CN113746534B - 一种卫星大规模mimo通信感知一体化的发送方法 - Google Patents

一种卫星大规模mimo通信感知一体化的发送方法 Download PDF

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CN113746534B CN202111106179.5A CN202111106179A CN113746534B CN 113746534 B CN113746534 B CN 113746534B CN 202111106179 A CN202111106179 A CN 202111106179A CN 113746534 B CN113746534 B CN 113746534B
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Abstract

本发明公开了一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，卫星端配备大规模MIMO阵列，实现通信感知一体化系统。卫星端基于电磁波传播统计特性，发送多个用户终端的通信信号，同时对目标进行检测，实现卫星端与不同用户终端的同时通信以及对目标的感知。本发明充分利用频谱资源，基于卫星实现无线通信和目标感知功能的灵活切换，缓解波束斜视对系统性能的影响，大幅提升通信性能以及雷达的分辨率，可用于构建天、空、地、海一体化综合网络，实现全球覆盖。

Description

一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法
技术领域
本发明涉及一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法。
背景技术
随着无线产业的飞速发展，频谱资源越来越稀缺，频谱资源的价值也越来越高。为了提高频谱资源的利用率，提出了通信感知一体化方法和系统，以实现无线通信与雷达感知两个功能模块之间的频率复用。在通信感知一体化系统中，通信和感知可以在一个硬件平台上同时进行，使射频环境的解拥塞成为可能。现有的通信感知一体化工作主要集中在地面网络，并已经探索了许多设计，以提高两个功能模块的性能。
对于卫星大规模MIMO通信感知一体化系统，其电磁波传播特性与地面存在显著差异，因此不能直接采用地面通信感知一体化系统。具体来说，主要体现在两个方面：一是由于卫星与用户终端以及目标之间的距离较长，会导致高传播延迟，同时，用户终端和检测目标的移动性，会导致较大的多普勒频移。此外，考虑到宽带卫星大规模MIMO通信感知一体化系统采用大规模阵列和宽带传输，导致信道维度大、变化快，这给电磁波传播状态信息的估计带来了挑战。一般情况下，对于卫星大规模MIMO通信感知一体化系统，在卫星侧发射机端，准确的电磁波传播瞬时状态信息是很难得到的。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于电磁波传播统计状态信息的考虑波束斜视的卫星大规模MIMO通信感知一体化方法和系统，可以有效缓解波束斜视对系统性能的影响，实现频谱资源的有效利用，在无线通信和目标感知的功能间灵活切换，大幅提升通信能效以及雷达的分辨率。
技术方案：一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测；通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化；其中，卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，所述电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，所述电磁波传播统计状态信息是目标的到达角；根据所述电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号；在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新所述通信感知一体化预编码。
有益效果：本发明的卫星大规模MIMO通信感知一体化方法具有如下优点：
(1)在本发明中，对考虑波束斜视的电磁波传播统计特性进行建模，建立了波束斜视的程度和系统相关参数之间的关系；
(2)在本发明中，该系统的发射机可以同时执行通信和感知功能，引入加权系数来调整两个功能模块的权重，以权衡通信能效和雷达波束模式估计准确性；
(3)在本发明中，设计了一种混合预编码方法，以缓解波束斜视效应，并增强通信的能效性能和雷达感知的分辨率。
附图说明
图1为卫星大规模MIMO通信感知一体化系统示意图；
图2为卫星端大规模天线阵列配置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的方法，卫星端配备大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测，如图1所示。通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化。其中，通信过程包括信道估计和数据传输；感知过程包括雷达目标搜索和波束赋形。卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，电磁波传播统计状态信息是目标的到达角。
根据电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号，通信感知一体化预编码为基于能效最大化原则和凸优化算法的的混合预编码方案。大规模MIMO天线阵列的每个天线单元独立发送信号，并采用全数字或模拟或混合的传输方式。通过发送一个信号同时实施通信和感知过程中，引入权重系数来权衡通信和感知的性能，以实现无线通信和目标感知功能的灵活切换。在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新通信感知一体化预编码。
具体的，如图2所示，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，包含数百个以上的天线单元，每个天线单元可采用单极化或多极化天线；阵列结构为均匀面阵，其中x和y方向的天线数分别为
Figure BDA0003272481040000031
和
Figure BDA0003272481040000032
则总天线数为
Figure BDA0003272481040000033
天线间隔为r，并采用混合模拟/数字发射机，服务于K个单天线用户，每个用户终端均采用全数字接收机，同时对多个目标进行检测，发射机所需射频链的数量为Mt，K≤Mt≤Nt。
考虑到宽带大规模MIMO低轨卫星系统的频率选择性，采用正交频分复用(OFDM)方案来减小码间干扰，即在信号带宽Bw上共采用M个子载波，则子载波间隔为ΔB＝Bw/M。于是，第m个子载波的频率为
Figure BDA0003272481040000034
1.通信模块
(1)对考虑波束斜视情况下的多径信道传播的统计特性进行建模
注意到卫星高度远高于地面用户终端周围的散射体，若对第k个用户，共有Lk条传播路径，设各传播路径具有相同的到达角
Figure BDA0003272481040000035
其中，
Figure BDA0003272481040000036
和
Figure BDA0003272481040000037
分别表示x和y方向上的到达角。若第l条路径上的传播时延为τk,l，则其与天线阵列第(nx,ny)个元素之间的总时延
Figure BDA0003272481040000038
为
Figure BDA0003272481040000039
式中第二项为对于第k个用户，天线阵列的第(1,1)个元素到第(nx,ny)个元素的之间的时延，即
Figure BDA00032724810400000310
式中
Figure BDA00032724810400000311
分别表示x和y方向上的天线单元编号，c表示光速。
设第k个用户的第l条路径的信道增益为αk,l，多普勒增益为νk,l，则第k个用户和低轨卫星端天线阵列第(nx,ny)个元素之间在时间为t，频率为f时的下行信道空频响应
Figure BDA00032724810400000312
为
Figure BDA0003272481040000041
其中，exp{·}表示指数操作符，
Figure BDA0003272481040000042
fc表示载波频率。对上式重排并进行向量化处理，采用时间和频率同步后得到基带下行信道空频响应矢量
hk(t,f)＝vk(f)gk(t,f)， (5)
其中信道增益gk(t,f)服从参数为莱斯参数κk的莱斯分布，且其能量满足
Figure BDA0003272481040000043
其中γk是卫星和第k个用户之间的信道能量，
Figure BDA0003272481040000044
表示求期望操作符，vk(f)为阵列响应矢量，且有
Figure BDA0003272481040000045
其中
Figure BDA0003272481040000046
表示m×n维子空间，
Figure BDA0003272481040000047
表示Kronecker积；对于
Figure BDA0003272481040000048
Figure BDA0003272481040000049
式中，
Figure BDA00032724810400000410
上标T为转置操作符。v(f,θk)表示和频率与到达角相关的阵列响应。
为表述方便，考虑每个相干时间间隔，省略时间参数t。此外，在频率为fm的第m个子载波处，令
Figure BDA00032724810400000411
于是，相应的信道响应矢量可表示为
hk[m]＝vk[m]gk[m]. (8)
(2)考虑下行信道传输信号
在第m个子载波处，数据矢量为
Figure BDA00032724810400000412
其中，sk[m]是对第k个用户的传输符号，则信号传输矢量为
Figure BDA00032724810400000413
其中B[m]为混合预编码矩阵，包括恒模射频预编码器
Figure BDA00032724810400000414
和基带预编码器
Figure BDA00032724810400000415
其中，wk[m]是对第k个用户的基带预编码矢量，则有
Figure BDA00032724810400000416
其中，
Figure BDA00032724810400000417
是对第k个用户的预编码矢量。
卫星与第k个用户之间的信噪比SINR、速率Rk和能效EE分别定义为
Figure BDA0003272481040000051
Figure BDA0003272481040000052
Figure BDA0003272481040000053
式中，
Figure BDA0003272481040000054
为总发射功率，其中，1/ξ为放大器的有效性，Pt为静态功耗，||·||2表示向量2范数，N0表示噪声功率，bl[m]是对第l个用户的预编码矢量，上标H为矩阵操作符。SINRk[m]表示第k个用户在第m个子载波处的信噪比，Rk[m]表示第k个用户在第m个子载波处的速率。
2.感知模块
考虑和混合预编码架构进行联合设计的子阵列MIMO雷达，在第m个子载波处，其发送的全向波束模式为
Figure BDA0003272481040000055
其中，
Figure BDA0003272481040000056
表示到达角为θ的阵列响应矢量，v(fm,θ)表示和频率与到达角相关的阵列响应，θ＝(θx,θy)表示到达角，θx和θy分别表示x和y方向上的到达角，自相关矩阵X[m]定义为
Figure BDA0003272481040000057
假设有Pr≤K个检测目标，则最优的子阵列雷达预编码器可以表示为
Figure BDA0003272481040000058
式中，
Figure BDA0003272481040000059
表示vp[m]中对应位置的元素，blkdiag{·}表示块对角阵，p∈{1,2,...,Pr}，vp[m]表示和频率与到达角相关的阵列响应，Pr表示目标数。
3.波束斜视感知的混合预编码器设计
对于宽带下行卫星大规模MIMO通信感知一体化系统设计一种波束斜视感知的混合预编码器，在寻求通信的能效最大化的同时保证雷达感知性能，考虑如下优化问题
Figure BDA00032724810400000510
Figure BDA0003272481040000061
其中，P表示功率预算，U[m]为在第m个子载波处引入的辅助酉矩阵，使得最优雷达预编码器的维数与混合预编码器的维数相匹配，注意到该操作不影响雷达的波束模式，ε为数字/模拟混合预编码器与雷达预编码器(带旋转)的欧氏距离公差项，
Figure BDA0003272481040000062
为Pr×Pr阶的单位阵，||·||F表示矩阵F范数。此外，
Figure BDA0003272481040000063
为模拟预编码器所需要满足的约束，具体而言，
Figure BDA0003272481040000064
分别为采用全连接和部分连接结构模拟预编码器满足的约束条件，即
Figure BDA0003272481040000065
Figure BDA0003272481040000066
式中，Ng＝Nt/Mt表示组数。
步骤1：对于优化问题
Figure BDA0003272481040000067
将模拟预编码器和数字预编码器的乘积视作一个整体，并暂时不考虑无关约束，得到全数字预编码问题
Figure BDA0003272481040000068
Figure BDA0003272481040000069
步骤2：由于较难估计Rk[m]的准确值，考虑波传播统计特性，采用其紧上界作为替代，即
Figure BDA00032724810400000610
步骤3：令
Figure BDA0003272481040000071
为所有子载波预编码矩阵的集合，采用Dinkelbach算法将问题
Figure BDA0003272481040000072
转化为一系列子问题
Figure BDA0003272481040000073
即
Figure BDA0003272481040000074
其中，辅助变量η(i)满足
Figure BDA0003272481040000075
步骤4：考虑第i个子问题，为表示方便，下述省略编号i，令bk[m]＝bk,m，vk[m]＝vk,m，则问题
Figure BDA0003272481040000076
可以表示为
Figure BDA0003272481040000077
步骤5：引入辅助变量
Figure BDA0003272481040000078
采用拉格朗日对偶转化，则上述问题变为
Figure BDA0003272481040000079
Figure BDA00032724810400000710
注意到，固定
Figure BDA00032724810400000711
时，
Figure BDA00032724810400000712
对变量λk,m为一凹函数，可令
Figure BDA00032724810400000713
得到
Figure BDA00032724810400000714
步骤6：引入辅助变量
Figure BDA00032724810400000715
利用二次变换，将问题
Figure BDA00032724810400000716
转化为
Figure BDA0003272481040000081
其中，
Figure BDA0003272481040000082
令
Figure BDA0003272481040000083
可得
Figure BDA0003272481040000084
步骤7：注意到当(η,λ,ρ)固定时，问题
Figure BDA0003272481040000085
的目标函数对于变量bk,m来说是凸的，可采用拉格朗日算子法求解，具体来说，引入拉格朗日乘子t，则问题
Figure BDA0003272481040000086
的拉格朗日函数可以表示为
Figure BDA0003272481040000087
由KKT条件，可得
Figure BDA0003272481040000088
Figure BDA0003272481040000089
步骤8：对于第m个子载波，在得到等效的全数字预编码矩阵Bcom[m]后，引入权重系数ζ来权衡通信和感知模块的性能，对应的加权和最小问题为
Figure BDA00032724810400000810
其中ζ表示权重。对于任意子载波m，迭代求解可得模拟和数字预编码矢量，下述省略标号m。
步骤9：对于全连接结构的模拟预编码器，
A1：对于固定的V,W，问题
Figure BDA0003272481040000091
转化为
Figure BDA0003272481040000092
采用奇异值分解法可以得到上述问题的解，即
Figure BDA0003272481040000093
其中，Q和R是对
Figure BDA0003272481040000094
进行奇异值分解之后的结果，即
Figure BDA0003272481040000095
其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵，
Figure BDA0003272481040000096
为一稀疏矩阵。
A2：对于固定的V,U，问题
Figure BDA0003272481040000097
转化为
Figure BDA0003272481040000098
注意到，对于问题
Figure BDA0003272481040000099
其目标函数表示为两个F范数的加权和，令辅助矩阵
Figure BDA00032724810400000910
容易推出，AHA＝VHV，于是问题
Figure BDA00032724810400000911
可以转化为
Figure BDA00032724810400000912
则数字预编码器W可以进行如下更新，
W＝(AHA)-1 AHC＝(VHV)-1 AHC, (36)
Figure BDA00032724810400000913
A3：令
Figure BDA00032724810400000914
为辅助矩阵，对于固定的W,U，问题
Figure BDA00032724810400000915
转化为
Figure BDA0003272481040000101
令辅助矩阵Y＝GGH，其最大特征值为λmax(Y)，则问题的
Figure BDA0003272481040000102
解为
Figure BDA0003272481040000103
其中，
Figure BDA0003272481040000104
为辅助矩阵，∠为取角度操作符。
重复过程①-③至目标函数f收敛。
步骤10：对于部分连接结构的模拟预编码器，其第(i,j)个元素
Figure BDA0003272481040000105
其中
Figure BDA0003272481040000106
为取上界操作符，φi,j为矩阵中第(i,j)个元素的角度，该模拟预编码矩阵满足
Figure BDA0003272481040000107
B1：对于固定的V,W，问题
Figure BDA0003272481040000108
转化为
Figure BDA0003272481040000109
采用奇异值分解法可以得到上述问题的解，即
Figure BDA00032724810400001010
其中，Q和R是对
Figure BDA00032724810400001011
进行奇异值分解之后的结果，即
Figure BDA00032724810400001012
其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵，
Figure BDA00032724810400001013
为一稀疏矩阵。
B2：令
Figure BDA00032724810400001014
为辅助矩阵，对于固定的V,U，问题
Figure BDA00032724810400001015
可以转化为
Figure BDA00032724810400001016
则数字预编码器W可以进行如下更新，
Figure BDA00032724810400001017
B3：令辅助矩阵
Figure BDA0003272481040000111
其中[·]i,:表示矩阵的第i行，[·]j,:表示矩阵的第j行，对于固定的W,U，问题
Figure BDA0003272481040000112
转化为
Figure BDA0003272481040000113
可以将该问题的解表示为
Figure BDA0003272481040000114
重复过程B1-B3至目标函数f收敛。
在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间波传播统计特性的变化，动态地实施前述通信感知一体化混合预编码过程，形成更新后的通信感知一体化混合预编码方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，其特征在于，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测；通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化；其中，卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，所述电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，所述电磁波传播统计状态信息是目标的到达角；根据所述电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号；在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新所述通信感知一体化预编码；
通过发送一个信号同时实施通信和感知过程中，引入权重系数来权衡通信和感知的性能；
所述通信感知一体化预编码设计方法包括如下步骤：
在寻求通信的能效最大化的同时保证雷达感知性能，建立优化问题
Figure FDA0003543457850000013
Figure FDA0003543457850000011
Figure FDA0003543457850000012
其中，K表示用户数，Rk表示卫星与第k个用户之间的通信速率，Ptotal表示总发射功率，M表示子载波数，V[m]表示恒模射频预编码器，W[m]表示基带预编码器，wk[m]表示对第k个用户的基带预编码矢量，P表示功率预算，
Figure FDA0003543457850000014
为模拟预编码器所需要满足的约束，Brad[m]表示最优的子阵列雷达预编码器，U[m]表示在第m个子载波处引入的辅助酉矩阵，ε表示混合预编码器与雷达预编码器的欧氏距离公差项，
Figure FDA0003543457850000015
表示Pr×Pr阶的单位阵，Pr表示目标数，||·||F表示矩阵F范数；
步骤1：对于优化问题
Figure FDA0003543457850000021
将模拟预编码器和数字预编码器的乘积视作一个整体，并暂时不考虑无关约束，得到全数字预编码问题
Figure FDA0003543457850000022
Figure FDA0003543457850000023
其中，B[m]表示混合预编码矩阵，bk[m]＝V[m]wk[m]表示对第k个用户的预编码矢量；
步骤2：考虑波传播统计特性，采用Rk[m]的紧上界
Figure FDA0003543457850000024
作为替代，即
Figure FDA0003543457850000025
其中，Rk[m]表示第k个用户第m个子载波上的速率，γk是卫星和第k个用户之间的信道能量，vk[m]表示频率为fm的第m个子载波处的阵列响应矢量，N0表示噪声功率；
步骤3：令
Figure FDA0003543457850000026
为所有子载波预编码矩阵的集合，采用Dinkelbach算法将问题
Figure FDA0003543457850000027
转化为一系列子问题
Figure FDA0003543457850000028
即
Figure FDA0003543457850000029
其中，
Figure FDA00035434578500000210
表示和所有子载波预编码矩阵集合相关的速率的紧上界，
Figure FDA00035434578500000211
表示和所有子载波预编码矩阵集合相关的总功率，辅助变量η(i)满足
Figure FDA00035434578500000212
步骤4：考虑第i个子问题，为表示方便，省略编号i，令bk,m＝bk[m]，vk,m＝vk[m]，则问题
Figure FDA00035434578500000213
表示为
Figure FDA0003543457850000031
Figure FDA0003543457850000032
其中，1/ξ为放大器的有效性，Pt表示静态功耗；
步骤5：引入辅助变量
Figure FDA0003543457850000033
采用拉格朗日对偶转化，则问题
Figure FDA0003543457850000034
转化为
Figure FDA0003543457850000035
Figure FDA0003543457850000036
Figure FDA0003543457850000037
其中，λk,m表示辅助变量；
当固定
Figure FDA0003543457850000038
时，
Figure FDA0003543457850000039
对变量λkm为一凹函数，则令
Figure FDA00035434578500000310
得到
Figure FDA00035434578500000311
其中，
Figure FDA00035434578500000312
表示辅助变量的最优值；
步骤6：引入辅助变量
Figure FDA00035434578500000313
利用二次变换，将问题
Figure FDA00035434578500000314
转化为
Figure FDA00035434578500000315
其中，ρk,m表示辅助变量；
Figure FDA00035434578500000316
其中，
Figure FDA00035434578500000317
表示取实部运算符；
令
Figure FDA00035434578500000318
得到
Figure FDA0003543457850000041
其中，
Figure FDA0003543457850000042
表示辅助变量的最优值；
步骤7：当(η,λ,ρ)固定时，问题
Figure FDA00035434578500000413
的目标函数对于变量bk,m来说是凸的，则采用拉格朗日算子法求解，具体的，引入拉格朗日乘子t，则问题
Figure FDA0003543457850000043
的拉格朗日函数表示为
Figure FDA0003543457850000044
由KKT条件，得到
Figure FDA0003543457850000045
Figure FDA0003543457850000046
其中，
Figure FDA0003543457850000047
表示预编码矢量的最优值，I表示单位阵；
步骤8：对于第m个子载波，在得到等效的全数字预编码矩阵Bcom[m]后，引入权重系数ζ来权衡通信和感知模块的性能，对应的加权和最小问题为
Figure FDA0003543457850000048
对于任意子载波m，迭代求解可得模拟和数字预编码矢量，下述省略标号m；
步骤9：对于全连接结构的模拟预编码器，
A1：对于固定的V,W，问题
Figure FDA0003543457850000049
转化为
Figure FDA00035434578500000410
采用奇异值分解法得到问题
Figure FDA00035434578500000411
的解，即
Figure FDA00035434578500000412
其中，Q和R是对
Figure FDA0003543457850000051
进行奇异值分解之后的结果，即
Figure FDA0003543457850000052
其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵，
Figure FDA0003543457850000053
为一稀疏矩阵；
A2：对于固定的V,U，问题
Figure FDA0003543457850000054
转化为
Figure FDA0003543457850000055
对于问题
Figure FDA0003543457850000056
其目标函数表示为两个F范数的加权和，令辅助矩阵
Figure FDA0003543457850000057
Nt为天线数，Mt为发射机所需射频链的数量，
Figure FDA0003543457850000058
AHA＝VHV，于是问题
Figure FDA0003543457850000059
转化为
Figure FDA00035434578500000510
则数字预编码器W进行如下更新，
W＝(AHA)-1AHC＝(VHV)-1AHC, (36)
Figure FDA00035434578500000511
A3：令
Figure FDA00035434578500000512
为辅助矩阵，对于固定的W,U，问题
Figure FDA00035434578500000513
转化为
Figure FDA00035434578500000514
令辅助矩阵Y＝GGH，其最大特征值为λmax(Y)，则问题的
Figure FDA00035434578500000515
解为
Figure FDA00035434578500000516
其中，
Figure FDA00035434578500000517
Figure FDA00035434578500000518
为辅助矩阵，∠为取角度操作符；
重复过程A1-A3至目标函数f收敛；
步骤10：对于部分连接结构的模拟预编码器，其第(i,j)个元素
Figure FDA00035434578500000519
Figure FDA0003543457850000061
其中
Figure FDA0003543457850000062
为取上界操作符，φi,j为矩阵中第(i,j)个元素的角度，Ng＝Nt/Mt，模拟预编码矩阵满足
Figure FDA0003543457850000063
B1：对于固定的V,W，问题
Figure FDA0003543457850000064
转化为
Figure FDA0003543457850000065
采用奇异值分解法得到问题
Figure FDA0003543457850000066
的解，即
Figure FDA0003543457850000067
其中，Q和R是对
Figure FDA0003543457850000068
进行奇异值分解之后的结果，即
Figure FDA0003543457850000069
其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵，
Figure FDA00035434578500000610
为一稀疏矩阵；
B2：令
Figure FDA00035434578500000611
为辅助矩阵，对于固定的V,U，问题
Figure FDA00035434578500000612
转化为
Figure FDA00035434578500000613
则数字预编码器W可以进行如下更新，
Figure FDA00035434578500000614
B3：令辅助矩阵
Figure FDA00035434578500000615
其中[·]i,:表示矩阵的第i行，[·]j,:表示矩阵的第j行，对于固定的W,U，问题
Figure FDA00035434578500000616
转化为
Figure FDA00035434578500000617
将问题
Figure FDA00035434578500000618
的解表示为
Figure FDA00035434578500000619
重复过程B1-B3至目标函数f收敛。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113746534B (zh) * 2021-09-22 2022-04-19 东南大学 一种卫星大规模mimo通信感知一体化的发送方法
CN114222311B (zh) * 2021-12-24 2023-11-03 中国电子科技集团公司第十四研究所 一种多面相控阵雷达通信定向波束组网方法
CN114599086B (zh) * 2022-03-04 2023-05-09 北京邮电大学 一种通信感知一体化方法、装置、基站及系统
CN117081896A (zh) * 2022-05-09 2023-11-17 中兴通讯股份有限公司 通信方法、设备和存储介质
CN115173903B (zh) * 2022-06-30 2024-03-26 深圳泓越信息科技有限公司 一种通感一体化系统功率分配方法
WO2024055176A1 (zh) * 2022-09-14 2024-03-21 华为技术有限公司 通信方法、装置、设备以及存储介质
CN115685204B (zh) * 2022-12-28 2023-05-05 北京九天微星科技发展有限公司 一种用于低轨卫星星座的sar成像通信一体化方法及设备
CN116488686A (zh) * 2023-04-14 2023-07-25 中山大学 一种低轨卫星多组多播混合预编码方法及系统
CN116633397B (zh) * 2023-05-19 2024-02-02 西安科技大学 一种分布式mimo系统ap子阵的阵列拓扑结构优化方法及装置
CN117240342B (zh) * 2023-09-05 2024-05-10 大连海事大学 一种工业物联网中通感控一体化方法
CN117411524A (zh) * 2023-10-17 2024-01-16 华中科技大学 一种雷达通信一体化发射信号的确定方法及装置
CN117714446B (zh) * 2024-02-02 2024-04-16 南京信息工程大学 一种卫星云边协同计算的卸载方法及装置
CN117811961A (zh) * 2024-03-01 2024-04-02 南京航空航天大学 一种面向海上移动目标的异构星座观测效能评估方法
CN117956505A (zh) * 2024-03-26 2024-04-30 厦门大学 基于互信息的通感一体化系统时频资源分配方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110611527A (zh) * 2019-09-17 2019-12-24 北京邮电大学 一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统
WO2020034394A1 (zh) * 2018-08-13 2020-02-20 南京邮电大学 基于压缩感知的大规模mimo信道反馈重构算法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8160121B2 (en) * 2007-08-20 2012-04-17 Rearden, Llc System and method for distributed input-distributed output wireless communications
CA3025857C (en) * 2007-08-20 2022-10-18 Rearden, Llc System and method for distributed input distributed output wireless communications
US10250309B2 (en) * 2016-03-24 2019-04-02 Huawei Technologies, Co., Ltd. System and method for downlink channel estimation in massive multiple-input-multiple-output (MIMO)
WO2021062354A1 (en) * 2019-09-26 2021-04-01 Cohere Technologies, Inc. Multi-layer multi-beam communication systems
CN112511201B (zh) * 2020-11-19 2021-10-26 东南大学 天波大规模mimo通信方法及模型和系统
CN113746534B (zh) * 2021-09-22 2022-04-19 东南大学 一种卫星大规模mimo通信感知一体化的发送方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020034394A1 (zh) * 2018-08-13 2020-02-20 南京邮电大学 基于压缩感知的大规模mimo信道反馈重构算法
CN110611527A (zh) * 2019-09-17 2019-12-24 北京邮电大学 一种阵列天线、波束成形方法及感知和通信一体化系统

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An Efficient Channel Estimation Scheme for mmWave Massive MIMO Systems;Ahmad m.y. Al-Nimrat 等;《2019 IEEE International Conference on Communication, Networks and Satellite》;20190919;第1-8页 *
Massive MIMO Transmission for LEO Satellite Communications;Li You 等;《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》;20200608;第38卷(第8期);第1851-1865页 *
基于雷达通信一体化机制的车辆情境信息感知方法研究;田旋旋 等;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》;20200115;第81-105页 *
认知卫星通信频谱感知及资源分配技术综述;刘瑞 等;《电讯技术》;20210831;第61卷(第8期);第1048-1056页 *
认知星地一体化网络中能效最大化的鲁棒功率控制算法;杜鹏飞 等;《电讯技术》;20180914;第59卷(第04期);第383-388页 *

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