CN118199692A - 一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法,包括以下子步骤：S1.通感一体化发射机产生激励信号并向目标区域内发送该信号；S2.每个无源后向散射设备从激励信号上收集能量，当收集到的能量达到预设阈值时，将待发送的信息调制到激励信号上，并将调制后的信号发送给通感一体化接收机；S3.通感一体化接收机接收来自所有用户的信号，并以固定采样间隔对接收到的信号进行采样，得到一组采样后的接收信号向量；S4.在接收信号向量的基础上，通感一体化接收机，建立相应的波束成型优化问题，并求解优化问题得到波束成型方案。本发明能够以最小化感知性能为目标，以通信速率为约束，获取最优的波束成型方案，使得系统性能达到最优。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法。
背景技术
通信与感知一体化技术，即通感一体化技术，通过共享硬件、频谱、能量等资源，实现通信与感知功能的深度融合，是用于下一代移动通信网络的一种新兴技术。具体而言，传感功能旨在收集并分析周围中的反射信号，进而提取有关目标的有价值信息，例如，距离、角度、径向速度等；通信功能则侧重于利用特殊定制的信号实现基站与用户之间的信息传输。如何对波束进行设计，即波束赋型，使系统性能达到最优，是目前通感一体化领域中一个被广泛研究的热点问题。
但如何在用于通感一体化的多用户后散射系统中，实现综合评估通信与感知性能的波束成型，仍处于空白阶段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，能够以最小化感知性能为目标，以通信速率为约束，获取最优的波束成型方案，使得系统性能达到最优。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，所述多用户后向散射通感一体化系统由一个配备根天线的通感一体化发射机，/>个配备单根天线的无源后向散射设备的用户，以及一个配备/>根天线的通感一体化接收机组成；
所述方法包括以下子步骤：
S1.通感一体化发射机产生激励信号并向目标区域内发送该信号；
所述目标区域是指通感一体化发射机、个配备单根天线的无源后向散射设备的用户和通感一体化接收机的工作区域；
S2.每个无源后向散射设备从激励信号上收集能量，当收集到的能量达到预设阈值时，将待发送的信息调制到激励信号上，并将调制后的信号发送给通感一体化接收机；
S3.通感一体化接收机接收来自所有用户的信号，并以固定采样间隔对接收到的信号进行采样，得到一组采样后的接收信号向量；
S4. 在接收信号向量的基础上，通感一体化接收机对感知指标和通信指标进行建模分析，建立相应的波束成型优化问题，并求解优化问题得到波束成型方案。
本发明的有益效果是：本发明能够以最小化感知性能为目标，以通信速率为约束，获取最优的波束成型方案，使得系统性能达到最优。
附图说明
图1为通感一体化的多用户后向散射系统架构图；
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明考虑如图1所示的多用户后向散射通感一体化系统，该系统由一个配备根天线的通感一体化发射机，/>个配备单根天线的无源后向散射设备的用户，以及一个配备/>根天线的通感一体化接收机组成。为了在该系统中同时实现通信与感知功能，通感一体化发射机向目标区域内发射激励信号，每个无源后向散射设备从该激励信号上收集能量，当收集到的能量达到一定阈值时，将自己待发送的信息调制到激励信号上，并将调制后的信号发送给通感一体化接收机，通感一体化接收机接收来自区域内所用后向散射设备的后散射信号。
一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法如图2所示，包括：
S1.通感一体化发射机产生激励信号并向目标区域内发送该信号：
通感一体化发射机发送一个由个符号组成的激励信号/>：
（1）
其中，表示发射信号中的第/>个激励符号，且不同符号之间相互独立且同分布，/>表示定义域为/>的发射脉冲函数，/>表示一个符号的持续时间。因此，式（1）所示的激励信号的发射功率可以通过下式计算：
（2）
其中，表示发射脉冲函数的平均功率，/>表示矩阵的迹，/>表示最大发射功率，/>表示激励信号的采样协方差矩阵，即待设计的波束成型矩阵，其表达式为：
（3）
S2.每个无源后向散射设备从激励信号上收集能量，当收集到的能量达到预设阈值时，将待发送的信息调制到激励信号上，并将调制后的信号发送给通感一体化接收机；
每个用户的后向散射设备接收来自通感一体化发射机的信号，并从接收到的信号中收集能量，当收集到的能量超过预设阈值时，将自己待发送的信息通过幅度调制的方式加接收到的信号上，得到调制信号发送给通感一体化接收机。在该系统中，通信感知一体化接收机接收到的来自于所有后向散射设备的后向散射信号/>可以表示为：
（4）
其中，表示反射系数，/>表示通感一体化发射机到第/>个后向散射设备的路径损耗系数，/>表示第/>个后向散射设备到通感一体化接收机的路径损耗系数，表示通感一体化发射机到第/>个后向散射设备的距离，/>表示第/>个后向散射设备到通感一体化接收机的距离，/>表示发送导向矢量，/>表示接收导向矢量，/>表示通感一体化发射机关于第/>个后向散射设备的离开角度，/>表示通感一体化接收机关于第/>个后向散射设备的到达角度，/>表示通感一体化发射机到第/>个用户的传播时延，/>表示每个后向散射的恒定响应时延，/>表示第/>个后向散射设备到通感一体化接收机的传播时延，/> ，/>表示由通感一体化发射机经过第/>个用户到达通感一体化接收机的传输时延，表示杂波，即来自于目标区域内其他障碍物的反射信号，/>表示平均杂波功率，/>表示大小为/>的单位矩阵，/>表示循环对称复数高斯噪声，/>表示平均噪声功率。
S3.通感一体化接收机接收来自所有用户的信号，并以固定采样间隔对接收到的信号进行采样，得到一组采样后的接收信号向量；
接下来，通感一体化接收机以固定采样间隔对式（4）中的接收信号进行采样，得到了/>个采样向量，定义为/>，其中/>。具体而言，第/>个采样向量的表达式为：
（5）
其中，表示离散时间域中的传输时延，/>和/>分别表示杂波和噪声的采样向量，/>，/>，，/>，/>，表示向量化操作符。
S4. 在接收信号向量的基础上，通感一体化接收机对感知指标和通信指标进行建模分析，建立相应的波束成型优化问题，并求解优化问题得到波束成型方案；
下面，将结合式（5）所示的接收信号，对感知指标和通信指标进行建模分析，并建立相应的波束成型优化问题。
首先，选取用于估计每个后散射信号的传输时延与到达角度/>的克拉美罗界作为感知性能指标，其具体表达式为：
（6）
其中，，/> ，，
，/>。
接下来，将式（5）所示的接收信号重写为如下形式：
（7）
选取所有后向散射设备的传输速率和作为通信性能指标，其具体表达式可以根据式（7）给出的信号模型计算得到，其具体表达式为：
（8）
其中，为一个大小为/>的方阵，其第/>个元素为/>。
最后，根据式（6）和式（8）给出的感知性能与通信性能的表达式，以最小化感知性能为目标函数，以通信性能和发射功率为约束，建立如下的优化问题：
（9）
其中，表示最小的和速率阈值。
由于式（9）中给出的优化问题是非凸问题，为了简化其求解难度，我们通过引入辅助变量和/>，将其转换为一个凸问题，即
（10）
其中，，/>，/>，/>，。式（10）中给出的优化问题是一个典型的凸问题，通过对其求解找到最优的/>，即可实现波束成型。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，其特征在于：所述多用户后向散射通感一体化系统由一个配备根天线的通感一体化发射机，/>个配备单根天线的无源后向散射设备的用户，以及一个配备/>根天线的通感一体化接收机组成；
所述方法包括以下子步骤：
S1.通感一体化发射机产生激励信号并向目标区域内发送该信号；
所述目标区域是指通感一体化发射机、个配备单根天线的无源后向散射设备的用户和通感一体化接收机的工作区域；
S2.每个无源后向散射设备从激励信号上收集能量，当收集到的能量达到预设阈值时，将待发送的信息调制到激励信号上，并将调制后的信号发送给通感一体化接收机；
S3.通感一体化接收机接收来自所有用户的信号，并以固定采样间隔对接收到的信号进行采样，得到一组采样后的接收信号向量；
S4. 在接收信号向量的基础上，通感一体化接收机对感知指标和通信指标进行建模分析，建立相应的波束成型优化问题，并求解优化问题得到波束成型方案。
2.根据权利要求1所述的一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
S201.通感一体化发射机产生一个由个符号组成的激励信号/>：
(1)
其中，表示激励信号中的第/>个激励符号，且不同符号之间相互独立且同分布，/>表示定义域为/>的发射脉冲函数，/>表示一个符号的持续时间；因此，式(1)所示的激励信号的发射功率通过下式计算：
(2)
其中，表示发射脉冲函数的平均功率，/>表示矩阵的迹，/>表示最大发射功率，表示激励信号的采样协方差矩阵，即待设计的波束成型矩阵，其表达式为：
(3)
S202.通感一体化发射机将产生的激励信号发送向目标区域。
3.根据权利要求1所述的一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
S201.每个用户的后向散射设备接收来自通感一体化发射机的信号，并从接收到的信号中收集能量，当收集到的能量超过预设阈值时，将自己待发送的信息通过幅度调制的方式加接收到的信号上，得到调制信号发送给通感一体化接收机；
S202.通信感知一体化接收机接收到的来自于所有后向散射设备的后向散射信号表示为：
(4)
其中，表示反射系数，/>表示通感一体化发射机到第/>个后向散射设备的路径损耗系数，/>表示第/>个后向散射设备到通感一体化接收机的路径损耗系数，/>表示通感一体化发射机到第/>个后向散射设备的距离，/>表示第/>个后向散射设备到通感一体化接收机的距离，/>表示发送导向矢量，/>表示接收导向矢量，/>表示通感一体化发射机关于第/>个后向散射设备的离开角度，/>表示通感一体化接收机关于第/>个后向散射设备的到达角度，/>表示通感一体化发射机到第/>个用户的传播时延，/>表示每个后向散射的恒定响应时延，/>表示第/>个后向散射设备到通感一体化接收机的传播时延，/> ，表示由通感一体化发射机经过第/>个用户到达通感一体化接收机的传输时延，/>表示杂波，即来自于目标区域内其他障碍物的反射信号，表示平均杂波功率，/>表示大小为/>的单位矩阵，/>表示循环对称复数高斯噪声，/>表示平均噪声功率。
4.根据权利要求1所述的一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，其特征在于：所述步骤S3包括：
通感一体化接收机以固定采样间隔对式(4)中的接收信号进行采样，得到了/>个采样向量，定义为/>，其中/>，第/>个采样向量的表达式为：
(5)
其中，表示离散时间域中的传输时延，/>和/>分别表示杂波和噪声的采样向量，/>，/>，，/>，，/>表示向量化操作符。
5.根据权利要求1所述的一种多用户后向散射通感一体化系统中的波束成型方法，其特征在于：所述步骤S4包括：
S401.选取用于估计每个后散射信号的传输时延与到达角度/>的克拉美罗界作为感知性能指标，其具体表达式为：
(6)
其中，，/> ，，
，/>；
接下来，将式（5）所示的接收信号采样向量重写为如下形式：
(7)
S402.选取所有后向散射设备的传输速率和作为通信性能指标，其具体表达式根据式(7)给出的信号模型计算得到，其具体表达式为：
(8)
其中，为一个大小为/>的方阵，其第/>个元素为/>；
S403.根据式（6）和式（8）给出的感知性能与通信性能的表达式，以最小化感知性能为目标函数，以通信性能和发射功率为约束，建立如下的优化问题：
（9）
其中，表示最小的和速率阈值；
由于式（9）中给出的优化问题是非凸问题，为了简化其求解难度，通过引入辅助变量和/>，将其转换为一个凸问题，即
（10）
其中，，/>，/>，/>，/>;
式（10）中给出的优化问题是一个典型的凸问题，通过对其求解找到最优的，实现波束成型。
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