CN114928389B - 通信感知一体化波形设计方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信感知一体化波形设计方法、装置、计算机设备和存储介质，包括：步骤1，获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息；步骤2，获取待探测的目标方位；步骤3，根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形，这样设计得到的波形能够同时实现感知功能和通信功能，适用于同时需要通信中继转发和感知功能的场景。

Description

通信感知一体化波形设计方法、装置、计算机设备和存储介质

技术领域

本发明涉及通信领域和雷达领域，具体涉及一种通信感知一体化波形设计方法、装置、计算机设备和存储介质。

背景技术

近年来，无线通信系统在速率和时延上获得了巨大的提升，未来的无线通信系统发展不仅仅局限于通信性能，也将朝着智能化发展，为场景内的设备提供更为智能化、丰富的服务，如设备定位、车辆跟踪等感知服务。为了在通信系统中实现感知功能，需要在其中部署雷达设备，从而获得大量的感知数据。但是如果直接通过在通信设备附近放置雷达设备来实现该功能，将会需要极高的硬件成本。同时，雷达和通信系统如果使用各自的无线频谱，也将会带来额外的无线频谱资源开销。

为了解决该问题，通信感知一体化(integrated sensing and communication,ISAC)技术被提出。在该技术中，雷达和通信系统共享同一套射频链路模块和数字信号处理模块，并且共享同一无线频谱资源。该技术旨在通过设计双功能信号波形，从而同时实现通信功能和感知功能。因此，该技术可以在通信系统中实现感知功能的同时，极大程度地降低硬件和无线资源成本。然而现有的通信感知一体化波形设计的研究主要局限于基站场景，即，场景内同一频率同一时刻只存在着上行通信信号或者下行通信信号。

与此同时，随着高频无线资源的大规模使用，如毫米波，未来通信将会遭受更加严重的大尺度衰落。为了解决该问题，通信中继被提出。由于其能以极低的成本、功率扩展通信覆盖范围，因而引起了广泛的研究。然而，相比于基站场景，通信中继场景更为复杂。在通信中继场景中，由于同时存在着上行通信信号和下行通信信号，因此在设计一体化波形时需要同时考虑上行信道和下行信道才能实现高性能。然而，现有基站与雷达系统一体化设计仅考虑上行信道或者下行信道，因此相应方案难以直接应用到通信中继与雷达系统一体化设计上。

另一方面，相比于基站，通信中继与雷达一体化设计更容易在现有系统中部署。因为基站与雷达系统一体化设计方案往往需要修改现有的通信协议和硬件设备，而通信中继与雷达一体化设计方案可以在不影响现有的通信协议和硬件设备的情况下直接部署使用。因而，通信中继与雷达一体化设计方案有着重要的研究价值与潜在市场价值。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种通信感知一体化波形设计方法和装置，得到的波形能够同时实现感知功能和通信功能，适用于同时需要通信中继转发和感知功能的场景。

为实现上述发明目的，第一方面提供的一种通信感知一体化波形设计方法，包括以下步骤：

步骤1，获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息；

步骤2，获取待探测的目标方位；

步骤3，根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形。

优选地，步骤3，包括：

步骤3-1，设置通信感知一体化波形为v^r+v^c，其中，v^r为感知波形，v^c为通信波形，设置通信性能需求为γ^c，初始化感知性能目标为γ^r，设置总功率上限为P^max；

步骤3-2，利用信干噪比来表示感知性能，并在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，以计算得到感知波形v^r；

步骤3-3，利用通信接收设备处的信干噪比来表示通信性能，并基于步骤3-2得到的感知波形v^r，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，以计算得到通信波形v^c；

步骤3-4，根据感知功率和通信功率计算总功率，如果总功率大于功耗上限P^max，则下调感知性能目标γ^r，如果总功率小于功耗上限P^max，则上调感知性能目标γ^r；

步骤3-5，迭代执行步骤3-2到步骤3-4，直到感知功率和通信功率的总功耗等于功耗上限P^max为止，并以总功耗等于功耗上限P^max对应的通信波形和感知波形构成最终的通信感知一体化波形。

优选地，步骤3-2中，在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，表示为：

其中，|v^r|²表示感知功率，SINR^r表示感知性能对应的信干噪比，θ代表待探测的目标方位，u代表双功能中继雷达设备中滤波器的滤波系数，α表示探测信道的衰落系数，

M代表天线数目，λ代表波长，D代表天线间距，αa(θ)a^T(θ)为探测目标方位的探测信道，p^c表示通信发射设备的发射功率，h表示通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息，σ²表示白噪声的功率，(·)^T表示转置操作，(·)^H表示共轭转置操作，|·|²代表向量的2-范数。|u^Hαa(θ)a^T(θ)v^r|²表示感知有效信号功率，p^c|u^Hh|²表示来自通信发射设备的干扰信号功率，σ²|u|²表示白噪声信号功率；

计算得到的感知波形

其中，a^*(θ)表示a(θ)的共轭，p^r表示感知波形的功率，

优选地，步骤3-3中，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，表示为：

其中，p^c|Wh|²+σ²|W|²+|Wa(θ)a^T(θ)v^r|²表示通信功率，W表示双功能中继雷达设备的转发矩阵，g代表双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息，SINR^c表示通信性能对应的信干噪比，p^c|g^HWh|²表示通信接收设备处的有效信号功率，|g^Hv^r|²表示雷达波形直接对通信接收设备的干扰信号功率，σ²表示白噪声信号功率，|g^HWa(θ)a^T(θ)v^r|²表示雷达回波通过双功能中继雷达设备转发后对通信接收设备的干扰信号功率，σ²|g^HW|²表示白噪声通过双功能中继雷达设备转发后对通信接收设备的干扰信号功率；

优选地，步骤3-3中，在计算通信波形v^c时，首先根据满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率的公式计算得到转发矩阵W，然后，再计算得到的通信波形

其中，s^c表示通信发射设备的发射信号；转发矩阵为：

其中，Q＝[q₁,q₂,…,q_M],

剩下的q_m满足模为1，并且与q₁,q₂正交，

实施例还提供了一种通信方法，包括以下步骤：

步骤1，利用上述通信感知一体化波形设计方法设计得到通信感知一体化波形；

步骤2，利用设计的通信感知一体化波形发射信号，以同时实现探测功能和数据转发传输功能。

为实现上述发明目的，第二方面提供了一种通信感知一体化波形设计装置，包括：

获取模块，用于获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息；还用于获取待探测的目标方位；

设计模块，用于根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形。

优选地，所述设计模块中，设计过程包括：

(a)，设置通信感知一体化波形为v^r+v^c，其中，v^r为感知波形，v^c为通信波形，设置通信性能需求为γ^c，初始化感知性能目标为γ^r，设置总功率上限为P^max；

(b)利用信干噪比来表示感知性能，并在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，以计算得到感知波形v^r；

(c)，利用通信接收设备处的信干噪比来表示通信性能，并基于步骤(b)得到的感知波形v^r，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，以计算得到通信波形v^c；

(d)，根据感知功率和通信功率计算总功率，如果总功率大于功耗上限P^max，则下调感知性能目标γ^r，如果总功率小于功耗上限P^max，则上调感知性能目标γ^r；

(e)，迭代执行步骤(b)到步骤(d)，直到感知功率和通信功率的总功耗等于功耗上限P^max为止，并以总功耗等于功耗上限P^max对应的通信波形和感知波形构成最终的通信感知一体化波形。

为实现上述发明目的，第三方面提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述通信感知一体化波形设计方法的步骤。

为实现上述发明目的，第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理执行时实现上述通信感知一体化波形设计方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

在获取反馈到的第一信道状态信息、第二信道状态信息以及待探测的目标方位的基础上，并结合自身功率能耗限制，联合设计具有感知和通信双功能的通信感知一体化波形，在确保通信性能的情况下，尽可能提升感知性能。

设计得到的通信感知一体化波形，可以在同一硬件、同一频谱资源上同时实现感知和通信功能，大大降低了成本，同时可以有效地避免感知信号和通信信号之间不必要的干扰，从而提高频谱利用率和能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的通信感知一体化场景示意图；

图2是实施例提供的通信感知一体化波形设计方法的流程图；

图3是实施例提供的波形迭代优化流程图；

图4是实施例提供的通信感知一体化波形设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

未来通信系统需要提供感知服务，因此需要在通信系统中部署雷达系统，为了节省硬件资源和无线带宽资源，通感一体化被提出。通感一体化的目标就是在同一设备、同一带宽上同时实现感知和通信功能。然而现有的方案设计仅限于在通信基站场景中，为了在通信中继场景中实现通信感知一体化，本发明实施例提出一种通信感知一体化波形设计方法和装置。该方法可以根据反馈到的信道状态信息和想要探测的目标方位构建双功能的信号波形，在确保通信性能的情况下，尽可能提升感知性能。使用该装置可以以低硬件成本实现感知和通信功能。

图1是示例性的给出了需要通信中继转发和感知功能的场景，在该场景中，双功能中继雷达设备同时提供中继转发和雷达探测功能。针对该场景的应用功能需求，实施例提供了一种通信感知一体化波形设计方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，获取信道状态信息。

实施例中，通过导频和通信信令获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息。

步骤2，获取待探测到目标方位。

实施例中，待测的目标方位的是通过预先确定的。

步骤3，设计通信感知一体化波形。

实施例中，波形的设计目标可以是在满足通信性能要求和总功率上限的情况下，尽可能最大化感知性能。基于该目标，根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形。具体地，如图3所示，包括以下步骤：

步骤3-1，设置通信感知一体化波形为v^r+v^c，其中，v^r为感知波形，v^c为通信波形，设置通信性能需求为γ^c，初始化感知性能目标为γ^r，设置总功率上限为P^max。

实施例中，将通信感知一体化波形拆分成两部分，分别为感知波形v^r，通信波形v^c，这样，具有双功能的通信感知一体化波形是两者的结合，即v^r+v^c。

步骤3-2，利用信干噪比来表示感知性能，并在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，以计算得到感知波形v^r。

实施例中，感知性能可以用信干噪比(signal to interference plus noiseratio,SINR)来代表，具体表示为：

其中，SINR^r表示感知性能对应的信干噪比，θ代表待探测的目标方位，u代表双功能中继雷达设备中滤波器的滤波系数，α表示探测信道的衰落系数，

M代表天线数目，λ代表波长，D代表天线间距，αa(θ)a^T(θ)为探测目标方位的探测信道，p^c表示通信发射设备的发射功率，h表示通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息，σ²表示白噪声的功率，(·)^T表示转置操作，(·)^H表示共轭转置操作，|·|²代表向量的2-范数。|u^Hαa(θ)a^T(θ)v^r|²表示感知有效信号功率，p^c|u^Hh|²表示来自通信发射设备的干扰信号功率，σ²|u|²表示白噪声信号功率；

实施例中，在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，表示为：

其中，|v^r|²表示感知功率；

根据公式(2)计算得到感知波形

其中，a^*(θ)表示a(θ)的共轭，p^r表示感知波形的功率，

步骤2-3，利用通信接收设备处的信干噪比来表示通信性能，并基于步骤3-2得到的感知波形v^r，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，以计算得到通信波形v^c。

实施例中，通信性能可以用通信接收设备处的信干噪比来代表，具体可以表示为：

其中，W表示双功能中继雷达设备的转发矩阵，g代表双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息，SINR^c表示通信性能对应的信干噪比，p^c|g^HWh|²表示通信接收设备处的有效信号功率，|g^Hv^r|²表示雷达波形直接对通信接收设备的干扰信号功率，σ²表示白噪声信号功率，|g^HWa(θ)a^T(θ)v^r|²表示雷达回波通过双功能中继雷达设备转发后对通信接收设备的干扰信号功率，σ²|g^HW|²表示白噪声通过双功能中继雷达设备转发后对通信接收设备的干扰信号功率。

实施例中，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，表示为：

其中，p^c|Wh|²+σ²|W|²+|Wa(θ)a^T(θ)v^r|²表示通信功率；

在对公式(4)优化的过程中，计算得到转发矩阵W：

其中，Q＝[q₁,q₂,…,q_M],

剩下的q_m满足模为1，并且与q₁,q₂正交，

3≤m≤M；

然后，再计算得到的通信波形

其中，s^c表示通信发射设备的发射信号。

步骤3-4，根据感知功率和通信功率计算总功率，如果总功率大于功耗上限P^max，则下调感知性能目标γ^r，如果总功率小于功耗上限P^max，则上调感知性能目标γ^r。

其中，总功率为p^c|Wh|²+σ²|W|²+|Wa(θ)a^T(θ)v^r|²+|v^r|²。

步骤3-5，迭代执行步骤3-2到步骤3-4，直到感知功率和通信功率的总功耗等于功耗上限P^max为止，并以总功耗等于功耗上限P^max对应的通信波形和感知波形构成最终的通信感知一体化波形。

基于同样的发明构思，实施例还提供了一种通信感知一体化波形设计装置，如图4所示，包括获取模块和设计模块，其中，获取模块用于获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息；还用于获取待探测的目标方位；设计模块用于根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形。

需要说明的是，上述实施例提供的通信感知一体化波形设计装置在进行通信感知一体化波形设计时，应以上述各功能模块的划分进行举例说明，可以根据需要将上述功能分配由不同的功能模块完成，即在终端或服务器的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的通信感知一体化波形设计装置与通信感知一体化波形设计方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见通信感知一体化波形设计方法实施例，这里不再赘述。

实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上执行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述通信感知一体化波形设计方法的步骤。

实际应用中，存储器可以为在近端的易失性存储器，如RAM，还可以是非易失性存储器，如ROM，FLASH，软盘，机械硬盘等，还可以是远端的存储云。处理器可以为中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)，即可以通过这些处理器实现通信感知一体化波形设计方法的步骤。

实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理执行时实现上述通信感知一体化波形设计方法的步骤。

其中，计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

实施例还提供了一种通信方法，包括以下步骤：

步骤1，利用上述通信感知一体化波形设计方法设计得到通信感知一体化波形；

步骤2，利用设计的通信感知一体化波形发射信号，以同时实现探测功能和数据转发传输功能。

该通信方法被应用到同时需要通信中继转发和感知功能的场景，能够同时实现探测功能和数据转发传输功能。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种通信感知一体化波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息；

步骤2，获取待探测的目标方位；

步骤3，根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形；

其中，步骤3，包括：

步骤3-1，设置通信感知一体化波形为v^r+v^c，其中，v^r为感知波形，v^c为通信波形，设置通信性能需求为γ^c，初始化感知性能目标为γ^r，设置总功率上限为P^max；

步骤3-2，利用信干噪比来表示感知性能，并在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，以计算得到感知波形v^r；

步骤3-3，利用通信接收设备处的信干噪比来表示通信性能，并基于步骤3-2得到的感知波形v^r，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，以计算得到通信波形v^c；

步骤3-4，根据感知功率和通信功率计算总功率，如果总功率大于功耗上限P^max，则下调感知性能目标γ^r，如果总功率小于功耗上限P^max，则上调感知性能目标γ^r；

步骤3-5，迭代执行步骤3-2到步骤3-4，直到感知功率和通信功率的总功耗等于功耗上限P^max为止，并以总功耗等于功耗上限P^max对应的通信波形和感知波形构成最终的通信感知一体化波形。

2.根据权利要求1所述的通信感知一体化波形设计方法，其特征在于，步骤3-2中，在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，表示为：

其中，|v^r|²表示感知功率，SINR^r表示感知性能对应的信干噪比，θ代表待探测的目标方位，u代表双功能中继雷达设备中滤波器的滤波系数，α表示探测信道的衰落系数，M代表天线数目，λ代表波长，D代表天线间距，αa(θ)a^T(θ)为探测目标方位的探测信道，p^c表示通信发射设备的发射功率，h表示通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息，σ²表示白噪声的功率，(·)^T表示转置操作，(·)^H表示共轭转置操作，|·|²代表向量的2-范数；|u^Hαa(θ)a^T(θ)v^r|²表示感知有效信号功率，p^c|u^Hh|²表示来自通信发射设备的干扰信号功率，σ²|u|²表示白噪声信号功率；

计算得到的感知波形其中，a^*(θ)表示a(θ)的共轭，p^r表示感知波形的功率，

3.根据权利要求2所述的通信感知一体化波形设计方法，其特征在于，步骤3-3中，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，表示为：

其中，p^c|Wh|²+σ²|W|²+|Wa(θ)a^T(θ)v^r|²表示通信功率，W表示双功能中继雷达设备的转发矩阵，g代表双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息，SINR^c表示通信性能对应的信干噪比，p^c|g^HWh|²表示通信接收设备处的有效信号功率，|g^Hv^r|²表示雷达波形直接对通信接收设备的干扰信号功率，σ²表示白噪声信号功率，|g^HWa(θ)a^T(θ)v^r|²表示雷达回波通过双功能中继雷达设备转发后对通信接收设备的干扰信号功率，σ²|g^HW|²表示白噪声通过双功能中继雷达设备转发后对通信接收设备的干扰信号功率。

4.根据权利要求2所述的通信感知一体化波形设计方法，其特征在于，步骤3-3中，在计算通信波形v^c时，首先根据满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率的公式计算得到转发矩阵W，然后，再计算得到的通信波形其中，s^c表示通信发射设备的发射信号；转发矩阵为：

其中，Q＝[q₁,q₂,…,q_M],剩下的q_m满足模为1，并且与q₁,q₂正交，3≤m≤M。

5.一种通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用权利要求1-4任一项所述的通信感知一体化波形设计方法设计得到通信感知一体化波形；

步骤2，利用设计的通信感知一体化波形发射信号，以同时实现探测功能和数据转发传输功能。

6.一种通信感知一体化波形设计装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取通信发射设备到双功能中继雷达设备的第一信道状态信息、双功能中继雷达设备到通信接收设备的第二信道状态信息；还用于获取待探测的目标方位；

设计模块，用于根据第一信道状态信息、第二信道状态信息以及目标方位，并结合感知性能目标和通信性能需求通过迭代优化方式来确定最佳功率分配方式，并得到通信感知一体化波形；

所述设计模块中，设计过程包括：

(a)，设置通信感知一体化波形为v^r+v^c，其中，v^r为感知波形，v^c为通信波形，设置通信性能需求为γ^c，初始化感知性能目标为γ^r，设置总功率上限为P^max；

(b)利用信干噪比来表示感知性能，并在满足感知性能目标γ^r的情况下，最小化所需的感知功率，以计算得到感知波形v^r；

(c)，利用通信接收设备处的信干噪比来表示通信性能，并基于步骤(b)得到的感知波形v^r，满足通信性能需求γ^c的情况下，最小化所需的通信功率，以计算得到通信波形v^c；

(d)，根据感知功率和通信功率计算总功率，如果总功率大于功耗上限P^max，则下调感知性能目标γ^r，如果总功率小于功耗上限P^max，则上调感知性能目标γ^r；

(e)，迭代执行步骤(b)到步骤(d)，直到感知功率和通信功率的总功耗等于功耗上限P^max为止，并以总功耗等于功耗上限P^max对应的通信波形和感知波形构成最终的通信感知一体化波形。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4任一项所述的通信感知一体化波形设计方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理执行时实现权利要求1-4任一项所述的通信感知一体化波形设计方法的步骤。

Images