CN115102585B - Mimo雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，包括：S1：初始化雷达波形和通信波束成形矩阵；S2：设计通信波束成形矩阵；S3：计算并验证通信和速率是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4，如果不收敛，则返回步骤S2；S4：基于通信波束成形矩阵设计雷达波形；S5：再次计算并验证通信和速率是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵和雷达波形即为全局最优解；如果不收敛，则返回步骤S2。本发明对通信波束成形矩阵和雷达波形进行循环迭代优化，有效降低MIMO雷达与多用户MIMO通信系统共存场景中MIMO雷达对通信系统的干扰，显著提高了通信和速率。

Description

MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法

技术领域

本发明通信感知一体化(Integrated Sensing And Communication，ISAC)技术领域，尤其涉及MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，第五代移动通信系统(the 5th Generation mobilenetworks,5G)得到了广泛应用。5G网络的应用范围逐渐扩大，应用场景也进一步拓展到物联网领域，推动整个社会进入了万物互联的新时代。但随着无线通信设备数量爆炸式增长，频谱资源日益紧缺。据报道，2025年全世界将拥有7.5×10¹⁰台互联设备，这对无线频谱资源带来了巨大的压力。为了缓解频谱资源日益紧张的问题，未来需要考虑通信系统与其他电子设备在同一频段下工作的可行性。目前，雷达频段被广泛认为是实现与通信频谱共存最佳的候选频段之一。但在雷达系统与通信系统共存的场景下，雷达系统的存在势必会对通信系统造成干扰，所以降低互干扰是目前研究的重点问题。

总体而言，RCSS技术包含两条研究路径：(1)雷达与通信频谱共存(Radar-Communication Coexistence,RCC)；(2)雷达通信一体化(Dual-Functional Radar-Communication system,DFRC)。其中，第一种方法是独立的雷达与通信系统共用同一频谱，考虑如何设计消除两者的干扰。第二种方法中除了雷达与通信系统共享同一频谱外，还需共用同一硬件平台，需要考虑如何设计一体化信号处理方案来同时实现通信与雷达感知功能。针对第一种问题，目前的研究主要集中在3个方面：(1)发射波束设计。在发射端进行信号设计、波束成形和预编码等操作，降低雷达与通信间的互干扰。(2)干扰信道估计。与传统的通信系统信道估计不同，在雷达与通信频谱共存场景下，需要对干扰信道进行估计，而因为雷达的工作方式与通信系统并不相同，所以传统的信道估计方法并不适用。(3)接收抗干扰设计。在雷达与通信频谱共存场景下，接收端会收到处于同一频段的雷达和通信信号，需要对其进行分离，对干扰信号进行抑制。通信接收端可以设计解码矩阵降低雷达干扰。而目前针对雷达通信频谱共存场景的发射波束设计主要集中在单用户之间，或者多用户单天线场景，缺少多天线多用户场景的波束设计研究。

发明内容

针对以上问题，本发明提出MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法。

为实现本发明的目的，提供MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，

所述MIMO雷达与多用户通信共存系统包括：MIMO通信发射机、MIMO雷达发射机和MIMO通信接收机I台；

所述波束设计方法包括如下步骤：

S1：将所述MIMO雷达发射机的雷达波形初始化为线性调频波，所述线性调频波即为雷达标准波形z₀，将所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵集合中的每一个矩阵V_i,i＝1,2,...I初始化为单位矩阵E；

S2：基于初始值为单位矩阵E的通信波束成形矩阵V_i，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i；

S3：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4；如果不收敛，将本轮中得出的通信波束成形矩阵V_i作为新的初始值，并返回步骤S2中重新设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i；

S4：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i，设计所述MIMO雷达发射机的雷达波形z；

S5：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i和MIMO雷达发射机的雷达波形z，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵V_i和雷达波形z即为全局最优解；如果不收敛，则将本轮中得出的通信波束成形矩阵V_i和雷达波形z作为新的初始值，并返回步骤S2。

进一步地，所述MIMO通信发射机配备有M_t个发射天线；所述MIMO雷达发射机配备有接收天线和发射天线各N个；所述MIMO通信接收机每台配备有M_r个接收天线；

所述MIMO通信发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道矩阵表示为所述信道矩阵H_i中的每个元素服从均值为0、方差为1的复高斯分布；所述MIMO雷达发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道/>建模为：

其中，i＝1,2,...I，p＝1,2,...P，β_i(p)表示第i个通信接收机处第p条路径的衰落系数，且满足表示均值为0、方差为/>的复高斯分布，P表示雷达检测目标时有P条路径，/>和θ_p分别表示第p条路径中的天线接收角和发射角，(·)^*和(·)^H分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算，/>和/>分别表示第i个MIMO通信接收机对应的接收导向矢量和发射导向矢量，定义如下：

其中，(·)^T表示矩阵的转置，d₁表示MIMO通信接收机接收阵列的天线间距，d₂表示MIMO雷达发射机发射阵列的天线间距，θ分别表示天线的接收角和发射角，λ表示光的波长，j是虚数单位。

进一步地，所述步骤S2中，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i的具体过程包括：

所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R关于通信波束成形矩阵V_k,k＝1,2,...,I(为了后续计算描述方便，这里用下标k代替之前的下标i，即V_k表示通信波束成形矩阵集合中的第k个矩阵)的梯度L_k的表达式如下：

其中，(·)^-1表示矩阵的逆运算，(·)^H表示共轭转置，H_i表示MIMO通信发射机与第i个MIMO通信接收机之间的信道矩阵，E_C表示通信机发射功率；

和/>的表达式分别为：

其中，n表示求和过程中的索引参数，V_n表示通信波束成形矩阵集合中第n个矩阵，E表示单位矩阵；

所述MIMO通信发射机发射出的通信波束成形矩阵V_k的计算方式如下：

V_k＝V_k+τ·L_k；

其中，τ的值为0.75。

进一步地，所述步骤S3中，所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R的计算方式如下：

其中，R_i表示第i个MIMO通信接收机的通信速率，表达式为：

其中，V_i表示通信波束成形矩阵集合中的第i个矩阵，R_{Cin i}表示第i个MIMO通信接收机接收信号的总干扰协方差矩阵，表达式为：

其中，G_i(p)表示MIMO雷达发射机与第i个MIMO通信接收机之间的第p条路径的信道，m表示求和过程中的索引参数，V_m表示通信波束成形矩阵集合中的第m个矩阵，/>表示第i个MIMO通信接收机接收到的高斯白噪声的方差值。

进一步地，所述步骤S4中，所述MIMO雷达发射机的雷达波形z的表达式为：

其中，E_R表示MIMO雷达发射机的发射功率，ε表示设计的雷达波形z与标准雷达波形z₀的相似度参数，且ε的初始值为0.1，表示中间变量，z₀表示雷达标准波形，矩阵D的表达式如下：

其中，Z＝zz^H；

中间变量满足下面的表达式：

其中，η₁表示对矩阵D进行特征值分解得到的特征值矩阵中的最大特征值，η_N表示对矩阵D进行特征值分解得到的特征值矩阵中的最小特征值。

跟现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明模拟了一个MIMO雷达与多用户MIMO通信系统的共存场景，并推导出了MIMO雷达与多用户通信共存系统中的雷达波束表达式，对通信波束成形矩阵和雷达波形进行循环迭代优化，有效降低MIMO雷达与多用户多天线通信系统共存场景中MIMO雷达对通信的干扰，显著提高通信和速率。

附图说明

图1是一个实施例的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法的流程图；

图2是一个实施例的MIMO雷达与多用户通信共存系统的场景示意图；

图3是一个实施例的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法的仿真效果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本实施例提出了一种MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，如图2所示，首先构建一个MIMO雷达与多用户通信系统共存的场景，所述场景中包含一台MIMO通信发射机、I台通信接收机和一台MIMO雷达发射机。其中，所述MIMO通信发射机配备有M_t个发射天线；所述MIMO雷达发射机配备有接收天线和发射天线各N个；所述MIMO通信接收机每台配备有M_r个接收天线；

所述MIMO通信发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道矩阵表示为所述信道矩阵H_i中的每个元素服从均值为0、方差为1的复高斯分布；所述MIMO雷达发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道/>建模为：

其中，i＝1,2,...I，p＝1,2,...P，β_i(p)表示第i个通信接收机处第p条路径的衰落系数，且满足表示均值为0、方差为/>的复高斯分布，P表示雷达检测目标时有P条路径，/>和θ_p分别表示第p条路径中的天线接收角和发射角，(·)^*和(·)^H分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算，/>和/>分别表示第i个MIMO通信接收机对应的接收导向矢量和发射导向矢量，定义如下：

其中，(·)^T表示矩阵的转置，d₁表示MIMO通信接收机接收阵列的天线间距，d₂表示MIMO雷达发射机发射阵列的天线间距，θ分别表示天线的接收角和发射角，λ表示光的波长，j是虚数单位。

参考图1所示，图1为一个实施例的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法的示意图。如图1所示，所述波束设计方法包括如下步骤：

所述波束设计方法包括如下步骤：

S1：将所述MIMO雷达发射机的雷达波形初始化为线性调频波，所述线性调频波即为雷达标准波形z₀，将所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵集合中的每一个矩阵V_i,i＝1,2,...I初始化为单位矩阵E；

S2：基于初始值为单位矩阵E的通信波束成形矩阵V_i，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i；

S3：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4；如果不收敛，将本轮中得出的通信波束成形矩阵V_i作为新的初始值，并返回步骤S2中重新设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i；

S4：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i，设计所述MIMO雷达发射机的雷达波形z；

S5：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i和MIMO雷达发射机的雷达波形z，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵V_i和雷达波形z即为全局最优解；如果不收敛，则将本轮中得出的通信波束成形矩阵V_i和雷达波形z作为新的初始值，并返回步骤S2。

在一个实施例中，所述步骤S2中，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i的具体过程包括：

所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R关于通信波束成形矩阵V_k,k＝1,2,...,I(为了后续计算描述方便，这里用下标k代替之前的下标i，即V_k表示通信波束成形矩阵集合中的第k个矩阵)的梯度L_k的表达式如下：

其中，(·)^-1表示矩阵的逆运算，(·)^H表示共轭转置，H_i表示MIMO通信发射机与第i个MIMO通信接收机之间的信道矩阵，E_C表示通信机发射功率；

和/>的表达式分别为：

其中，n表示求和过程中的索引参数，V_n表示通信波束成形矩阵集合中第n个矩阵，E表示单位矩阵；

所述MIMO通信发射机发射出的通信波束成形矩阵V_k的计算方式如下：

V_k＝V_k+τ·L_k；

其中，τ的值为0.75。

在一个实施例中，所述步骤S3中，所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R的计算方式如下：

其中，R_i表示第i个MIMO通信接收机的通信速率，表达式为：

其中，V_i表示通信波束成形矩阵集合中的第i个矩阵，R_{Cin i}表示第i个MIMO通信接收机接收信号的总干扰协方差矩阵，表达式为：

其中，G_i(p)表示MIMO雷达发射机与第i个MIMO通信接收机之间的第p条路径的信道，m表示求和过程中的索引参数，V_m表示通信波束成形矩阵集合中的第m个矩阵，/>表示第i个MIMO通信接收机接收到的高斯白噪声的方差值。

在一个实施例中，所述步骤S4中，所述MIMO雷达发射机的雷达波形z的表达式为：

其中，E_R表示MIMO雷达发射机的发射功率，ε表示设计的雷达波形z与标准雷达波形z₀的相似度参数，且ε的初始值为0.1，表示中间变量，z₀表示雷达标准波形，矩阵D的表达式如下：

其中，Z＝zz^H；

中间变量满足下面的表达式：

其中，η₁表示对矩阵D进行特征值分解得到的特征值矩阵中的最大特征值，η_N表示对矩阵D进行特征值分解得到的特征值矩阵中的最小特征值。

仿真结果验证了方法的有效性。以M_t＝5，M_r＝5，N＝6，I＝3为例，假设每个通信信道的噪声大小相同，即干扰噪声比(Interference to Noise Ratio,INR)通信与雷达的发射功率为E_C＝E_R＝1；假设MIMO雷达发射机与每个MIMO通信接收机之间都有P＝21条路径，角度参数/>在[-30°,-10°]之间均匀产生。图3是不同雷达波形相似度约束ε下通信和速率随着INR提高的变化，仿真时固定噪声大小，即/>值固定，设置不同的雷达干扰噪声/>以取得不同的INR。为了体现出本方案提升通信和速率的效果，引入“参考速率”作为参考标准，“参考速率”中固定雷达波形为雷达标准波形z0，仅对通信波束成形矩阵V_i进行设计。由图3可知，通信速率会随着INR的提升而下降，而“参考速率”因为没有对雷达波形进行设计，所以通信和速率是最低的。另外，雷达波形相似度约束ε越大，即所设计的雷达波形z与雷达标准波形z0的差别越大，通信和速率越大，当雷达波形相似度约束ε为1.8时，通信速率已不受雷达干扰的影响。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，

所述MIMO雷达与多用户通信共存系统包括：MIMO通信发射机、MIMO雷达发射机和MIMO通信接收机I台；

所述波束设计方法包括如下步骤：

S1：将所述MIMO雷达发射机的雷达波形初始化为线性调频波，所述线性调频波即为雷达标准波形z₀，将所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵集合中的每一个矩阵V_i,i＝1,2,...I初始化为单位矩阵E；

S2：基于初始值为单位矩阵E的通信波束成形矩阵V_i，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i；

S3：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛；如果收敛，则进入步骤S4；如果不收敛，将本轮中得出的通信波束成形矩阵V_i作为新的初始值，并返回步骤S2中重新设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i；

S4：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i，设计所述MIMO雷达发射机的雷达波形z；

S5：基于所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i和MIMO雷达发射机的雷达波形z，计算并验证所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R是否收敛，如果收敛，则此时的通信波束成形矩阵V_i和雷达波形z即为全局最优解；如果不收敛，则将本轮中得出的通信波束成形矩阵V_i和雷达波形z作为新的初始值，并返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，

所述MIMO通信发射机配备有M_t个发射天线；所述MIMO雷达发射机配备有接收天线和发射天线各N个；所述MIMO通信接收机每台配备有M_r个接收天线；

所述MIMO通信发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道矩阵表示为所述信道矩阵H_i中的每个元素服从均值为0、方差为1的复高斯分布；所述MIMO雷达发射机与第i个所述MIMO通信接收机之间的信道/>建模为：

其中，i＝1,2,...I，p＝1,2,...P，β_i(p)表示第i个通信接收机处第p条路径的衰落系数，且满足 表示均值为0、方差为/>的复高斯分布，P表示雷达检测目标时有P条路径，/>和θ_p分别表示第p条路径中的天线接收角和发射角，(·)^*和(·)^H分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算，/>和/>分别表示第i个MIMO通信接收机对应的接收导向矢量和发射导向矢量，定义如下：

其中，(·)^T表示矩阵的转置，d₁表示MIMO通信接收机接收阵列的天线间距，d₂表示MIMO雷达发射机发射阵列的天线间距，θ分别表示天线的接收角和发射角，λ表示光的波长，j是虚数单位。

3.根据权利要求2所述的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，设计所述MIMO通信发射机的通信波束成形矩阵V_i的具体过程包括：

所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R关于通信波束成形矩阵V_k的梯度L_k的表达式如下：

其中，V_k表示通信波束成形矩阵集合中的第k个矩阵，k＝1,2,...,I，(·)^-1表示矩阵的逆运算，(·)^H表示共轭转置，H_i表示MIMO通信发射机与第i个MIMO通信接收机之间的信道矩阵，E_C表示通信机发射功率；

和/>的表达式分别为：

其中，n表示求和过程中的索引参数，V_n表示通信波束成形矩阵集合中第n个矩阵，E表示单位矩阵；

所述MIMO通信发射机发射出的通信波束成形矩阵V_k的计算方式如下：

V_k＝V_k+τ·L_k；

其中，τ的值为0.75。

4.根据权利要求3所述的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，

所述步骤S3中，所述I台MIMO通信接收机的通信和速率R的计算方式如下：

其中，R_i表示第i个MIMO通信接收机的通信速率，表达式为：

其中，V_i表示通信波束成形矩阵集合中的第i个矩阵，R_Cini表示第i个MIMO通信接收机接收信号的总干扰协方差矩阵，表达式为：

其中，G_i(p)表示MIMO雷达发射机与第i个MIMO通信接收机之间的第p条路径的信道，m表示求和过程中的索引参数，V_m表示通信波束成形矩阵集合中的第m个矩阵，/>表示第i个MIMO通信接收机接收到的高斯白噪声的方差值。

5.根据权利要求4所述的MIMO雷达与多用户通信共存系统中的波束设计方法，其特征在于，

所述步骤S4中，所述MIMO雷达发射机的雷达波形z的表达式为：

其中，E_R表示MIMO雷达发射机的发射功率，ε表示设计的雷达波形z与标准雷达波形z₀的相似度参数，且ε的初始值为0.1，表示中间变量，z₀表示雷达标准波形，矩阵D的表达式如下：

其中，Z＝zz^H；

中间变量满足下面的表达式：

其中，η₁表示对矩阵D进行特征值分解得到的特征值矩阵中的最大特征值，η_N表示对矩阵D进行特征值分解得到的特征值矩阵中的最小特征值。