CN114726410B - 一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法及系统 - Google Patents

一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法及系统，包括：求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；包括：构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布。通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率。在满足同样感知性能要求情况下，本发明的频谱效率更高。通过修改系统中通信和感知之间的折中因子，能够实现在满足同样通信频谱效率的情况下，本发明方案在目标区域方向上的波束图更加接近于参考波束图。在通信和感知性能方面优于现有的波束设计方法。

Description

一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方 法及系统
技术领域
本发明涉及一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法及系统，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着第五代(5G)移动通信网络的部署，对第六代(6G)移动通信网络的研究在世界范围内被提上了议事日程。将感知能力整合到未来的移动通信网络中，是当前移动通信网络升级的重要方向之一。作为一个基本特征，传感将扩展未来移动网络的能力，这可以促进许多潜在的应用，包括智能交通系统、智能工厂和城市、健康医疗等[F.Liu,C.Masouros,A.P.Petropulu,H.Griffiths and L.Hanzo,"Joint Radar and Communication Design:Applications,State-of-the-Art,and the Road Ahead,"in IEEE Transactions onCommunications,vol.68,no.6,pp.3834-3862,June 2020]。在过去的几十年里，尽管感知和通信系统在收发器结构、射频(RF)前端设计、信号处理算法等方面有许多共性，但它们一直独立存在并行增长。硬件共享、节省频谱和能量资源的通信感知一体化(IntegratedSensing and Communication，ISAC)系统可以减少射频频谱拥塞，提高效率，近年来受到广泛关注。天线阵列作为关键技术之一，已广泛应用于现有的独立感知和通信系统中。多天线技术可以支持狭窄的波束形成，以补偿高频段(如毫米波频段)相关的高路径损耗。此外，多天线还提供了更多的自由度，以实现更好的通信和感知性能。
在通信系统中，多天线背景下催生了空间调制技术。空间调制是一种基于切换机制的新型通信调制技术，通过在不同时隙激活不同的天线或波束，利用空间域和幅度/相位域同时传输信息，从而提高频谱效率。与传统多天线技术相比，空间调制仅使用少量射频链路，具有硬件成本低、能量效率高以及系统复杂度低的优势，在未来通信系统中非常具有应用前景[R.Y.Mesleh,H.Haas,S.Sinanovic,C.W.Ahn and S.Yun,"Spatial Modulation,"IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.57,no.4,pp.2228-2241,2008.]。
在早期的多天线ISAC系统设计中，系统的波束在一个相干时间内是固定的，信息位只能由数据符号来携带，无法对频谱效率进行额外的增加。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法。具体来说，在一个相干时间内设计多个波束，构成波束集，并根据要传输的信息位选择其中一个波束在每个发送符号时间内被激活。通过这种设计，采用波束编号来携带除数据符号之外的信息，提高了频谱效率。这样设计的ISAC系统相对于现有的设计方案，在同样满足感知性能要求的情况下，能提高系统的通信频谱效率。通过修改通信和感知之间的折中因子，在满足同样通信频谱效率的情况下，本发明波束设计方案相对于现有方案，感知性能更好。
本发明还提供了一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制系统。
本发明的技术方案为：
一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，包括：
求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；
通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；
其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：
构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布。
根据本发明优选的，上述非均匀波束空间调制方法适用于多输入多输出通信系统，该多输入多输出通信系统包括Nt根发射端天线和Nr根接收端天线，需要发射的数据流数为Ns；
在发射端，将需要发送的信息比特序列b分成两个部分：b1和b2；
b1为空间调制部分，映射到维数为Nt×Ns的波束矩阵
Figure BDA0003534252920000021
波束矩阵Fi满足概率分布p(F＝Fi)＝pi；p代表概率分布，F＝Fi表示Fi被激活，pi为每个波束矩阵被激活的概率；
b2为数据调制部分，将其映射到一个维数为Ns×1的符号向量s，s满足约束条件期望均值
Figure BDA0003534252920000022
根据本发明优选的，构建通信发射信号，是指：一旦波束矩阵Fi被选定，通信发射信号向量表示为式(I)：
x＝Fis， (I)
式(I)中，归一化发射功率约束满足
Figure BDA0003534252920000023
根据本发明优选的，构建通信接收信号，是指：通过无线信道，通信接收机接收到的通信接收信号表示为式(II)：
Figure BDA0003534252920000024
式(II)中，ρ代表平均接收功率，
Figure BDA0003534252920000025
代表信道矩阵，n代表噪声向量。
进一步优选的，对于无线信道，假设为一个聚类信道模型，即Saleh-Valenzuela模型，假设多天线的收发器都采用均匀线性阵列，并假设天线之间的距离是波长的一半，H的转向矢量的表示为式(III)：
Figure BDA0003534252920000031
其中，θt代表波束的指向角度。
根据本发明优选的，构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界作为通信性能的目标，是指：
用
Figure BDA0003534252920000032
表示候选波束矩阵的集合，集合的大小为K；用p＝[p1，p2，…，pK]表示各个候选波束矩阵激活概率的分布；非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界表示为式(IV)：
Figure BDA0003534252920000033
式(IV)中，det表示求矩阵行列式，
Figure BDA0003534252920000034
Figure BDA0003534252920000035
表示一个维数为Nr×Nr的单位矩阵。
根据本发明优选的，构建感知性能目标函数，是指：
感知性能由期望的相似度水平来衡量，感知性能目标函数即相似度水平定义为式(V)：
Figure BDA0003534252920000036
式(V)中，Frad是指一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵，根据目标区域计算得来。
根据本发明优选的，求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布，是指：
首先，解耦了
Figure BDA0003534252920000037
和p的优化问题；将第一个元素F1假设为最优波束矩阵；然后，基于所构建的
Figure BDA0003534252920000038
优化p将得到一个更优的解决方案。
进一步优选的，求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure BDA0003534252920000039
和波束激活概率分布p，包括：
1)对于优化
Figure BDA00035342529200000310
通过解决公式(VI)来构造Fi：
Figure BDA00035342529200000311
式(VI)中，η代表通信和感知之间的折中因子，
Figure BDA00035342529200000312
代表第i个通信所需的理想波束；
对式(VI)进行化简得到式(VII)：
Figure BDA00035342529200000313
式(VII)中，两个辅助矩阵
Figure BDA0003534252920000041
和
Figure BDA0003534252920000042
使用复杂度较低的最小均方算法来求解式(VII)，如式(VIII)所示：
Figure BDA0003534252920000043
将求解后的Fi乘以一个归一化因子
Figure BDA0003534252920000044
即满足功率约束要求，即要求取的候选波束矩阵
Figure BDA0003534252920000045
2)对于优化p的子问题，将其构造为一个拉格朗日函数，如式(IX)所示：
Figure BDA0003534252920000046
求解式(IX)即求得波束激活概率分布p。
根据本发明优选的，通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，是指：将求取得到的使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure BDA0003534252920000047
和波束激活概率分布p代入式(IV)，求取非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率。
一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制系统，包括：
ISAC波束求取单元，被配置为，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；
非均匀波束空间调制单元，被配置为，通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；
其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：
构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布。
本发明的有益效果为：
1.针对目前ISAC系统的缺点，本发明根据每个发送符号时隙主动选择波束，通过选择波束编号携带附加信息，即波束空间调制，提高了频谱效率上界。在本发明中，每个波束图被激活的概率和信息都是唯一的，且各不相同。本发明证明，在不损失感知性能的前提下，基于本发明设计方案的ISAC系统在频谱效率方面始终优于现有的固定波束模式激活的ISAC方案。
2.通过修改系统中通信和感知之间的折中因子，可以实现在满足通信频谱效率的情况下，本发明感知性能比现有方案的感知性能好，波束图更加接近参考波束图。
附图说明
图1是本发明基于非均匀波束空间调制的ISAC系统的模型示意图；
图2是本发明非均匀波束空间调制方法与传统方法的ISAC传输性能对比示意图；
图3是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F1及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；
图4是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F2及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；
图5是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F3及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；
图6是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F4及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；
图7是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F5及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；
图8是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F6及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；
图9为使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布的求取流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明予以进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，包括：
求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；
通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；
其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：
构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布。
实施例2
根据实施例1所述的一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，其区别在于：
上述非均匀波束空间调制方法适用于多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)通信系统，如图1所示，该多输入多输出通信系统包括Nt根发射端天线和Nr根接收端天线，需要发射的数据流数为Ns。其中基带处理单元为基站中对接收信号进行处理的数字处理单元，射频链路为基站中的射频处理单元，NRF表示射频链路数。
在发射端，将需要发送的信息比特序列b分成两个部分：b1和b2；
b1为空间调制部分，映射到维数为Nt×Ns的波束矩阵
Figure BDA0003534252920000061
波束矩阵Fi满足概率分布p(F＝Fi)＝pi；p代表概率分布，F＝Fi表示Fi被激活，pi为每个波束矩阵被激活的概率；
映射过程可以通过使用[P.Schulte and G.B..ocherer,“Constant compositiondistribution matching,”IEEE Trans.Inf.Theory,vol.62,no.1,pp.430–434,2016.]中的不变组合和算术编码算法来完成。
b2为数据调制部分，借助常规调制方法例如信源编码和复数调制将其映射到一个维数为Ns×1的符号向量s，s满足约束条件期望均值
Figure BDA0003534252920000062
为了最大化通信系统的频谱效率，s中的数据符号遵循一个复高斯分布。
构建通信发射信号，是指：一旦波束矩阵Fi被选定，通信发射信号向量表示为式(I)：
x＝Fis， (I)
式(I)中，归一化发射功率约束满足
Figure BDA0003534252920000063
构建通信接收信号，是指：通过无线信道，通信接收机接收到的通信接收信号表示为式(II)：
Figure BDA0003534252920000064
式(II)中，ρ代表平均接收功率，
Figure BDA0003534252920000065
代表信道矩阵，n代表噪声向量。
对于无线信道，假设为一个聚类信道模型，即Saleh-Valenzuela模型，假设多天线的收发器都采用均匀线性阵列，并假设天线之间的距离是波长的一半，H的转向矢量的表示为式(III)：
Figure BDA0003534252920000066
其中，θt代表波束的指向角度。
构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界作为通信性能的目标，是指：
为了便于分析频谱效率，用
Figure BDA0003534252920000067
表示候选波束矩阵的集合，集合的大小为K；用p＝[p1，p2，…，pK]表示各个候选波束矩阵激活概率的分布；为了便于分析，使用波束调制频谱效率的上界
Figure BDA0003534252920000068
作为通信性能的目标。通过[S.Guo,H.Zhang,and M.-S.Alouini,“Asymptotic capacity for MIMO communications with insufficientradio frequency chains,”IEEE Trans.Commun.,vol.68,no.7,pp.4190–4201,July2020]中的证明可知，在信号噪声比的高区域，通信系统的实际频谱效率是收敛于上界
Figure BDA0003534252920000069
的。基于上述证明，非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界表示为式(IV)：
Figure BDA0003534252920000071
式(IV)中，det表示求矩阵行列式，
Figure BDA0003534252920000072
Figure BDA0003534252920000073
表示一个维数为Nr×Nr的单位矩阵。
构建感知性能目标函数，是指：
除了通信任务外，发射机还需要形成波束来探测目标区域，完成感知任务。给定公式(III)中的发射端转向矢量，位于方向的目标辐射可计算为
Figure BDA0003534252920000074
进一步地可以计算出位于θ方向的波束发射功率P(θ)，表示为
Figure BDA0003534252920000075
为了较好地完成感知探测的目的，最好把发射机的辐射能量集中在感兴趣的空间剖面上。波束图矩阵Fi应该具有期望的特性，例如低旁瓣电平。本发明设计了一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵Frad。为了满足感知要求应该使Fi尽可能接近于Frad。感知性能由期望的相似度水平来衡量，感知性能目标函数即相似度水平定义为式(VII)：
Figure BDA0003534252920000076
式(VII)中，Frad是指一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵，根据目标区域计算得来。
求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布，是指：
联合优化通信和感知。从频谱效率计算公式(IV)和感知性能衡量指标公式(VII)可以看出，ISAC系统的整体性能是受波束矩阵Fi和波束模式激活分布概率p的影响。在功率约束条件下，设计Fi和p使得频谱效率最大化和感知性能最优成为目标。
为了获得在低复杂度下可证明且可行的优越解，我们首先，解耦了
Figure BDA0003534252920000077
和p的优化问题；在此基础上，将现有设计方案给出的最优波束作为
Figure BDA0003534252920000078
的一个元素。为不失一般性，将第一个元素F1假设为最优波束矩阵；然后，K-1个矩阵F2，…，FK与F1之间是相互独立的。基于所构建的
Figure BDA0003534252920000079
优化p将得到一个更优的解决方案。这是因为现有的设计是设计的一种特殊情况，即p＝[1，0，…，0]T，优化后的解总是优于特殊解。下面步骤中将详细介绍如何设计
Figure BDA00035342529200000710
和p。
求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure BDA00035342529200000711
和波束激活概率分布p，如图9所示，包括：
1)对于优化
Figure BDA0003534252920000081
通过解决公式(VIII)来构造Fi：
Figure BDA0003534252920000082
式(VIII)中，η代表通信和感知之间的折中因子，同时发挥了类似于感知性能相似度的作用。
Figure BDA0003534252920000083
代表第i个通信所需的理想波束；由对信道作奇异值分解得来。
对式(VIII)进行化简得到式(IX)：
Figure BDA0003534252920000084
式(IX)中，两个辅助矩阵
Figure BDA0003534252920000085
和
Figure BDA0003534252920000086
式(IX)是一个典型的二次约束二次规划问题(quadratically constrainedquadratic program,QCQP)。使用复杂度较低的最小均方算法来求解式(IX)，如式(X)所示：
Figure BDA0003534252920000087
将求解后的Fi乘以一个归一化因子
Figure BDA0003534252920000088
即满足功率约束要求，即要求取的候选波束矩阵
Figure BDA0003534252920000089
2)对于优化p的子问题，将其构造为一个拉格朗日函数，如式(XI)所示：
Figure BDA00035342529200000810
求解式(XI)即求得波束激活概率分布p。
通过以上方法，设计出同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束。
通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，是指：将求取得到的使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure BDA00035342529200000811
和波束激活概率分布p代入式(IV)，求取非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率。
在本实施例中，设定发送信号数据流数Ns＝2，发射端天线数Nt＝64和接收端天线数Nr＝36，射频链路数设置为NRF＝2。需要感知的区域的角度设置为[-30°，-60°]。信道矩阵H是统计独立同分布的复高斯矩阵，其元素是服从零均值、单位方差的复高斯分布的随机变量，信道中的散射体数设置为L＝4。
从频谱效率和频谱上界两个方面评价ISAC的通信性能，图2是本发明非均匀波束空间调制方法与传统方法的传输性能对比示意图，横坐标为SNR，信噪比(Signal NoiseRatio)，单位dB；纵坐标为spectral efficiency，即频谱效率，其定义为净比特率(有用信息速率，不包括纠错码)或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽(单位：赫兹)。其中，通信和感知之间折中系数设置为0.5，LS代表最小均方差方法，SDR代表半定松弛法(Semidefinite Relaxation)。从图2可以看出，本发明非均匀波束空间调制方法的频谱效率高于现有的ISAC波束形成设计。在高信噪比区域，本发明方案的频谱效率比现有方案提高了1bit/s/Hz。这是因为本发明方案采用了波束选择来携带数据符号之外的信息，从而提高了频谱效率。相反，现有方案中的信息位只能由数据符号来携带。除此之外，本发明方案比较了不同的方法来求解公式(IX)，QCQP问题还可以使用经典的SDR方法来求解。从图2中可以看出，两种方法求解的频谱效率是一样的，但是本发明方案使用LS方法的计算复杂度更低。
图3、图4、图5、图6、图7、图8是本发明非均匀波束空间调制方法选择的波束F1、F2、F3、F4、F5、F6及其优化激活概率与现有方案中在相干时间内固定波束的对比示意图；横坐标为方位角，单位为度(°)；纵坐标为波束图增益，单位dB。在给定的系统设置中，候选波束集有6个波束，即F1、F2、F3、F4、F5、F6，图3至图8依次代表本发明的波束设计方案中波束选择后的6个波束。对于这6个波束的激活概率通过优化后分别为0.3905、0.2782、0.0881、0.1531、0.0517和0.0384。图3至图8中，Fb代表现有方案中在相干时间内固定波束的场景，η代表通信和感知之间的折中系数。评价ISAC感知性能的标准是波束图是否接近于参考波束图。通过比较可以看出，在满足同样通信频谱效率情况下通过修改折中因子，本发明的设计方案的波束图在-30°和-60°方向的峰值点处比现有方案高一点。结合图3至图8中的仿真结果可知，本发明所提出的基于非均匀波束空间调制的通信感知一体化波束设计方案能够在通信和感知性能方面优于现有的波束设计方案。
实施例3
一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制系统，包括：
ISAC波束求取单元，被配置为，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；
非均匀波束空间调制单元，被配置为，通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；
其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：
构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布。

Claims (3)

1.一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，其特征在于，包括：
求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；
通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；
其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：
构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布；
所述非均匀波束空间调制方法适用于多输入多输出通信系统，该多输入多输出通信系统包括Nt根发射端天线和Nr根接收端天线，需要发射的数据流数为Ns；
在发射端，将需要发送的信息比特序列b分成两个部分：b1和b2；
b1为空间调制部分，映射到维数为Nt×Ns的波束矩阵
Figure FDA0003806079140000017
波束矩阵Fi满足概率分布p(F＝Fi)＝pi；p代表概率分布，F＝Fi表示Fi被激活，pi为每个波束矩阵被激活的概率；
b2为数据调制部分，将其映射到一个维数为Ns×1的符号向量s，s满足约束条件期望均值
Figure FDA0003806079140000011
构建通信发射信号，是指：一旦波束矩阵Fi被选定，通信发射信号向量表示为式(I)：
x＝Fis， (I)
式(I)中，归一化发射功率约束满足
Figure FDA0003806079140000012
构建通信接收信号，是指：通过无线信道，通信接收机接收到的通信接收信号表示为式(II)：
Figure FDA0003806079140000013
式(II)中，ρ代表平均接收功率，
Figure FDA0003806079140000014
代表信道矩阵，n代表噪声向量；
构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界作为通信性能的目标，是指：
用
Figure FDA0003806079140000015
表示候选波束矩阵的集合，集合的大小为K；用p＝[p1，p2，…，pK]表示各个候选波束矩阵激活概率的分布；非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界表示为式(IV)：
Figure FDA0003806079140000016
式(IV)中，det表示求矩阵行列式，
Figure FDA0003806079140000021
Figure FDA0003806079140000022
表示一个维数为Nr×Nr的单位矩阵；
构建感知性能目标函数，是指：
感知性能由期望的相似度水平来衡量，感知性能目标函数即相似度水平定义为式(V)：
Figure FDA0003806079140000023
式(V)中，Frad是指一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵，根据目标区域计算得来；
求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure FDA0003806079140000024
和波束激活概率分布p，包括：
1)对于优化
Figure FDA0003806079140000025
通过解决公式(VI)来构造Fi：
Figure FDA0003806079140000026
式(VI)中，η代表通信和感知之间的折中因子，
Figure FDA0003806079140000027
代表第i个通信所需的理想波束；
对式(VI)进行化简得到式(VII)：
Figure FDA0003806079140000028
式(VII)中，两个辅助矩阵
Figure FDA0003806079140000029
和
Figure FDA00038060791400000210
使用复杂度较低的最小均方算法来求解式(VII)，如式(VIII)所示：
Figure FDA00038060791400000211
将求解后的Fi乘以一个归一化因子
Figure FDA00038060791400000212
即满足功率约束要求，即要求取的候选波束矩阵
Figure FDA00038060791400000213
2)对于优化p的子问题，将其构造为一个拉格朗日函数，如式(IX)所示：
Figure FDA00038060791400000214
求解式(IX)即求得波束激活概率分布p；
通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，是指：将求取得到的使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure FDA00038060791400000215
和波束激活概率分布p代入式(IV)，求取非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，其特征在于，对于无线信道，假设为一个聚类信道模型，即Saleh-Valenzuela模型，假设多天线的收发器都采用均匀线性阵列，并假设天线之间的距离是波长的一半，H的转向矢量的表示为式(III)：
Figure FDA0003806079140000031
其中，θt代表波束的指向角度。
3.一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制系统，其特征在于，包括：
ISAC波束求取单元，被配置为，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；
非均匀波束空间调制单元，被配置为，通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；
其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：
构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布；
所述非均匀波束空间调制方法适用于多输入多输出通信系统，该多输入多输出通信系统包括Nt根发射端天线和Nr根接收端天线，需要发射的数据流数为Ns；
在发射端，将需要发送的信息比特序列b分成两个部分：b1和b2；
b1为空间调制部分，映射到维数为Nt×Ns的波束矩阵
Figure FDA0003806079140000032
波束矩阵Fi满足概率分布p(F＝Fi)＝pi；p代表概率分布，F＝Fi表示Fi被激活，pi为每个波束矩阵被激活的概率；
b2为数据调制部分，将其映射到一个维数为Ns×1的符号向量s，s满足约束条件期望均值
Figure FDA0003806079140000033
构建通信发射信号，是指：一旦波束矩阵Fi被选定，通信发射信号向量表示为式(I)：
x＝Fis， (I)
式(I)中，归一化发射功率约束满足
Figure FDA0003806079140000035
构建通信接收信号，是指：通过无线信道，通信接收机接收到的通信接收信号表示为式(II)：
Figure FDA0003806079140000034
式(II)中，ρ代表平均接收功率，
Figure FDA0003806079140000036
代表信道矩阵，n代表噪声向量；
构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界作为通信性能的目标，是指：
用
Figure FDA0003806079140000037
表示候选波束矩阵的集合，集合的大小为K；用p＝[p1，p2，…，pK]表示各个候选波束矩阵激活概率的分布；非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界表示为式(IV)：
Figure FDA0003806079140000041
式(IV)中，det表示求矩阵行列式，
Figure FDA0003806079140000042
表示一个维数为Nr×Nr的单位矩阵；
构建感知性能目标函数，是指：
感知性能由期望的相似度水平来衡量，感知性能目标函数即相似度水平定义为式(V)：
Figure FDA0003806079140000043
式(V)中，Frad是指一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵，根据目标区域计算得来；
求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure FDA0003806079140000044
和波束激活概率分布p，包括：
1)对于优化
Figure FDA0003806079140000045
通过解决公式(VI)来构造Fi：
Figure FDA0003806079140000046
式(VI)中，η代表通信和感知之间的折中因子，
Figure FDA0003806079140000047
代表第i个通信所需的理想波束；
对式(VI)进行化简得到式(VII)：
Figure FDA0003806079140000048
式(VII)中，两个辅助矩阵
Figure FDA0003806079140000049
和
Figure FDA00038060791400000410
使用复杂度较低的最小均方算法来求解式(VII)，如式(VIII)所示：
Figure FDA00038060791400000411
将求解后的Fi乘以一个归一化因子
Figure FDA00038060791400000412
即满足功率约束要求，即要求取的候选波束矩阵
Figure FDA00038060791400000413
2)对于优化p的子问题，将其构造为一个拉格朗日函数，如式(IX)所示：
Figure FDA00038060791400000414
求解式(IX)即求得波束激活概率分布p；
通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，是指：将求取得到的使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵
Figure FDA00038060791400000415
和波束激活概率分布p代入式(IV)，求取非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率。
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