CN112350759A - 一种ris辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，属于预编码设计技术领域。包括：1)设定设备天线数量及用户数量；2)生成RIS相位变换矩阵；3)优化RIS相位变换矩阵生成半正定松弛预编码协方差矩阵；4)生成预编码向量、重构半正定松弛预编码协方差矩阵；5)生成半正定松弛相位偏移矩阵；6)生成RIS的可变反射系数向量、重构RIS相位变换矩阵；7)计算当前状态下的基站对雷达干扰信号功率是否收敛，若是，则输出预编码向量、及RIS相位变换矩阵，结束本方法；若否，则跳至3)。所述方法能有效降低基站发射信号对雷达的干扰；通过联合设计基站预编码与RIS反射系数，能够有效提高雷达检测概率。

Description

一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法
技术领域
本发明涉及一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，属于预编码设计技术领域。
背景技术
随着移动通信数据速率需求的不断提升，美国通信技术委员会提出将3.5GHz处原用于雷达应用的150MHz频带共享给通信系统。雷达系统与通信系统间的同频共存可能会为二者带来较强的干扰，从而降低系统性能。
为降低雷达通信共存带来的性能损失，B.Li等人提出一种杂波环境下最大化雷达接收信干噪比的通信预编码方法，F.Liu等人针对下行多用户MIMO通信与MIMO雷达共存场景，通过设计通信预编码方案，在满足用户信干噪比约束的条件下最大化雷达探测概率，Z.Cheng和J.Qian等人分别基于克拉美罗下界和互信息对雷达发射波形、接收滤波器和通信码本进行设计，以最优化雷达性能。
近年来，可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为一种革命性技术，被广泛应用于通信系统中，以提升系统频谱效率和能量效率。通过自适应地调整相位偏移矩阵的每个单元，RIS反射信号可以与原有信号相加或相消，从而提升信号质量或消除干扰。然而，目前还没有文献将RIS应用于雷达通信共存的干扰消除中。
发明内容
本发明的目的在于针对多用户MIMO通信系统与MIMO雷达共存场景下通信系统会对雷达系统造成较强干扰，从而降低雷达探测性能的技术缺陷，提出一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，通过RIS与发射端联合预编码，降低通信系统对雷达系统的干扰，提升雷达探测概率。
一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，依托于共存系统设备，该共存系统设备包括通信系统与雷达系统；
其中，通信系统，包括基站、RIS、用户；雷达系统为MIMO雷达；
步骤一、设定通信系统与雷达系统共存系统设备天线数量及用户数量；
其中，基站天线的数量，记为N个，单天线用户的数量，记为K个，MIMO雷达探测远场中点状目标的天线的数量，记为M个，RIS单元数量，记为L个；
步骤二、基于RIS表面反射系数之间的关系生成RIS相位变换矩阵；
其中，RIS相位变换矩阵中的对角线元素为RIS的可变反射系数，其他元素为0；
步骤三、利用RIS相位变换矩阵求解优化问题得到半正定松弛预编码协方差矩阵，具体包括如下子步骤：
步骤3.A：设定用户接收信干噪比约束为不小于用户所需最低信干噪比；
其中，用户接收信干噪比是接收信号功率与干扰功率和噪声功率之和的比值，干扰由雷达干扰与多用户干扰组成；
步骤3.B：设定半正定松弛预编码协方差矩阵的迹约束为不大于基站最大功率；设定预编码协方差矩阵约束为自共轭矩阵、半正定矩阵且其秩为1；
其中，半正定松弛预编码协方差矩阵为K个用户的预编码协方差矩阵之和，预编码协方差矩阵为基站预编码向量与自身共轭转置相乘；
步骤3.C：依据步骤3.A中设定的用户接收信干噪比约束、步骤3.B中设定的半正定松弛预编码协方差矩阵的迹约束以及设定的预编码协方差矩阵约束，构建以最小化基站对雷达干扰信号功率为目标的基站预编码向量优化问题；
步骤3.D：将步骤3.C中得到的基站预编码向量优化问题，通过半正定规划进行优化，得到最优情况下的半正定松弛预编码协方差矩阵；
步骤四、对步骤三中得到的半正定松弛预编码协方差矩阵进行特征值分解，并取对应最大特征值的特征向量作为基站预编码向量，并将基站预编码向量与其共轭转置向量相乘得到重构半正定松弛预编码协方差矩阵；
步骤五、利用重构半正定松弛预编码协方差矩阵求解优化问题，得到优化后的半正定松弛相位偏移矩阵，具体包括如下子步骤：
步骤5.A：引入长度为L+1的辅助列向量
Figure BDA0002762068070000021
半正定松弛相位偏移矩阵为辅助列向量
Figure BDA0002762068070000022
与其自身共轭转置向量相乘；
其中，辅助列向量
Figure BDA0002762068070000023
的前L个元素为RIS的可变反射系数，最后一个元素为1；
步骤5.B：设定半正定松弛相位偏移矩阵约束为半正定松弛相位偏移矩阵为自共轭且半正定矩阵，且矩阵内每个对角元素值均不大于1；
步骤5.C：根据步骤3.A中设定的用户所需最低信干噪比，设定用户接收信号功率约束为不小于用户最低接收信号功率阈值；
步骤5.D：依据步骤5.B中设定的半正定松弛相位偏移矩阵约束、步骤5.C中设定的用户接收信号功率约束，构建以最小化基站对雷达干扰信号功率为目标的RIS的可变反射系数优化问题；
步骤5.E：将步骤5.D中得到的可变反射系数优化问题，通过半正定规划进行优化，得到最优情况下的半正定松弛相位偏移矩阵；
步骤六、对步骤五中得到的半正定松弛相位偏移矩阵进行特征值分解，并取对应最大特征值的特征向量为RIS的可变反射系数向量，并将RIS的可变反射系数向量与其共轭转置向量相乘得到重构之后的RIS相位变换矩阵；
步骤七、计算当前状态下的基站对雷达干扰信号功率与上次迭代状态下的基站对雷达干扰信号功率差是否小于收敛精度阈值，若是，则输出基站预编码向量、RIS相位变换矩阵，结束本方法；若否，则跳至步骤三进行迭代计算；
至此，经过步骤一到步骤七，完成了一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法。
有益效果
本发明提出的一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、通过联合设计基站预编码与RIS反射系数，能够有效降低基站发射信号对雷达的干扰；
2、通过联合设计基站预编码与RIS反射系数，能够有效提高雷达检测概率。
附图说明
图1为本发明及实施例1中一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法整体流程图；
图2为本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例1中求解半正定松弛预编码协方差矩阵流程图；
图3为本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例1中求解半正定松弛相位偏移矩阵流程图；
图4为本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例1中实施方法前后随着用户信干噪比要求变化时的雷达平均探测概率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法进行详细说明。
实施例1
本实施例详细阐述了本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法具体实施时的步骤。
本实施例考虑RIS辅助的8天线基站与4天线MIMO雷达共存场景，基站同时向4个用户发送通信信号，基站根据信道状态信息对基站预编码与RIS相位变换矩阵进行联合优化，在满足用户信干噪比需求的同时，降低对MIMO雷达的干扰，以提升MIMO雷达的检测概率；
图1是本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例一整体算法流程图；
从图1可以看出本发明RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法的详细流程，具体到本实施例，方法操作流程如下：
步骤一、设定通信系统与雷达系统共存系统设备天线数量及用户数量；
其中，基站天线数量N为8，单天线用户的数量K为4，MIMO雷达探测远场中点状目标的天线数量M为4，RIS的单元数量L为16；
步骤二、系统初始化循环计数值l＝1；
步骤三、用下式(1)表示RIS相位变换矩阵Θ与RIS表面反射系数之间的关系，并初始化RIS相位变换矩阵Θ(0)为diag(0,…,0)；
Figure BDA0002762068070000041
其中，
Figure BDA0002762068070000042
Figure BDA0002762068070000043
是RIS的可变反射系数，diag表示对角矩阵；
步骤四、引入下标l和l-1表示第l次迭代和第l-1次迭代变量的值，利用RIS相位变换矩阵Θ(l-1)，通过求解优化问题得到半正定松弛预编码协方差矩阵T(l)；
图2为本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例一中求解半正定松弛预编码协方差矩阵流程图；
从图2可以看出步骤四中通过RIS相位变换矩阵求解优化问题得到半正定松弛预编码协方差矩阵的方法，具体到本实施例，方法操作流程如下，具体包括如下子步骤：
步骤4.A：设定用户所需最低信干噪比，记为Γ，得到用户接收信噪比约束的表达式(2)：
Figure BDA0002762068070000051
其中,γk表示用户接收信干噪比，由下式(3)确定：
Figure BDA0002762068070000052
其中，[·]H表示将矩阵共轭转置操作，||·||表示取范数操作，tk表示第k个用户的基站预编码向量，PR表示雷达信号功率，
Figure BDA0002762068070000053
表示零均值加性高斯白噪声的方差，等效基站-用户信道系数
Figure BDA0002762068070000054
与等效雷达-用户信道系数
Figure BDA0002762068070000055
用下式(4)表示：
Figure BDA0002762068070000056
其中，
Figure BDA0002762068070000057
表示基站到用户k的基带信道系数，
Figure BDA0002762068070000058
表示RIS到用户k的基带信道系数，Fbr表示基站到RIS的基带信道系数，
Figure BDA0002762068070000059
表示雷达到用户k的基带信道系数，Frr表示RIS到雷达的基带信道系数；
步骤4.B：设定基站最大功率限制P0，得到半正定松弛预编码协方差矩阵约束的表达式(5)：
Figure BDA0002762068070000061
其中，Tr(·)表示矩阵的迹，rank(·)表示矩阵的秩，Tk表示第k个用户的预编码协方差矩阵，半正定松弛预编码协方差矩阵T表示为下式(6)：
Figure BDA0002762068070000062
具体到本实施例，基站最大功率限制P0为28dBm
步骤4.C：根据步骤4.A中设定的用户接收信干噪比约束，以及步骤4.B中设定的半正定松弛预编码协方差矩阵约束，得到下式(7)以最小化基站对雷达干扰信号功率为目标的基站预编码向量优化问题：
Figure BDA0002762068070000063
其中，U(t,Θ)表示基站对雷达的干扰信号功率，等效基站-雷达信道
Figure BDA0002762068070000064
表示为下式(8)：
Figure BDA0002762068070000065
其中，
Figure BDA0002762068070000066
表示基站到雷达的基带信道系数；
步骤4.D：将步骤4.C中得到的目标函数式(7)，通过半正定规划优化上述函数，得到目标函数最小情况下的半正定松弛预编码协方差矩阵T(l)。
至此，从步骤4.A到步骤4.D，完成了本实施例通过RIS相位变换矩阵求解半正定松弛预编码协方差矩阵；
步骤五、对步骤四中得到的T(l)进行特征值分解，并取对应最大特征值的特征向量作为基站预编码向量，记为t(l)，通过下式(9)对于t(l)进行重构计算得到
Figure BDA0002762068070000067
Figure BDA0002762068070000071
步骤六、根据步骤五中计算得出的
Figure BDA0002762068070000072
通过求解优化问题得到优化后的半正定松弛相位偏移矩阵
Figure BDA0002762068070000073
图3为本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例一中求解半正定松弛相位偏移矩阵流程图；
从图3可以看出步骤六中求解半正定松弛相位偏移矩阵的方法，具体到本实施例，方法操作流程如下：
步骤6.A：用下式(11)表示RIS相位变换向量θ，并用下标l表示第l次迭代时相位变换向量θ(l)；
θ＝Θ1L (10)
其中，1L表示长度为L的全为1的列向量。
步骤6.B：引入辅助变量
Figure BDA0002762068070000074
得到半正定松弛相位偏移矩阵
Figure BDA0002762068070000075
的约束条件表达式(11)：
Figure BDA0002762068070000076
其中，
Figure BDA0002762068070000077
表示矩阵
Figure BDA0002762068070000078
中第i行第i列元素；
步骤6.C：根据步骤4.A中设定的用户所需最低信号干扰噪声比Γ，得到用户接收信号功率约束的表达式(12)：
Figure BDA0002762068070000079
其中，Γ3表示用户最低接收信号功率阈值，Pk,k和Γ3由下式(13)表示：
Figure BDA0002762068070000081
其中，Ak、Dk、ek,j表示为下式(14)：
Figure BDA0002762068070000082
其中，ek,j中元素Ek,j,n,m表示矩阵Ek,j中第n行第m列元素，矩阵Ek,j表示为下式(15)
Figure BDA0002762068070000083
步骤6.D：根据步骤6.B设定的半正定松弛相位偏移矩阵和步骤6.C中设定的用户接收信号功率约束，得到下式(16)以最小化基站对雷达干扰信号功率为目标的RIS的可变反射系数优化问题：
Figure BDA0002762068070000084
其中，Rk表示为下式(17)
Figure BDA0002762068070000085
其中，Ck表示为下式(18)
Figure BDA0002762068070000086
步骤6.E：将步骤6.D中得到的目标函数式(16)，通过半正定规划优化上述函数，得到目标函数最小情况下的优化变量
Figure BDA0002762068070000087
至此，从步骤6.A到步骤6.E，完成了本实施例通过RIS相位变换矩阵求解半正定松弛预编码协方差矩阵；
步骤七、对步骤六中得到的
Figure BDA0002762068070000091
进行特征值分解，并取对应最大特征值的特征向量为RIS的可变反射系数向量，记为θ(l)，通过下式(19)对θ(l)进行重构得到RIS相位变换矩阵Θ(l)：
Figure BDA0002762068070000092
步骤八、判断U(t(l),Θ(l))-U(t(l-1),Θ(l-1))是否小于收敛精度阈值0.001，若是，则输出基站预编码向量t(l)、RIS相位变换矩阵Θ(l)，结束本方法；若否，
则令l＝l+1，跳至步骤四进行迭代计算；
至此，经过步骤一到步骤八，完成了一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法流程。
图4为本发明一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法及实施例一中实施方法前后随着用户信干噪比要求变化时的雷达平均探测概率仿真结果图；
图4横坐标为用户所需信干噪比Γ，依次取值为10dB,12dB,14dB,16dB,18dB,20dB，纵坐标为雷达平均探测概率，仿真实验对四种情况进行了对比分析：1)雷达信噪比SNRr为4dB且未经RIS系统辅助优化；2)雷达信噪比SNRr为4dB且经过RIS系统辅助优化，即本方法；3)雷达信噪比SNRr为6dB且未经RIS系统辅助优化；4)雷达信噪比SNRr为6dB且经过RIS系统辅助优化，即本方法；其中雷达信噪比SNRr由下式(20)确定
Figure BDA0002762068070000093
其中，α表示雷达-目标-雷达路径损耗。
由图4可以看出在RIS的帮助下，通过联合设计发射波束形成器和相移矩阵，基站在发射波束形成设计上获得了更大的自由度，从而减少了对雷达的干扰，提高了检测性能。也可以看出，随着用户信噪比要求的增加，雷达探测概率降低。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，其特征在于：依托于共存系统设备，该共存系统设备包括通信系统与雷达系统；
其中，通信系统，包括基站、RIS、用户；雷达系统为MIMO雷达；
步骤一、设定通信系统与雷达系统共存系统设备天线数量及用户数量；
其中，基站天线的数量，记为N个，单天线用户的数量，记为K个，MIMO雷达探测远场中点状目标的天线的数量，记为M个，RIS单元数量，记为L个；
步骤二、基于RIS表面反射系数之间的关系生成RIS相位变换矩阵；
步骤三、利用RIS相位变换矩阵求解优化问题得到半正定松弛预编码协方差矩阵，具体包括如下子步骤：
步骤3.A：设定用户接收信干噪比约束为不小于用户所需最低信干噪比；
步骤3.B：设定半正定松弛预编码协方差矩阵的迹约束为不大于基站最大功率；设定预编码协方差矩阵约束为自共轭矩阵、半正定矩阵且其秩为1；
步骤3.C：依据步骤3.A中设定的用户接收信干噪比约束、步骤3.B中设定的半正定松弛预编码协方差矩阵的迹约束以及设定的预编码协方差矩阵约束，构建以最小化基站对雷达干扰信号功率为目标的基站预编码向量优化问题；
步骤3.D：将步骤3.C中得到的基站预编码向量优化问题，通过半正定规划进行优化，得到最优情况下的半正定松弛预编码协方差矩阵；
步骤四、对步骤三中得到的半正定松弛预编码协方差矩阵进行特征值分解，并取对应最大特征值的特征向量作为基站预编码向量，并将基站预编码向量与其共轭转置向量相乘得到重构半正定松弛预编码协方差矩阵；
步骤五、利用重构半正定松弛预编码协方差矩阵求解优化问题，得到优化后的半正定松弛相位偏移矩阵，具体包括如下子步骤：
步骤5.A：引入长度为L+1的辅助列向量
Figure FDA0002762068060000011
半正定松弛相位偏移矩阵为辅助列向量
Figure FDA0002762068060000012
与其自身共轭转置向量相乘；
其中，辅助列向量
Figure FDA0002762068060000013
的前L个元素为RIS的可变反射系数，最后一个元素为1；
步骤5.B：设定半正定松弛相位偏移矩阵约束为半正定松弛相位偏移矩阵为自共轭且半正定矩阵，且矩阵内每个对角元素值均不大于1；
步骤5.C：根据步骤3.A中设定的用户所需最低信干噪比，设定用户接收信号功率约束为不小于用户最低接收信号功率阈值；
步骤5.D：依据步骤5.B中设定的半正定松弛相位偏移矩阵约束、步骤5.C中设定的用户接收信号功率约束，构建以最小化基站对雷达干扰信号功率为目标的RIS的可变反射系数优化问题；
步骤5.E：将步骤5.D中得到的可变反射系数优化问题，通过半正定规划进行优化，得到最优情况下的半正定松弛相位偏移矩阵；
步骤六、对步骤五中得到的半正定松弛相位偏移矩阵进行特征值分解，并取对应最大特征值的特征向量为RIS的可变反射系数向量，并将RIS的可变反射系数向量与其共轭转置向量相乘得到重构之后的RIS相位变换矩阵；
步骤七、计算当前状态下的基站对雷达干扰信号功率与上次迭代状态下的基站对雷达干扰信号功率差是否小于收敛精度阈值，若是，则输出基站预编码向量、RIS相位变换矩阵，结束本方法；若否，则跳至步骤三进行迭代计算；
至此，经过步骤一到步骤七，完成了一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法。
2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，其特征在于：步骤二中，RIS相位变换矩阵中的对角线元素为RIS的可变反射系数，其他元素为0。
3.根据权利要求2所述的一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，其特征在于：步骤3.A中，用户接收信干噪比是接收信号功率与干扰功率和噪声功率之和的比值，干扰由雷达干扰与多用户干扰组成。
4.根据权利要求3所述的一种RIS辅助的多用户多天线通信与雷达频谱共享方法，其特征在于：步骤3.B中，半正定松弛预编码协方差矩阵为K个用户的预编码协方差矩阵之和，预编码协方差矩阵为基站预编码向量与自身共轭转置相乘。
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