
[0001]本专利技术通信感知一体化(Integrated Sensing And Communication，ISAC)
，尤其涉及MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法。
技术介绍
[0002]随着移动通信技术的发展，第五代移动通信系统(the 5th Generation mobile networks,5G)得到了广泛应用。5G网络的应用范围逐渐扩大，应用场景也进一步拓展到物联网领域，推动整个社会进入了万物互联的新时代。但随着无线通信设备数量爆炸式增长，频谱资源日益紧缺。据报道，2025年全世界将拥有7.5
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台互联设备，这对无线频谱资源带来了巨大的压力。为了缓解频谱资源日益紧张的问题，未来需要考虑通信系统与其他电子设备在同一频段下工作的可行性。目前，雷达频段被广泛认为是实现与通信频谱共存最佳的候选频段之一。但在雷达系统与通信系统共存的场景下，雷达系统的存在势必会对通信系统造成干扰，所以降低互干扰是目前研究的重点问题。
[0003]总体而言，RCSS技术包含两条研究路径：(1)雷达与通信频谱共存(Radar
‑
Communication Coexistence,RCC)；(2)雷达通信一体化(Dual
‑
Functional Radar
‑
Communication system,DFRC)。其中，第一种方法是独立的雷达与通信系统共用同一频谱，考虑如何设计消除两者的干扰。第二种方法中除了雷达与通信系统共享同一频谱外，还需共用同一硬件平台，需要考虑如何设计一体化信号处理方案来同时实现通信与雷达感知功能。针对第一种问题，目前的研究主要集中在3个方面：(1)发射波束设计。在发射端进行信号设计、波束成形和预编码等操作，降低雷达与通信间的互干扰。(2)干扰信道估计。与传统的通信系统信道估计不同，在雷达与通信频谱共存场景下，需要对干扰信道进行估计，而因为雷达的工作方式与通信系统并不相同，所以传统的信道估计方法并不适用。(3)接收抗干扰设计。在雷达与通信频谱共存场景下，接收端会收到处于同一频段的雷达和通信信号，需要对其进行分离，对干扰信号进行抑制。通信接收端可以设计解码矩阵降低雷达干扰。而目前针对雷达通信频谱共存场景的发射波束设计主要集中在单用户之间，或者多用户单天线场景，缺少多天线多用户场景的波束设计研究。
技术实现思路
[0004]针对以上问题，本专利技术提出MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法。
[0005]为实现本专利技术的目的，提供MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，
[0006]所述MIMO雷达与多用户通信共存系统包括：MIMO通信发射机、MIMO雷达发射机和MIMO通信接收机I台；
[0007]所述波束设计方法包括如下步骤：
[0008]S1：将所述MIMO雷达发射机的雷达波形初始化为线性调频波，所述线性调频波即为雷达标准波形z0，将所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵集合中的每一个矩阵V
i
,i＝1,2,...I初始化为单位矩阵E；
[0009]S2：基于初始值为单位矩阵E的通信波束成形矩阵V
i
，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
；
[0010]S3：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4；如果不收敛，将本轮中得出的通信波束成形矩阵V
i
作为新的初始值，并返回步骤S2中重新设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
；
[0011]S4：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
，设计所述MIMO雷达发射机的雷达波形z；
[0012]S5：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
和MIMO雷达发射机的雷达波形z，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵V
i
和雷达波形z即为全局最优解；如果不收敛，则将本轮中得出的通信波束成形矩阵V
i
和雷达波形z作为新的初始值，并返回步骤S2。
[0013]进一步地，所述MIMO通信发射机配备有M
t
个发射天线；所述MIMO雷达发射机配备有接收天线和发射天线各N个；所述MIMO通信接收机每台配备有M
r
个接收天线；
[0014]所述MIMO通信发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道矩阵表示为所述信道矩阵H
i
中的每个元素服从均值为0、方差为1的复高斯分布；所述MIMO雷达发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道建模为：
[0015][0016]其中，i＝1,2,...I，p＝1,2,...P，β
i
(p)表示第i个通信接收机处第p条路径的衰落系数，且满足表示均值为0、方差为的复高斯分布，P表示雷达检测目标时有P条路径，和θ
p
分别表示第p条路径中的天线接收角和发射角，(
·
)
*
和(
·
)
H
分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算，和分别表示第i个MIMO通信接收机对应的接收导向矢量和发射导向矢量，定义如下：
[0017][0018]其中，(
·
)
T
表示矩阵的转置，d1表示MIMO通信接收机接收阵列的天线间距，d2表示MIMO雷达发射机发射阵列的天线间距，θ分别表示天线的接收角和发射角，λ表示光的波长，j是虚数单位。
[0019]进一步地，所述步骤S2中，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
的具体过程包括：
[0020]所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R关于通信波束成形矩阵V
k
,k＝1,2,...,I(为了后续计算描述方便，这里用下标k代替之前的下标i，即V
k
表示通信波束成形矩阵集合中的第k个矩阵)的梯度L
k
的表达式如下：
[0021][0022]其中，(
·
)
‑1表示矩阵的逆运算，(
·
)
H
表示共轭转置，H
i
表示MIMO通信发射机与第i个MIMO通信接收机之间的信道矩阵，E
C
表示通信机发射功率；
[0023]和的表达式分别为：
[0024][0025][0026]其中，n表示求和过程中的索引参数，V
n
表示通信波束成形矩阵集合中第n个矩阵，E表示单位矩阵；
[0027]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，所述MIMO雷达与多用户通信共存系统包括：MIMO通信发射机、MIMO雷达发射机和MIMO通信接收机I台；所述波束设计方法包括如下步骤：S1：将所述MIMO雷达发射机的雷达波形初始化为线性调频波，所述线性调频波即为雷达标准波形z0，将所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵集合中的每一个矩阵V
i
,i＝1,2,...I初始化为单位矩阵E；S2：基于初始值为单位矩阵E的通信波束成形矩阵V
i
，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
；S3：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4；如果不收敛，将本轮中得出的通信波束成形矩阵V
i
作为新的初始值，并返回步骤S2中重新设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
；S4：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
，设计所述MIMO雷达发射机的雷达波形z；S5：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V
i
和MIMO雷达发射机的雷达波形z，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵V
i
和雷达波形z即为全局最优解；如果不收敛，则将本轮中得出的通信波束成形矩阵V
i
和雷达波形z作为新的初始值，并返回步骤S2。2.根据权利要求1所述的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，所述MIMO通信发射机配备有M
t
个发射天线；所述MIMO雷达发射机配备有接收天线和发射天线各N个；所述MIMO通信接收机每台配备有M
r
个接收天线；所述MIMO通信发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道矩阵表示为所述信道矩阵H
i
中的每个元素服从均值为0、方差为1的复高斯分布；所述MIMO雷达发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道建模为：其中，i＝1,2,...I，p＝1,2,...P，β
i
(p)表示第i个通信接收机处第p条路径的衰落系数，且满足数，且满足表示均值为0、方差为的复高斯分布，P表示雷达检测目标时有P条路径，和θ
p
分别表示第p条路径中的天线接收角和发射角，(
·
)
*
和(
·
)
H
分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算，和分别表示第i个MIMO通信接收机对应的接收导向矢量和发射导向矢量，定义如下：
其中，(
·
)
T
表示矩阵的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张冠宇，张军，范发达，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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