一种上行通信和下行感知一体化传输方法

1.本发明属于通信感知一体化系统领域，尤其涉及一种上行通信和下行感知一体化传输方法。


背景技术：

2.万物互联带来了通信和感知融合的新应用，传统的通信和感知独立的系统由于其时频资源利用效率低、干扰严重、成本较高，无法满足这些新应用的需求，因此，通感一体化技术成为满足这些新应用的一种高效可行的方法。通感一体化技术中，通信和感知共享硬件资源，在同一频率上同时进行通信和雷达感知，有效节约了时频资源和硬件成本，能够获得较高的系统效率。
3.在时分复用的通感一体化系统中，为了保证传输效率，下行和上行阶段之间的保护间隔通常很短，这使得上行信号与目标回波的碰撞不可避免，造成严重的干扰问题。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种上行通信和下行感知一体化传输方法,能针对上行信号与目标回波发生部分碰撞的情况，通过联合优化下行感知波形和上行功率分配，最小化感知估计和通信数据检测的误差。
5.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
6.包括如下步骤：
7.一种上行通信和下行感知一体化传输方法，包括如下步骤：
8.步骤1、分别设置基站下行感知和用户上行发射功率上限及加权系数；
9.步骤2、根据感知参数估计和上行通信数据检测的线性最小均方误差(lmmse)接收机，分别得到感知估计和通信数据检测的均方误差；
10.步骤3、根据加权系数，在基站下行感知和用户上行发射功率约束下，以最小化感知估计和通信数据检测均方误差加权和为目标，优化基站下行感知波形和用户上行发射功率分配。
11.进一步的，在步骤2中分别通过如下lmmse接收机估计感知参数和上行通信数据：
12.感知接收机：
[0013][0014]
上行通信接收机：
[0015]
[0016]
其中，ψ表示感知接收机，w
l
表示时隙l的上行通信接收机，(
·
)h表示共轭转置，(
·
)
t
表示矩阵转置，(
·
)-1
表示矩阵求逆，表示矩阵a和b的克罗内克积，rg是目标响应向量g的协方差矩阵，s是下行感知波形，表示s的等效形式，h是用户上行通信信道，表示维度为ld的单位矩阵，表示维度为nrld的单位矩阵，/指的是和的含义，表示维为nd的单位矩阵，表示下行感知/上行通信重叠部分上行信号的方差矩阵，是基站接收天线阵列处加性高斯白噪声的方差，为重合阶段对应的用户上行功率分配矩阵，为纯上行通信阶段对应的用户上行功率分配矩阵，diag(a)表示以向量a的元素为对角元素的对角矩阵，k表示上行用户数，pk表示用户k在下行感知/上行通信重叠阶段的上行发射功率，p
′k表示用户k在纯上行通信阶段的上行发射功率，s
l
是时隙l的感知波形，表示s
l
的等效形式，ld是感知波形的时隙长度，lu是上行数据的时隙长度，lo是下行感知/上行通信重叠阶段的时隙长度。
[0017]
进一步的，在所述步骤3中，根据步骤2得到的均方误差，构建如下优化问题优化下行感知波形s、用户上行通信功率分配矩阵p和p
′
：
[0018]
优化目标为：最小化均方误差加权和
[0019][0020]
约束条件为：
[0021][0022]
0≤pk≤pk,k＝1,2,...,k,
[0023]
0≤p
′k≤pk,k＝1,2,...,k
[0024]
其中，ρ表示加权系数，tr(
·
)为矩阵的迹，||
·
||2为向量的二范数，为x
u1
的协方差矩阵，为回波阶段等效上行数据向量，vec(
·
)表示向量化，x
l
为时隙l的上行数据向量，pb表示基站发射功率预算，pk表示用户k的上行发射功率预算。
[0025]
进一步的，在所述步骤3中，将构建的原始优化问题利用受控最小化mm算法转化成如下三个子优化问题进行求解：
[0026]
子问题1：固定功率分配矩阵p，求解下行感知波形s
[0027]
优化目标为：最小化
[0028][0029]
约束条件为：
[0030]
其中，和
[0031]
为中间变量，为第t次迭代求解得到的的值，
[0032]
为第t次迭代求解得到的的值；
[0033]
子问题2：固定下行感知波形s，求解功率分配矩阵p
[0034]
优化目标为：最小化
[0035][0036]
约束条件为：
[0037]
0≤pk≤pk,k＝1,2,...,k
[0038]
其中，和是用来简化公式的中间变量，为第t次迭代求解得到的的值，p
(t)
为第t次迭代求解得到的p的值；
[0039]
子问题3：求解功率分配矩阵p
′
[0040]
优化目标为：最小化
[0041][0042]
约束条件为：
[0043]
0≤p
′k≤pk,k＝1,2,...,k
[0044]
其中，是用来简化公式的中间变量，p
′
(t)
为第t次迭代求解得到的p
′
的值。
[0045]
进一步的，在所述步骤3中，交替求解子优化问题1和子优化问题2，在迭代收敛时得到下行感知波形s和功率分配矩阵p的最优解；迭代求解子问题3得到功率分配矩阵p
′
的最优解。
[0046]
本发明的一种上行通信和下行感知一体化传输方法，具有以下优点：
[0047]
1、本发明针对通感一体化系统中上行信号与目标回波发生部分碰撞的情况，通过
联合设计下行感知波形和上行多用户功率分配方案，在发射功率约束下，最小化感知估计和上行通信数据检测均方误差的加权和。
[0048]
2、相对于上行通信和感知独立设计的方法，本发明有效减轻上行通信和雷达感知间的干扰，降低感知参数估计和通信数据检测的误差。
[0049]
3、本发明的计算复杂度与上行通信和感知独立设计方法相当，利于工程实现。
附图说明
[0050]
图1是本发明的算法流程图。
[0051]
图2是仿真实验结果图。
具体实施方式
[0052]
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种上行通信和下行感知一体化传输方法做进一步详细的描述。
[0053]
本发明的典型应用场景为雷达回波与上行信号存在部分重叠的上行多用户mimo系统，通过对下行感知波形和上行多用户发射功率分配方案进行联合设计，在发射功率预算的限制下，最小化感知估计和上行通信数据检测均方误差的加权和，如图1所示，本发明实施例公开的一种上行通信和下行感知一体化传输方法，具体步骤如下：
[0054]
(1)分别设置基站下行感知和用户上行发射功率上限及加权系数；
[0055]
(2)根据感知参数估计和上行通信数据检测的线性最小均方误差(lmmse)接收机，分别得到感知估计和通信数据检测的均方误差；
[0056]
本步骤中，所得到的lmmse接收机为：
[0057]
感知接收机：
[0058][0059]
上行通信接收机：
[0060][0061]
其中，ψ表示感知接收机，w
l
表示时隙l的上行通信接收机，(
·
)h表示共轭转置，(
·
)
t
表示矩阵转置，(
·
)-1
表示矩阵求逆，表示矩阵a和b的克罗内克积，rg是目标响应向量g的协方差矩阵，s是下行感知波形，表示s的等效形式，h是用户上行通信信道，表示维度为ld的单位矩阵，表示维度为nrld的单位矩阵，表示维为nd的单位矩阵，表示下行感知/上行通信重叠部分上行信号的方差矩阵，是基站接收天线阵列处加性高斯白噪声的方差，为重合阶段对应的用户上行功率分
配矩阵，为纯上行通信阶段对应的用户上行功率分配矩阵，diag(a)表示以向量a的元素为对角元素的对角矩阵，k表示上行用户数，pk表示用户k在下行感知/上行通信重叠阶段的上行发射功率，p
′k表示用户k在纯上行通信阶段的上行发射功率，s
l
是时隙l的感知波形，表示s
l
的等效形式，ld是感知波形的时隙长度，lu是上行数据的时隙长度，lo是下行感知/上行通信重叠阶段的时隙长度。
[0062]
(3)根据加权系数，在基站下行感知和用户上行发射功率约束下，以最小化感知估计和通信数据检测均方误差加权和为目标，优化基站下行感知波形和用户上行发射功率分配。
[0063]
本步骤中，根据(2)得到的均方误差，优化下行感知波形s、上行通信功率分配矩阵p和p
′
，所构建的优化问题如下：
[0064]
优化目标为：最小化均方误差加权和
[0065][0066]
约束条件为：
[0067][0068]
0≤pk≤pk,k＝1,2,...,k,
[0069]
0≤p
′k≤pk,k＝1,2,...,k.
[0070]
其中，ρ表示加权系数，tr(
·
)为矩阵的迹，||
·
||2为向量的二范数，为x
u1
的协方差矩阵，为回波阶段等效上行数据向量，vec(
·
)表示向量化，x
l
为时隙l的上行数据向量，pb表示基站发射功率预算，pk表示用户k的上行发射功率预算。
[0071]
为了便于求解，可将上述原始优化问题进行转化，本例中转化为如下三个子问题：
[0072]
子问题1：固定功率分配矩阵p，求解下行感知波形s
[0073]
优化目标为：最小化
[0074][0075]
约束条件为：
[0076]
其中，和
为中间变量，为第t次迭代求解得到的的值，为第t次迭代求解得到的的值。
[0077]
子问题2：固定下行感知波形s，求解功率分配矩阵p
[0078]
优化目标为：最小化
[0079][0080]
约束条件为：
[0081]
0≤pk≤pk,k＝1,2,...,k
[0082]
其中，和是用来简化公式的中间变量，为第t次迭代求解得到的的值，p
(t)
为第t次迭代求解得到的p的值。
[0083]
子问题3：求解功率分配矩阵p
′
[0084]
优化目标为：最小化
[0085]
约束条件为：
[0086]
0≤p
′k≤pk,k＝1,2,...,k
[0087]
其中，是用来简化公式的中间变量，p
′
(t)
为第t次迭代求解得到的p
′
的值。
[0088]
上述转化后的三个子问题均为凸问题，可交替求解子优化问题1和子优化问题2，在迭代收敛时得到下行感知波形s和功率分配矩阵p的最优解；迭代求解子问题3得到功率分配矩阵p
′
的最优解。
[0089]
为了验证本发明的效果，进行了仿真实验，仿真实验所涉及的参数如下表所示：
[0090]
表1仿真实验参数表
[0091]
参数取值基站发射、接收天线数(4，8)、(12,16)上行用户数3感知波形时隙长度10上行数据时隙长度10重叠部分时隙长度8加权系数0.7收敛门限10-3
上行通信大尺度衰落-90db
感知回波大尺度衰落-100db噪声功率-90dbm基站下行发射功率35dbm
[0092]
图2为仿真实验对比结果，仿真结果表明：联合设计方法的均方误差加权和随着上行发射功率的增加逐渐下降，而独立设计方法的均方误差加权和随着上行发射功率的增加先下降后上升。联合设计方法的均方误差加权和显著低于独立设计的方法，且在大型天线下联合设计方法的增益更加显著。
[0093]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种上行通信和下行感知一体化传输方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、分别设置基站下行感知和用户上行发射功率上限及加权系数；步骤2、根据感知参数估计和上行通信数据检测的线性最小均方误差lmmse接收机，分别得到感知估计和通信数据检测的均方误差；步骤3、根据加权系数，在基站下行感知和用户上行发射功率约束下，以最小化感知估计和通信数据检测均方误差加权和为目标，优化基站下行感知波形和用户上行发射功率分配。2.根据权利要求1所述的上行通信和下行感知一体化传输方法，其特征在于，在步骤2中分别通过如下lmmse接收机估计感知参数和上行通信数据：感知接收机：上行通信接收机：其中，ψ表示感知接收机，w
l
表示时隙l的上行通信接收机，(
·
)
h
表示共轭转置，(
·
)
t
表示矩阵转置，(
·
)-1
表示矩阵求逆，表示矩阵a和b的克罗内克积，r
g
是目标响应向量g的协方差矩阵，s是下行感知波形，表示s的等效形式，h是用户上行通信信道，表示维度为l
d
的单位矩阵，表示维度为n
r
l
d
的单位矩阵，表示维为n
d
的单位矩阵，表示下行感知/上行通信重叠部分上行信号的方差矩阵，是基站接收天线阵列处加性高斯白噪声的方差，为重合阶段对应的用户上行功率分配矩阵，为纯上行通信阶段对应的用户上行功率分配矩阵，diag(a)表示以向量a的元素为对角元素的对角矩阵，k表示上行用户数，p
k
表示用户k在下行感知/上行通信重叠阶段的上行发射功率，p
′
k
表示用户k在纯上行通信阶段的上行发射功率，s
l
是时隙l的感知波形，表示s
l
的等效形式，l
d
是感知波形的时隙长度，l
u
是上行数据的时隙长度，l
o
是下行感知/上行通信重叠阶段的时隙长度。3.根据权利要求2所述的上行通信和下行感知一体化传输方法，其特征在于，在所述步骤3中，根据步骤2得到的均方误差，构建如下优化问题优化下行感知波形s、用户上行通信功率分配矩阵p和p
′
：优化目标为：最小化均方误差加权和
约束条件为：0≤p
k
≤p
k
,k＝1,2,...,k,0≤p
′
k
≤p
k
,k＝1,2,...,k其中，ρ表示加权系数，tr(
·
)为矩阵的迹，||
·
||2为向量的二范数，为x
u1
的协方差矩阵，为回波阶段等效上行数据向量，vec(
·
)表示向量化，x
l
为时隙l的上行数据向量，p
b
表示基站发射功率预算，p
k
表示用户k的上行发射功率预算。4.根据权利要求3所述的上行通信和下行感知一体化传输方法，其特征在于，在所述步骤3中，将构建的原始优化问题利用受控最小化mm算法转化成如下三个子优化问题进行求解：子问题1：固定功率分配矩阵p，求解下行感知波形s优化目标为：最小化约束条件为：其中，和为中间变量，为第t次迭代求解得到的的值，为第t次迭代求解得到的的值；子问题2：固定下行感知波形s，求解功率分配矩阵p优化目标为：最小化约束条件为：0≤p
k
≤p
k
,k＝1,2,...,k
其中，和是用来简化公式的中间变量，为第t次迭代求解得到的的值，p
(t)
为第t次迭代求解得到的p的值；子问题3：求解功率分配矩阵p
′
优化目标为：最小化约束条件为：0≤p
′
k
≤p
k
,k＝1,2,...,k其中，是用来简化公式的中间变量，p
′
(t)
为第t次迭代求解得到的p
′
的值。5.根据权利要求4所述的上行通信和下行感知一体化传输方法，其特征在于，在所述步骤3中，交替求解子优化问题1和子优化问题2，在迭代收敛时得到下行感知波形s和功率分配矩阵p的最优解；迭代求解子问题3得到功率分配矩阵p
′
的最优解。

技术总结
本发明公开了一种上行通信和下行感知一体化传输方法，该方法针对时分双工(TDD)多输入多输出(MIMO)通感一体化(ISAC)系统，考虑上行通信和下行雷达感知互相干扰的问题。在下行和上行发射功率受限的前提下，通过联合设计下行感知波形和上行通信功率分配，最小化感知和通信均方误差的加权和。相对于传统的通信和感知独立设计的方法，本发明有效地减轻上行通信和雷达感知之间的干扰，显著提高了通信和感知性能，并且本发明几乎不增加计算复杂度，利于工程实现。工程实现。工程实现。


技术研发人员：沈弘 孙阳 赵春明
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/15