CN115225128A - 一种mimo雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，该方法包括：首先将双功能波形初始化为单位矩阵，将等效信道参数的均初始化为1；然后利用统计CSI来设计双功能波形；最后判断通信用户的安全速率是否收敛，如果收敛，则获得最优的双功能波形；如果不收敛，则跳到设计双功能波形的步骤。本发明基于统计CSI推导出MIMO雷达通信一体化系统中能够同时满足通信和探测需求的双功能波形，不仅可以最大化MIMO雷达通信一体化系统中通信用户的安全速率，并且可以有效降低系统的开销和实现复杂度，具有更强的实用性。

Description

一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法
技术领域
本发明属于雷达与通信系统的频谱共享(Radar and Communication SpectrumSharing,RCSS)技术领域，涉及MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)DFRC(Dual-Functional Radar-Communication system，雷达通信一体化系统)中基于统计CSI(Channel State Information，信道状态信息)辅助的安全双功能波形设计方法，尤其是一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法。
背景技术
目前5G(The 5th Generation Mobile Networks)的产业基础已经趋于完善，无线通信设备对频谱资源的需求日益迫切。现有研究表明，雷达与通信系统的频谱共享可以有效的缓解频谱资源紧张的困境。MIMO雷达与MIMO通信系统分离部署的场景需要联合设计通信波束和雷达波形来做到频谱共享，而MIMO雷达通信一体化系统可以通过共享硬件平台实现频谱共享，通过设计一种既能携带通信信息，又能用于目标探测的双功能波形来完成通信和探测任务。然而，在MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形中嵌入的关键信息可能会泄露给有窃听功能的检测目标，因此，在设计MIMO雷达通信一体化的发送波形时必须考虑信息安全。
在保证MIMO雷达通信一体化系统中通信用户传输安全性的研究上，传统方案是使用瞬时CSI对通信信道进行建模，然后基于凸优化的方案来完成安全双功能波形的设计。考虑到发送端获取准确的瞬时CSI时会消耗较多的时频资源，并且基于凸优化的方法来进行波形的设计往往具有很高的计算复杂度，这都会使得实际情况下的安全双功能波形的设计变得困难。
本发明考虑了MIMO信道中的发送和接收相关性，使用稳定缓慢变化且更容易获取的统计CSI对通信信道进行建模，提出一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，采用低复杂度的方法推导出双功能波形的封闭表达式，有效降低系统的实现复杂度，在保证MIMO雷达通信一体化系统完成正常探测和通信任务的同时，提升系统的安全性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，能够在保证所发送的波形可以完成正常探测和通信任务的同时，最大化通信用户的安全速率，并且有效地降低系统的开销和实现复杂度，具有更强的实用性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，构建基于统计CSI辅助的MIMO雷达通信一体化系统，包括一个雷达通信一体化基站、一个通信用户和一个检测目标；其中雷达通信一体化基站配备N根天线，通信用户配备n根天线，检测目标配备m根天线，检测目标可窃听雷达通信一体化基站发送给通信用户的信息；雷达通信一体化基站与通信用户之间的信道
Figure BDA0003730419510000021
雷达通信一体化基站与检测目标之间的信道
Figure BDA0003730419510000022
分别建模为：
Figure BDA0003730419510000023
Figure BDA0003730419510000024
其中，R、T和
Figure BDA0003730419510000025
分别是n×n、N×N、n×N的矩阵，均表示统计CSI矩阵，Hiid表示信道的随机分量部分，服从均值为0，方差为
Figure BDA0003730419510000026
的复高斯分布，
Figure BDA0003730419510000027
表示矩阵的平方根运算，(·)*、(·)H分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算；
Figure BDA0003730419510000028
表示第κ条信道的衰落系数，且满足
Figure BDA0003730419510000029
Figure BDA00037304195100000210
和vt(θ)分别表示接收和发送导向矢量，定义如下：
Figure BDA00037304195100000211
Figure BDA00037304195100000212
drn＝[0,dr,...,(n-1)dr]T
dtN＝[0,dt,...,(N-1)dt]T
其中，dr、dt分别表示接收和发射天线的线性排列间距，
Figure BDA00037304195100000213
θ分别表示天线接收角和发射角，λ表示光的波长，(·)T表示矩阵的转置运算，j是虚数单位；
所述设计方法包括以下步骤：
步骤1、将双功能波形Q的值初始化为单位矩阵，将等效信道参数的值均初始化为1，将高斯随机化参数L设置为50；
步骤2、基于步骤1所述的初始化数据，利用统计CSI设计双功能波形Q，包括：设计MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘、使用高斯随机化方法从MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘中恢复出Q；
步骤3、判断MIMO雷达通信一体化系统中通信用户的安全速率C是否收敛，如果安全速率C收敛，则获得最优的安全双功能波形Q；如果不收敛，则返回步骤2。
具体的，所述的设计MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘，其表达式如下：
Figure BDA0003730419510000031
Figure BDA0003730419510000032
其中，VF、ΣF分别是对矩阵
Figure BDA0003730419510000033
进行特征值分解得到的特征向量矩阵与特征值矩阵，η是令Q‘满足基站发送功率限制的归一化参数，IN为N×N的单位矩阵，(·)+表示取括号中数据与0相比的最大值，矩阵A以及等效信道参数t和
Figure BDA0003730419510000034
具体表达式如下：
Figure BDA0003730419510000035
Figure BDA0003730419510000036
Figure BDA0003730419510000037
其中，In表示n×n的单位矩阵，σ2是通信用户和检测目标接收到的高斯白噪声的方差，tr(·)表示矩阵的求迹运算，(·)-1表示矩阵的逆运算。其矩阵F的表达式为：
Figure BDA0003730419510000038
其中，
Figure BDA0003730419510000039
的值等于上一次迭代计算出的Q，Rd是给定的理想雷达波形，ξ为构建的辅助变量。
具体的，所述的使用高斯随机化方法，从MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘中恢复出Q：
Figure BDA00037304195100000310
其中，
Figure BDA00037304195100000311
其中，
Figure BDA00037304195100000312
UR和ΣR分别是对矩阵Q‘进行特征值分解得到的特征向量矩阵与特征值矩阵，B1＝Rd，B2＝IM，vl是服从均值为零，方差为单位阵的高斯分布。
具体的，所述的安全速率C的表达式为：
Figure BDA0003730419510000041
其中，Cb表示通信用户的遍历速率，Ce表示检测目标的窃听速率。
现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明考虑了一种区别于MIMO雷达与MIMO通信基站分离部署的频谱共享系统，即MIMO雷达通信一体化系统。MIMO雷达通信一体化系统可以复用硬件资源，通过设计双功能波形来同时满足目标检测和无线通信任务，可以有效节省软硬件资源。
2.本发明考虑到实际情况下通信基站获取瞬时CSI会消耗较多的时频资源，所以利用统计CSI平稳缓慢改变且易获取的特性对通信信道进行建模，建立了更加贴合实际情况的MIMO雷达通信一体化系统。
3.本发明考虑了采用低复杂度的方法推导计算出安全双功能波形的封闭表达式，在保证MIMO雷达通信一体化系统能够完成通信和探测的任务的同时，最大化通信用户的安全速率。在实现上，只需要按照所设计的表达式即可计算出具体的双功能波形，大大减少数据运算量，使得系统开销和实现复杂度显著降低。
附图说明
图1为本发明MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法的一种实施例的流程图。
图2为本发明一种实施例的系统模型示意图。
具体实施方式
本发明在提出的MIMO雷达通信一体化系统工作场景中，通过设计可以完成正常探测和通信任务的双功能波形的同时，最大化通信用户的安全速率。首先建立带有通信用户和检测目标的MIMO雷达通信一体化系统模型，将双功能波形的值初始化为单位矩阵，将等效信道参数的均初始化为1；然后利用统计CSI来设计双功能波形；最后判断通信用户的安全速率是否收敛，如果收敛，则获得最优的双功能波形；如果不收敛，则跳到设计双功能波形的步骤。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明的一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，如图2所示，构建基于统计CSI辅助的MIMO雷达通信一体化系统，所述系统中包括一个雷达通信一体化基站、一个通信用户和一个检测目标。其中雷达通信一体化基站配备N根天线，通信用户配备n根天线，检测目标配备m根天线，检测目标会窃听雷达通信一体化基站发送给通信用户的信息。雷达通信一体化基站与通信用户之间的信道
Figure BDA0003730419510000051
雷达通信一体化基站与检测目标之间的信道
Figure BDA0003730419510000052
分别建模为：
Figure BDA0003730419510000053
Figure BDA0003730419510000054
其中，R、T和
Figure BDA0003730419510000055
分别是n×n、N×N、n×N的矩阵，均表示统计CSI矩阵，Hiid表示信道的随机分量部分，服从均值为0，方差为
Figure BDA0003730419510000056
的复高斯分布，
Figure BDA0003730419510000057
表示矩阵的平方根运算，(·)*、(·)H分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算。
Figure BDA0003730419510000058
表示第κ条信道的衰落系数，且满足
Figure BDA0003730419510000059
Figure BDA00037304195100000510
和vt(θ)分别表示接收和发送导向矢量，定义如下：
Figure BDA00037304195100000511
Figure BDA00037304195100000512
其中，
drn＝[0,dr,...,(n-1)dr]T
dtN＝[0,dt,...,(N-1)dt]T
其中，dr、dt分别表示接收和发射天线的线性排列间距，
Figure BDA00037304195100000513
θ分别表示天线接收角和发射角，λ表示光的波长，(·)T表示矩阵的转置运算，j是虚数单位。
上述基于统计CSI对MIMO通信信道进行建模，考虑了天线的发送相关性矩阵、接收相关性矩阵以及信道的视距链路，不仅能够较为准确的反映信道的真实信息，而且相比于瞬时CSI来说具有平稳缓慢改变且更容易获取的优点。
如图1所示，本发明的一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，包括以下步骤：
步骤1：将双功能波形Q的值初始化为单位矩阵，将等效信道参数的值均初始化为1，将高斯随机化参数L设置为50。
步骤2：利用统计CSI来设计双功能波形Q。
步骤2.1：基于步骤1所初始化的数据，设计出的MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘的表达式如下：
Figure BDA0003730419510000061
Figure BDA0003730419510000062
其中，VF、ΣF分别是对矩阵
Figure BDA0003730419510000063
进行特征值分解得到的特征向量矩阵与特征值矩阵，η是令Q‘满足基站发送功率限制的归一化参数，IN为N×N的单位矩阵，(·)+表示取括号中数据与0相比的最大值，矩阵A以及等效信道参数t和
Figure BDA0003730419510000064
具体表达式如下：
Figure BDA0003730419510000065
Figure BDA0003730419510000066
Figure BDA0003730419510000067
其中，In表示n×n的单位矩阵，σ2是通信用户和检测目标接收到的高斯白噪声的方差，tr(·)表示矩阵的求迹运算，(·)-1表示矩阵的逆运算。
矩阵F的表达式如下：
Figure BDA0003730419510000068
其中，
Figure BDA0003730419510000069
的值等于上一次迭代计算出的Q，Rd是给定的理想雷达波形，ξ为构建的辅助变量。
步骤2.2：使用高斯随机化方法从步骤S201中得到的MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘中恢复出Q。
Figure BDA00037304195100000610
其中，
Figure BDA00037304195100000611
其中，
Figure BDA00037304195100000612
UR和ΣR分别是对矩阵Q‘进行特征值分解得到的特征向量矩阵与特征值矩阵，B1＝Rd，B2＝IM，vl是服从均值为零，方差为单位阵的高斯分布。
步骤3：判断MIMO雷达通信一体化系统中通信用户的安全速率C是否收敛，其中安全速率的表达式为：
Figure BDA0003730419510000071
其中，Cb表示通信用户的遍历速率，Ce表示检测目标的窃听速率。如果安全速率C收敛，则获得最优的安全双功能波形Q；如果不收敛，则跳回步骤2。
上述设计MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形的步骤中，基于统计CSI推导出安全双功能波形Q的表达式。在实际应用中，只需要按照对应的公式实现即可，避免了基于凸优化的设计方法所需大量数据运算，显著降低了MIMO雷达通信一体化系统的安全双功能波形的设计复杂度。

Claims (5)

1.一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，其特征在于：
构建基于统计CSI辅助的MIMO雷达通信一体化系统，包括一个雷达通信一体化基站、一个通信用户和一个检测目标；其中雷达通信一体化基站配备N根天线，通信用户配备n根天线，检测目标配备m根天线，检测目标可窃听雷达通信一体化基站发送给通信用户的信息；雷达通信一体化基站与通信用户之间的信道
Figure FDA0003730419500000011
雷达通信一体化基站与检测目标之间的信道
Figure FDA0003730419500000012
分别建模为：
Figure FDA0003730419500000013
Figure FDA0003730419500000014
其中，R、T和
Figure FDA0003730419500000015
分别是n×n、N×N、n×N的矩阵，均表示统计CSI矩阵，Hiid表示信道的随机分量部分，服从均值为0，方差为
Figure FDA0003730419500000016
的复高斯分布，
Figure FDA0003730419500000017
表示矩阵的平方根运算，(·)*、(·)H分别表示矩阵的共轭和共轭转置运算；
Figure FDA0003730419500000018
表示第κ条信道的衰落系数，且满足
Figure FDA0003730419500000019
Figure FDA00037304195000000110
和vt(θ)分别表示接收和发送导向矢量，定义如下：
Figure FDA00037304195000000111
Figure FDA00037304195000000112
drn＝[0,dr,...,(n-1)dr]T
dtN＝[0,dt,...,(N-1)dt]T
其中，dr、dt分别表示接收和发射天线的线性排列间距，
Figure FDA00037304195000000113
θ分别表示天线接收角和发射角，λ表示光的波长，(·)T表示矩阵的转置运算，j是虚数单位；
所述设计方法包括以下步骤：
步骤1、将双功能波形Q的值初始化为单位矩阵，将等效信道参数的值均初始化为1，将高斯随机化参数L设置为50；
步骤2、基于步骤1所述的初始化数据，利用统计CSI设计双功能波形Q，包括：设计MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘、使用高斯随机化方法从MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘中恢复出Q；
步骤3、判断MIMO雷达通信一体化系统中通信用户的安全速率C是否收敛，如果安全速率C收敛，则获得最优的安全双功能波形Q；如果不收敛，则返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，其特征在于，所述的设计MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘，其表达式如下：
Figure FDA0003730419500000021
Figure FDA0003730419500000022
其中，VF、ΣF分别是对矩阵
Figure FDA0003730419500000023
进行特征值分解得到的特征向量矩阵与特征值矩阵，η是令Q‘满足基站发送功率限制的归一化参数，IN为N×N的单位矩阵，(·)+表示取括号中数据与0相比的最大值，矩阵A以及等效信道参数t和
Figure FDA00037304195000000210
具体表达式如下：
Figure FDA0003730419500000024
Figure FDA0003730419500000025
Figure FDA0003730419500000026
其中，In表示n×n的单位矩阵，σ2是通信用户和检测目标接收到的高斯白噪声的方差，tr(·)表示矩阵的求迹运算，(·)-1表示矩阵的逆运算。
3.根据权利要求2所述的一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，其特征在于，矩阵F的表达式为：
Figure FDA0003730419500000027
其中，
Figure FDA0003730419500000028
的值等于上一次迭代计算出的Q，Rd是给定的理想雷达波形，ξ为构建的辅助变量。
4.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，其特征在于，所述的使用高斯随机化方法，从MIMO雷达通信一体化系统的双功能波形的非秩一解Q‘中恢复出Q：
Figure FDA0003730419500000029
其中，
Figure FDA0003730419500000031
其中，
Figure FDA0003730419500000032
UR和ΣR分别是对矩阵Q‘进行特征值分解得到的特征向量矩阵与特征值矩阵，B1＝Rd，B2＝IM，vl是服从均值为零，方差为单位阵的高斯分布。
5.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达通信一体化系统中的安全双功能波形设计方法，其特征在于，所述的安全速率C的表达式为：
Figure FDA0003730419500000033
其中，Cb表示通信用户的遍历速率，Ce表示检测目标的窃听速率。
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