一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，包括以下步骤：S1：建立最小化雷达波束图均方误差模型；S2：给出鲁棒用户服务质量约束、单位模约束、发射功率约束，引入信道不确定性，并添加到最小化雷达波束图均方误差模型中，建立原始优化问题；S3：消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，然后将原始优化问题转化为凸问题并求解，得到原始优化问题的解。本发明专利技术引入了RIS辅助改善信道，提升通信性能，满足用户服务质量，同时考虑了不完美的信道状态信息，更符合实际应用，不仅实现了RIS辅助的ISAC系统下获取最优雷达波束图和通信鲁棒波束形成向量，而且实现了高系统鲁棒性和高频谱利用率。性和高频谱利用率。性和高频谱利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法


[0001]本专利技术涉及信号处理领域，更具体地，涉及一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]目前，集成传感与通信(Integrated sensing and communication，简称ISAC)受到广泛的关注和研究，用于解决频谱资源稀缺问题。ISAC使得一个完全共享的平台传输双功能波形，使其同时执行通信和雷达传感功能，从而显著提高频谱和硬件效率。然而，ISAC的波束形成设计在信道衰落严重时性能会非常有限，为此，引入智能反射面(reconfigurable intelligent surface，简称RIS)改善信道状况提升自由度对系统性能能够带来显著提升，具体而言，RIS上的每个无源元件都能够对入射信号施加独立的相移来建设性或破坏性地重新配置基站和用户之间的信道。
[0003]然而，由于RIS既不能发送也不能接收导频符号，估计RIS辅助系统的信道是极具挑战性的，不完美的信道估计在实际应用中是更普遍的现象。引入RIS辅助的ISAC系统能够在确保雷达传感性能的前提下进一步提升通信用户服务质量，而传统的RIS辅助的通信系统只考虑完美的信道状态信息。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服上述现有技术所述的传统RIS辅助的通信系统只考虑完美的信道状态信息的缺陷，提供一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法。
[0005]本专利技术的首要目的是为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0006]本专利技术第一方面提供了一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，包括：
[0007]S1：建立最小化雷达波束图均方误差模型；
[0008]S2：给出鲁棒用户服务质量约束、单位模约束、发射功率约束，引入信道不确定性，并添加到最小化雷达波束图均方误差模型中，建立原始优化问题；
[0009]S3：消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，然后将原始优化问题转化为凸问题并求解，得到原始优化问题的解。
[0010]进一步的，步骤S1所述建立最小化雷达波束图均方误差模型，具体过程为：
[0011]建立雷达的理想波束图和设计波束图之间的均方误差模型，即目标函数，并使其最小化：
[0012][0013]其中W＝[w1，w2，...，w
k+m
]，w
i
表示第i个用户的发射波束形成向量(i≤k)或雷达发射波束形成矩阵的列向量(K＜i≤K+M)，K为单天线的用户数量，M为基站天线个数；表示理想雷达波束图，θ
l
表示第l个探测角度，α表示标定系数，参数α能够使设计波束图近似
于标定的理想波束图，即用取代作为目标波束图，作为对雷达波束误差的容忍度；L为雷达感兴趣的探测角度个数；a(θ
l
)表示探测角θ
l
对应的导引矢量。
[0014]进一步的，步骤S2所述给出鲁棒用户服务质量约束、单位模约束、发射功率约束，引入信道不确定性，并添加到最小化雷达波束图均方误差模型中，建立原始优化问题，具体过程为：
[0015]联合优化发射波束形成矩阵W和RIS相移波束形成向量基站发射信号能够表示为x＝W
c
s
c
+W
r
s
r
＝Ws，其中W
c
，W
r
分别表示通信波束形成矩阵和雷达波束形成矩阵，S
c
，S
r
分别表示通信符号向量和雷达探测信号；则第k个用户的接收信号表示为其中为第k个用户的加性高斯白噪声，均值为且方差为
[0016]由第k个用户的接收信号写出接收信干噪比：
[0017][0018]其中，γ
k
表示第k个用户的接受信干燥比，表示RIS被动波束形成向量，N为RIS反射元件个数；表示基站
‑
RIS
‑
用户联合信道；H分别表示基站
‑
用户信道，RIS
‑
用户信道和基站
‑
RIS信道；
[0019]建立通信用户服务质量约束，即用户的通信速率不低于其最低阈值；
[0020][0021]其中，R
k
为用户质量约束的阈值；
[0022]引入信道不确定性，为信道误差增加一个Frobenius范数球约束：
[0023][0024][0025]其中为信道估计矩阵，Δ
k
为信道误差矩阵，χ
k
为信道误差矩阵Δ
k
所有可能取值的集合，该集合中的信道误差矩阵Δ
k
被限制在一个有界的Frobenius范数球中，ε
k
为误差矩阵Frobenius范数球的半径；
[0026]加入发射功率约束(1d)和RIS元件的单位模约束(1c)，建立原始优化问题：
[0027][0028][0029][0030][0031]其中P
max
为发射功率预算。
[0032]进一步的，步骤S3消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，然后将原始优化问题转化为凸问题并求解，得到原始优化问题的解包括消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵；采用块坐标下降算法交替处理优化变量，将原优化问题分解为两个凸的子问题；应用CVX工具包求解原始优化问题。
[0033]进一步的，消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，具体过程为：
[0034]首先处理用户服务质量约束(1b)，用户服务质量约束(1b)能够等价的写为：
[0035][0036]其中W
‑
k
＝[w1，...，w
k
‑1，w
k+1
，...，w
K+M
]；
[0037]引入辅助变量β
k
，转化为两个二次约束：
[0038][0039][0040]约束(2)等价于：
[0041][0042]其中
[0043]不难计算，
[0044]在实际应用中一般情况下因此
[0045][0046]所以，约束(2)转化为：
[0047][0048]接下来处理约束(3)中包含的信道误差{Δ
k
}，
[0049]首先利用舒尔补定理将约束(3)转化为以下矩阵不等式：
[0050][0051]其中将代入该矩阵得：
[0052][0053]其中
[0054]由于以下事实：
[0055]对于给定的矩阵A＝A
H
，下述关于X
i
的线性矩阵不等式成立：
[0056][0057]当且仅当存在非负实数使得下式成立：
[0058][0059]其中ξ
i
为矩阵X
i...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立最小化雷达波束图均方误差模型；S2：给出鲁棒用户服务质量约束、单位模约束、发射功率约束，引入信道不确定性，并添加到最小化雷达波束图均方误差模型中，建立原始优化问题；S3：消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，然后将原始优化问题转化为凸问题并求解，得到原始优化问题的解。2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，其特征在于，步骤S1所述建立最小化雷达波束图均方误差模型，具体过程为：建立雷达的理想波束图和设计波束图之间的均方误差模型，即目标函数，并使其最小化：其中W＝[w1，w2，...，W
k+m
]，w
i
表示第i个用户的发射波束形成向量(i≤k)或雷达发射波束形成矩阵的列向量(K＜i≤K+M)，K为单天线的用户数量，M为基站天线个数；表示理想雷达波束图，θ
l
表示第l个探测角度，α表示标定系数，参数α能够使设计波束图近似于标定的理想波束图，即用取代作为目标波束图，作为对雷达波束误差的容忍度；L为雷达感兴趣的探测角度个数；a(θ
l
)表示探测角θ
l
对应的导引矢量。3.根据权利要求2所述的一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，其特征在于，步骤S2所述给出鲁棒用户服务质量约束、单位模约束、发射功率约束，引入信道不确定性，并添加到最小化雷达波束图均方误差模型中，建立原始优化问题，具体过程为：联合优化发射波束形成矩阵W和RIS相移波束形成向量基站发射信号能够表示为x＝W
c
s
c
+W
r
s
r
＝Ws，其中W
c
，W
r
分别表示通信波束形成矩阵和雷达波束形成矩阵，s
c
，s
r
分别表示通信符号向量和雷达探测信号；则第k个用户的接收信号表示为其中为第k个用户的加性高斯白噪声，均值为且方差为由第k个用户的接收信号写出接收信干噪比：其中，γ
k
表示第k个用户的接受信干燥比，表示RIS被动波束形成向量，N为RIS反射元件个数；表示基站
‑
RIS
‑
用户联合信道；H分别表示基站
‑
用户信道，RIS
‑
用户信道和基站
‑
RIS信道；建立通信用户服务质量约束，即用户的通信速率不低于其最低阈值；其中，R
k
为用户质量约束的阈值；引入信道不确定性，为信道误差增加一个Frobenius范数球约束：
其中为信道估计矩阵，Δ
k
为信道误差矩阵，χ
k
为信道误差矩阵Δ
k
所有可能取值的集合，该集合中的信道误差矩阵Δ
k
被限制在一个有界的Frobenius范数球中，ε
k
为误差矩阵Frobenius范数球的半径；加入发射功率约束(1d)和RIS元件的单位模约束(1c)，建立原始优化问题：加入发射功率约束(1d)和RIS元件的单位模约束(1c)，建立原始优化问题：加入发射功率约束(1d)和RIS元件的单位模约束(1c)，建立原始优化问题：加入发射功率约束(1d)和RIS元件的单位模约束(1c)，建立原始优化问题：其中P
max
为发射功率预算。4.根据权利要求3所述的一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，其特征在于，步骤S3所述消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，然后将原始优化问题转化为凸问题并求解，得到原始优化问题的解包括消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵；采用块坐标下降算法交替处理优化变量，将原优化问题分解为两个凸的子问题；应用CVX工具包求解原始优化问题。5.根据权利要求4所述的一种RIS辅助下ISAC系统联合波束形成鲁棒优化方法，其特征在于，消除引入信道不确定性带来的信道误差矩阵，具体过程为：首先处理用户服务质量约束(1b)，用户服务质量约束(1b)能够等价的写为：其中W
‑
k
＝[w1，...，W
k
‑1，W
k+1
，...，W
K+M
]；引入辅助变量β
k
，转化为两个二次约束：，转化为两个二次约束：约束(2)等价于：其中不难计算，在实际应用中一般情况下因此
所以，约束(2)转化为：接下来处理约束(3)中包含的信道误差{Δ
k
}，首先利用舒尔补定理将约束(3)转化为以下矩阵不等式：其中将代入该矩阵得：其中由于以下事实：对于给定的矩阵A＝A
H
，下述关于X
i
的线性矩阵不等式...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永伟，王鹏，欧阳颖锋，李博程，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：