一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法，通过产生和发送叠加导频和数据的一体化波形，使得在同一时间频率资源块内将通信信号和感知信号在符号域内利用功率分配方法线性叠加，实现在不损失通信性能的同时增加了环境感知的能力；包括：发送叠加符号形式的通信感知一体化信号，基于接收信号的环境参数提取和通信数据检测的联合设计

【技术实现步骤摘要】
一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法
。

技术介绍

[0002]为了支持同时需要低延时感知和高速率通信的新兴应用，下一代无线网络提出通信感知一体化技术来利用相同的无线信号和硬件基础设施同时实现无线感知和通信
。
在通信系统中，大带宽的毫米波频段被证明能够实现高速率通信，以满足实时的海量数据传输
。
同时，在现有的感知系统中，毫米波雷达已经被大量使用来提供精准的感知信息
。
因为毫米波频段分别在通信和感知系统的优异性能，毫米波信号在通信感知一体化系统的是使用被认为具有极大的应用前景，也是近年来学术界与工业界研究的热点
。
[0003]然而，毫米波信号会导致严重的传播损耗，这常常会阻断接收端和发射端之间的
LoS
径，阻碍了通信感知一体化的可靠连接服务
。
而
RIS
可以通过数字控制的方式来调整反射元件的相移创建基站和用户之间的虚拟
LoS
径，被视为解决毫米波频段下通信感知一体化系统稳定连接的有效方案
。
具体来说，
RIS
是一个完全无源的二维阵列，有许多亚波长的可控元件，可以通过调整相位来灵活地改变入射电磁波的物理特性
。
此外，
RIS
一般用廉价的硬件元件制造，没有射频链路，从而大大降低了硬件成本和能源消耗
。
目前已经有大量的研究证明了
RIS
辅助的通信感知一体化系统对通信和感知性能均有明显的提升
。
[0004]在
RIS
辅助毫米波频段通信感知一体化系统设计中，一个实用且高效的方法就是利用现有通信的调制方法
、
协议架构和硬件基础设备再结合感知信号处理技术来实现同时的通信和感知功能
。
这种方案在数据传输的同时实现了对环境中目标的感知，避免了额外部署感知网络的硬件成本
。
在现有的技术中，感知功能的实现会通过分配一部分额外的时间或频率资源，使得感知导频利用这一部分独立的资源来实现感知功能，所以有一部分方法来研究通信信号和感知导频在时间和频率资源上的性能折中
。
然而，这存在一些限制：感知导频消耗掉额外的时间或频率资源，这会损害原有通信系统的频谱效率；并且在
RIS
辅助系统中同时实现通信和感知的功能对计算资源的需求较高，且依赖信道状态信息，在车联网等高速移动场景中，可能难以及时准确地获取信道状态信息，从而损害通信和感知的准确性
。
[0005]基于上述问题，为了提高
RIS
辅助通信和感知的性能，同时提高通信感知一体化系统的频谱效率，提出了一种基于叠加符号的通信感知一体化波形的设计方法来同时实现通信和环境感知的功能
。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有通信信号和感知信号占据独立时间或频率资源的技术在
RIS
辅助通信感知一体化系统中准确性差
、
频谱效率低的问题，通过发射一种基于叠加通信符号和导频符号形成的通信感知一体化波形，使得通信信号和感知信号通过功率分配系数在符号
域内线性叠加，同时提出了新的在接收端根据接收符号的信号处理方法，在几乎不损失通信性能的前提下增加准确的感知功能
。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的具体技术方案是：一种基于叠加符号的通信感知一体化波形的设计方法，可以应用于
RIS
辅助的毫米波通信感知一体化场景；
[0008]本专利技术提供的方法通过对接收端符号进行信号处理，实现联合的通信数据检测和环境感知参数提取，同时实现高速的通信速率和高精度的感知功能
。
在具体应用时，本专利技术产生的基于叠加符号的通信感知一体化波形能在现有的无线通信系统中，支持多种调制方法与参数设置，来实现高效的上行通信感知链路
。
[0009]本专利技术提出的一种
RIS
辅助的用户到基站的上行通信链路来同时实现通信和感知功能的方法，该方法包括以下步骤：
[0010]S1、
在信号发送端，将同一时间频率资源内的通信信号和导频信号在符号域通过功率分配系数线性叠加并发射至
RIS
；
[0011]S2、
在信号接收端，接收
RIS
反射的信号并对多分时隙的接收信号进行堆叠；得到接收矩阵；
[0012]S3、
将环境角度参数的提取转换为对角度网格值和稀疏向量
ω
的估计，将接收信号代入预设的毫米波信道模型中，对接收矩阵进行向量化；利用带吉洪诺夫正则化项的最小二乘估计得到稀疏向量
ω
的初始估计，通过稀疏向量的估计值得到基站和用户之间的等效信道初始估计值；
[0013]S4、
根据等效信道初始估计值，利用线性最小均方误差方法得到通信数据初始估计值并进行解调和重新调制；
[0014]S5、
对重新调制后的通信数据初始估计值在期望最大化框架下迭代计算得到稀疏向量
、
角度网格和通信数据的最终估计值；
[0015]S6、
最终恢复出通信数据
、
环境信道中的角度参数和用户坐标
。
[0016]进一步地，发射端生成并发射叠加符号其中
x
d
，
t
和
x
p
，
t
分别是第
t
时隙内生成的通信符号和导频符号，
ξ
是分配给通信符号占整个符号的功率分配系数，满足0＜
ξ
＜
1。
[0017]进一步地，所述接收
RIS
反射的信号并对多分时隙的接收信号进行堆叠具体为：
[0018]在第
t
时隙内，基站接收符号为其中
H
r
，
s
是第
s
个
RIS
到基站的信道，
θ
s
，
t
是第
s
个
RIS
在第
t
时隙的相位，
h
b
，
s
是用户到第
s
个
RIS
的信道，
n
t
是第
t
时隙的噪声；通过堆叠
T
个时隙的基站接收符号构造接收矩阵为
[0019][0020]其中
Θ
s
＝
[
θ
s1
，
...
，
θ
s
，
T
，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法，其特征在于，该方法步骤如下：
S1、
在信号发送端，将同一时间频率资源内的通信信号和导频信号在符号域通过功率分配系数线性叠加并发射至
RIS
；
S2、
在信号接收端，接收
RIS
反射的信号并对多分时隙的接收信号进行堆叠；得到接收矩阵；
S3、
将环境角度参数的提取转换为对角度网格值和稀疏向量
ω
的估计，将接收信号代入预设的毫米波信道模型中，对接收矩阵进行向量化；利用带吉洪诺夫正则化项的最小二乘估计得到稀疏向量
ω
的初始估计，通过稀疏向量的估计值得到基站和用户之间的等效信道初始估计值；
S4、
根据等效信道初始估计值，利用线性最小均方误差方法得到通信数据初始估计值并进行解调和重新调制；
S5、
对重新调制后的通信数据初始估计值在期望最大化框架下迭代计算得到稀疏向量
、
角度网格和通信数据的最终估计值；
S6、
最终恢复出通信数据
、
环境信道中的角度参数和用户坐标
。2.
根据权利要求1所述的一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法，其特征在于，发射端生成并发射叠加符号其中
x
d
，
t
和
x
p
，
t
分别是第
t
时隙内生成的通信符号和导频符号，
ξ
是分配给通信符号占整个符号的功率分配系数，满足0＜
ξ
＜
1。3.
根据权利要求1所述的一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法，其特征在于，所述接收
RIS
反射的信号并对多分时隙的接收信号进行堆叠具体为：在第
t
时隙内，基站接收符号为其中
H
r
，
s
是第
s
个
RIS
到基站的信道，
θ
s
，
t
是第
s
个
RIS
在第
t
时隙的相位，
h
b
，
s
是用户到第
s
个
RIS
的信道，
n
t
是第
t
时隙的噪声；通过堆叠
T
个时隙的基站接收符号构造接收矩阵为其中
Θ
s
＝
[
Θ
s
，1，
...
，
θ
s
，
T
]
，
X
＝
diag(x1，
...
，
x
T
)
，
N
＝
[n1，
...
，
n
T
]
分别是堆叠
T
个时隙的
θ
s
，
t
，
x
t
和
n
t
的矩阵
。4.
根据权利要求1所述的一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法，其特征在于，所述
RIS
由可控反射单元组成，构造基站到用户之间的虚拟
LoS
径，且
RIS
的数量
S≥1
；基站到第
s
个
RIS
之间的毫米波建模为其中
α
l
，
s
是第
l
条路径的增益，阵列响应分别为和有效的到达角和离去角分别为和
5.
根据权利要求4所述的一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法，其特征在于，将环境角度参数的提取转换为对角度网格值和稀疏向量
ω
的估计具体为：将毫米波角度域上的和通过选择网格点和内的元素来表
示，将毫米波信道转化为其中和是关于角度域网格点和的阵列响应组成的字典矩阵，
Ω
s
是稀疏矩阵；是第...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄崇文，甘旭，钟财军，陈晓明，法奥齐，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：