CN113381792B - 一种基于信干噪比下界的波形生成方法 - Google Patents

一种基于信干噪比下界的波形生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于信干噪比下界的波形生成方法，属于无线通信技术领域。本发明的一种基于信干噪比下界的波形生成方法首先分别构造通信与雷达架构，确定通信的优化性能目标及性能目标的下界，确定雷达的优化性能目标，联合优化通信和雷达的性能目标，最终得出基于通信的信干噪比SINR下界的最优的基带预编码器。本发明通过构造信干噪比的二次型特征的下界，采用牛顿的最速下降梯度法对信干噪比的二次型特征的下界进行优化，实现多用户系统下联合通信与雷达感知功能，生成鲁棒性好且效率高的波形。

Description

一种基于信干噪比下界的波形生成方法
技术领域
本发明涉及一种基于信干噪比下界的波形生成方法，尤其涉及用于多用户通信感知一体化系统或多天线通信系统的一种基于信干噪比下界的基带预编码器构建方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
独立的通信和雷达感知系统将在不久融合为统一的系统，无论是在硬件模块还是信号处理手段上二者拥有诸多的共通性，而且，一体化系统有利于提高系统整体性能和频谱共享。
B.Li等人在(“Optimum co-design for spectrum sharing between matrixcompletion based MIMO radars and a MIMO communication system,”IEEETrans.Signal Process.,vol.64,pp.4562–4575,Sep.2016.)采用凸优化实现联合通信和雷达波形的技术方案。然而，在多用户通信系统中，多用户干扰使得信干噪比不具备凸性，因此联合通信和雷达波形变得更为困难。
目前，尚有一些方案解决多用户系统实现联合通信与雷达一体化的功能。F.Liu等人在(“MIMO radar and cellular coexistence:A power-efficient approach enabledby interference exploitation,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.66,pp.3681–3695,Jul.2018.)中在保证一定的信干噪比的情况下最小化发送功率，实现能源利用率的提高。然而，该方案需要对信干噪比设定特定的门限，在信道信息未知的情况下，该门限无法获得。Y.L.Sit等人在(“On mutual interference cancellation in a MIMO OFDMmultiuser radar-communication network,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.67,pp.3339–3348,Apr.2018.)中利用宽带多载波系统将多用户分配到相互正交的子载波上，从而避免多用户的干扰，信干噪比呈现凸性。然而，该方案将多用户干扰抹除造成频谱利用率的下降。F.Liu等人在(“Toward dual-functional radar-communication systems:Optimal waveform design,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.66,pp.4264–4279,Aug.2018.)中通过将独立的最优通信波形和最优的雷达波形进行加权求和，有效解决上述多用户干扰带来的问题。然而，该方案没有理论分析作为支撑，该方案的鲁棒性无法保证。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于信干噪比下界的波形生成方法，通过构造信干噪比的二次型特征的下界，采用牛顿的最速下降梯度法对信干噪比的二次型特征的下界进行优化，实现多用户系统下联合通信与雷达感知功能，生成鲁棒好且效率高的波形。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种基于信干噪比下界的波形生成方法，包括如下步骤：
步骤1、分别构造通信与雷达架构：
在基站发射端，多条数据信息流平行的发送至基带预编码器，进行数字基带预编码处理，处理后的信号实现联合通信与感知功能；
在用户接收端，每个用户采用单一天线接收基站发送的信息；
在基站端，基站同时配备一个多天线基站接收端，基站接收端与基站发射端相邻；
进一步的，基站接收端用于雷达感知；
进一步的，基站发射端信息流为s，s是在基带数字域上的NS×1维向量，通过基带预编码器P进行预编码处理；
进一步的，基带预编码器P是NT×NS的数字型器件，经过基带预编码P的信号被传送到天线上，NT为基站发射端天线数量，基站发射端发送信号x为：
x＝Ps (1)
进一步的，在每个用户接收端，基站发射端发射的发送信号x经历通信信道，通信信道为hu，到达每个用户接收端，用户接收端的接收信号yu为：
Figure BDA0003077216100000021
其中，nu是高斯复噪声，其均值为0，方差为σ2，基站发射端有NS×1维的数据流，用户总数为NS；
进一步的，在基站接收端，采用多天线接收基站发射端发射的信号，期间经历的为雷达信道，雷达信道记为G，忽略噪声，基站接收端接收的感知信号r为：
r＝GHPs (3)
步骤2、确定通信的优化性能目标及性能目标的下界：
采用信干噪比SINR作为多用户通信系统的性能指标，信干噪比SINR为：
Figure BDA0003077216100000022
其中，pu是P的第u列向量；
采用一种信干噪比SINR下界J：
Figure BDA0003077216100000023
其中，Su是信干噪比SINR下界中的各用户波束增益，Iu是信干噪比SINR下界中的用户间相互干扰；
进一步的，当Iu+NSσ2/Po≤1，以及Su≥Iu时，J成为信干噪比SINR的下界；
其中，Po是基站发射端发送信号的总功率；
进一步的，基带预编码器P如式(6)时，J成为信干噪比SINR的下界；
Figure BDA0003077216100000031
其中，函数pinv为矩阵的伪逆；
步骤3、确定雷达的优化性能目标：
在基站接收端，采用互信息MI作为优化指标：
MI＝log|I+GHPPHG| (7)
其中I是单位矩阵；
进一步的，当基带预编码器P等于雷达信道G做奇异值分解后的左奇异矩阵时，互信息MI实现最优；
步骤4、联合优化通信和雷达的性能目标：
根据步骤2和步骤3，通信和雷达的性能指标都能获得各自的优化，在联合通信与感知一体化网络中，基带预编码器P需要同时兼顾通信性能指标和雷达性能指标，并控制发送功率在合理的范围，本发明在控制雷达感知性能达到一定阈值的情况下最优化通信的性能指标：
arg max J
s.t.MI＞I0,‖P‖F≤P0 (8)
其中，步骤2中的J作为通信的信干噪比SINR下界需要最大化，同时保证步骤3中的雷达互信息指标要大于一个给定的阈值I0，另外，基带预编码器P的F范数要小于等于发送总功率Po；
采用J的二次型的特点求解，通过迭代的方式实现式(8)的优化，具体步骤如下：
步骤4.1、将J表征成二次型：
通过式(5)，J进一步表征为：
Figure BDA0003077216100000032
其中，
Figure BDA0003077216100000033
步骤4.2、确定基带预编码器P的初始值，使得限制条件成立：
根据步骤3确定的最优互信息MI的规范值作为基带预编码器P的初始值：
Figure BDA0003077216100000034
其中，UG是雷达信道的左奇异矩阵的前U列；
步骤4.3、沿二次型曲线的最速下降线迭代：
J的最速下降线D为J在基带预编码器P处的一阶导数：
Figure BDA0003077216100000041
进一步的，基带预编码器P的迭代值为P＝P±Dε，其中，ε是一个小步长，迭代值有正负两个，选取使得J最速上升的一侧作为新的迭代值，即迭代后基带预编码器P的J值应该越来越大；
进一步的，重复步骤4.3，反复更新基带预编码器P的导数值和基带预编码器P，使得J越来越大；
步骤4.4、式(8)的限制条件不满足时，终止迭代过程：
当迭代次数达到一定值时，式(8)的限制条件将到达边界，此时迭代终止，至此，得出基于通信的信干噪比SINR下界的最优的基带预编码器，有效、快速的实现通信与感知功能联合。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于信干噪比下界的波形生成方法，以通信的信干噪比SINR下界作为优化指标，更加有效地提升通信方面的性能表现；
2、本发明公开的一种基于信干噪比下界的波形生成方法，通过优化通信的性能指标并控制雷达达到指定的指标，使得在通信要求更高的情况下达到稳定的通信效率；
3、本发明公开的一种基于信干噪比下界的波形生成方法，通过步骤4.1至步骤4.4。利用通信下界的马鞍面特性，使得目标函数J沿着最速下降线迅速上升，具有迭代时间短，复杂性低的优势。
附图说明
图1是本发明的一种基于信干噪比下界的波形生成方法的总体流程图；
图2是通信感知一体化系统示意图；
图3是本发明的一种基于信干噪比下界的波形生成方法步骤4迭代方式联合优化通信和雷达的性能目标的流程图；
图4是本发明的一种基于信干噪比下界的波形生成方法生成波形的信干噪比曲线。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种基于信干噪比下界的波形生成方法，包括如下步骤：
步骤1、如图2所示，分别构造通信与雷达预编码架构：
在基站发射端，4条数据信息流平行的发送至基带预编码器，进行数字基带预编码处理，处理后的信号实现联合通信与感知功能，基站发射端天线数量为16，发射总功率为1W；
在用户接收端，每个用户采用单一天线接收基站发射端发送信号，所有用户的信道矩阵记为
Figure BDA0003077216100000051
在基站端，基站同时配备一个多天线基站接收端，基站接收端与基站发射端相邻，基站接收端用于雷达感知；
基站发射端信息流为s，s是在基带数字域上的4×1维向量，通过基带预编码器P进行预编码处理；
基带预编码器P是16×4的数字型器件，经过基带预编码器的信号被数模转换器传送到16维的天线上；
基站发射端发送信号经历通信信道，到达每个用户接收端，基站发射端有4×1维的数据流，用户总数为4；
在基站接收端，采用16根接收天线接收基站发射端发射的信号，期间经历的为雷达信道，雷达信道记为G，忽略噪声，基站接收端接收的感知信号r为：
r＝GHPs (3)
步骤2、确定通信的优化性能目标及性能目标的下界：
多用户通信系统中采用信干噪比SINR作为性能指标，信干噪比SINR为：
Figure BDA0003077216100000052
其中，pu是P的第u列向量；
进一步的，由于信干噪比SINR不具备凸性，很难与雷达感知联合优化，因此，本发明采用一种信干噪比SINR下界J：
Figure BDA0003077216100000053
其中，Su是信干噪比SINR下界中的各用户波束增益，Iu是信干噪比SINR下界中的用户间相互干扰；
进一步的，当Iu+NSσ2/Po≤1，以及Su≥Iu时，J成为信干噪比SINR的下界；
其中，Po是基站发射端发送信号的总功率；
进一步的，基带预编码器P如式(6)时，J成为信干噪比SINR的下界；
Figure BDA0003077216100000054
其中，函数pinv为矩阵的伪逆；
步骤3、确定雷达的优化性能目标：
在基站接收端采用互信息MI作为优化指标：
MI＝log|I+GHPPHG| (7)
其中，I是单位矩阵；
进一步的，当基带预编码器P等于雷达信道G做奇异值分解后的左奇异矩阵时，互信息MI实现最优；
步骤4、联合优化通信和雷达的性能目标：
根据步骤2和步骤3，通信和雷达的性能指标都能获得各自的优化，在联合通信与感知一体化网络中，基带预编码器P需要同时兼顾通信性能指标和雷达性能指标，并控制发送功率在合理的范围，本发明在控制雷达感知性能达到一定阈值的情况下最优化通信的性能指标：
arg max J
s.t.MI＞I0,‖P‖F≤P0 (8)
其中，步骤2中的J作为通信的信干噪比SINR下界需要最大化，同时保证步骤3中的雷达互信息指标要大于一个给定的阈值I0，取阈值I0＝2，另外，基带预编码器P的F范数要小于等于发送总功率Po＝1W；
采用J的二次型的特点求解，通过迭代的方式实现式(8)的优化，如图3所示，具体步骤如下：
步骤4.1、将J表征成二次型：
通过式(5)，J进一步表征为：
Figure BDA0003077216100000061
其中，
Figure BDA0003077216100000062
步骤4.2、确定基带预编码器P的初始值，使得限制条件成立：
根据步骤3确定的最优互信息MI的规范值作为基带预编码器P的初始值：
Figure BDA0003077216100000063
其中，UG是雷达信道的左奇异矩阵的前U列；
步骤4.3、沿二次型曲线的最速下降线迭代：
J的最速下降线D为J在基带预编码器P处的一阶导数：
Figure BDA0003077216100000064
进一步的，基带预编码器P的迭代值为P＝P±Dε，其中，ε是一个小步长，ε＝0.01，迭代值有正负两个，选取使得J最速上升的一侧作为新的迭代值，即迭代后基带预编码器P的J值应该越来越大；
进一步的，重复步骤4.3，反复更新基带预编码器P的导数值和基带预编码器P，使得J越来越大；
步骤4.4、式(8)的限制条件不满足时，终止迭代过程：
当迭代次数达到一定值时，式(8)的限制条件将到达边界，此时迭代终止，至此，得出基于通信的信干噪比SINR下界的最优的基带预编码器，有效、快速的实现通信与感知功能联合。
实施例中，通过一种基于信干噪比下界的波形生成方法获得的波形的信干噪比如图4所示，本发明方法生成的波形的频谱效率十分理想，性能接近传统MIMO下雷达与通信独立系统的性能。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于信干噪比下界的波形生成方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、分别构造通信与雷达架构：
在基站发射端，多条数据信息流平行的发送至基带预编码器，进行数字基带预编码处理，处理后的信号实现联合通信与感知功能；
在用户接收端，每个用户采用单一天线接收基站发送的信息；
在基站端，基站同时配备一个多天线基站接收端，基站接收端与基站发射端相邻；
进一步的，基站接收端用于雷达感知；
进一步的，在基站发射端信息流为s，s是在基带数字域上的NS×1维向量，通过基带预编码器P进行预编码处理；
进一步的，基带预编码器P是NT×NS的数字型器件，经过基带预编码P的信号被传送到天线上，NT为基站发射端天线数量，基站发射端发送信号x为：
x＝Ps (1)
进一步的，在每个用户接收端，基站发射端发射的发送信号经历通信信道，通信信道为hu，到达每个用户接收端，用户接收端的接收信号yu为：
Figure FDA0003622308890000011
其中，nu是高斯复噪声，其均值为0，方差为σ2，基站发射端有NS×1维的数据流，用户总数为NS；
进一步的，在基站接收端，采用多天线接收基站发射端发射的信号，期间经历的为雷达信道，雷达信道记为G，忽略噪声，基站接收端接收的感知信号r为：
r＝GHPs (3)
步骤2、确定通信的优化性能目标及性能目标的下界：
采用信干噪比SINR作为多用户通信系统的性能指标，信干噪比SINR为：
Figure FDA0003622308890000012
其中，pu是P的第u列向量；
采用一种信干噪比SINR下界J：
Figure FDA0003622308890000013
其中，Su是信干噪比SINR下界中的各用户波束增益，Iu是信干噪比SINR下界中的用户间相互干扰；
进一步的，当Iu+NSσ2/Po≤1，以及Su≥Iu时，J成为信干噪比SINR的下界；
其中，Po是基站发射端发送信号的总功率；
进一步的，基带预编码器P如式(6)时，J成为信干噪比SINR的下界；
Figure FDA0003622308890000021
其中，函数pinv为矩阵的伪逆；
步骤3、确定雷达的优化性能目标：
在基站接收端，采用互信息MI作为优化指标：
MI＝log|I+GHPPHG| (7)
其中I是单位矩阵；
进一步的，当基带预编码器P等于雷达信道G做奇异值分解后的左奇异矩阵时，互信息MI实现最优；
步骤4、联合优化通信和雷达的性能目标：
修改控制雷达感知性能达到一定阈值的情况下最优化通信的性能指标为：
arg max J
s.t.MI＞I0，||P||F≤P0 (8)
其中，步骤2中的J作为通信的信干噪比SINR下界，对其最大化后取平均，同时保证步骤3中的互信息MI要大于一个给定的阈值I0，另外，基带预编码器P的F范数要小于等于发送总功率Po；
采用J的二次型的特点求解，通过迭代的方式实现式(8)的优化，具体步骤如下：
步骤4.1、将J表征成二次型：
通过式(5)，J进一步表征为：
Figure FDA0003622308890000022
其中，Hu＝[h1，…，hu-1，hu+1，…，hU]，
Figure FDA0003622308890000023
步骤4.2、确定基带预编码器P的初始值，使得限制条件成立：
根据步骤3确定的最优互信息MI的规范值作为基带预编码器P的初始值：
Figure FDA0003622308890000024
其中，UG是雷达信道的左奇异矩阵的前U列；
步骤4.3、沿二次型曲线的最速下降线迭代：
J的最速下降线D为J在基带预编码器P处的一阶导数：
Figure FDA0003622308890000031
进一步的，基带预编码器P的迭代值为P＝P±Dε；
其中，ε是一个小步长，迭代值有正负两个，选取使得J最速上升的一侧作为新的迭代值，即迭代后基带预编码器P的J值应该越来越大；
进一步的，重复步骤4.3，反复更新基带预编码器P的导数值和基带预编码器P，使得J越来越大；
步骤4.4、式(8)的限制条件不满足时，终止迭代过程：
当迭代次数达到一定值时，式(8)的限制条件将到达边界，此时迭代终止，至此，得出基于通信的信干噪比SINR下界的最优的基带预编码器。
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