CN115173903B - 一种通感一体化***功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通感一体化***功率分配方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：建模雷达***发射信号和通信***发射信号；S2：建模雷达***接收信号和通信***接收信号；S3：建模雷达***性能，并建模通信***传输速率和通信***能效；S4：建模通感一体化***约束条件；S5：基于通信***能效优化确定功率分配策略。本发明以通信***能效最大化为优化目标，能够实现通信***发射功率、雷达***发射功率的联合优化，提高通信***的能效。

Description

一种通感一体化***功率分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种通感一体化***功率分配方法。
背景技术
近年来，通信感知一体化技术引起了学术界的广泛关注。通感一体化技术基于软硬件资源及信息共享协同实现感知与通信功能，可以有效提升***频谱效率、硬件利用率和信息处理效率。通感一体化***中，感知能力利用无线信号感知，通过分析无线电波的反射信号，获得对目标对象或环境信息的感知，完成定位、测距、测速、成像、检测、识别、环境重构等功能，实现对物理世界的感知探索。通感一体化***的感知功能与通信功能可共用***频谱及发送功率，涉及***间及***内干扰及资源共享问题，如何在满足感知性能约束的情况下，优化设计功率分配方案，实现通信***性能优化成为亟待解决的问题。
目前已有文献研究通感一体化问题，如有文献基于雷达***接收端信干噪比限制条件，设计资源分配方案，以实现通信***传输速率优化；有文献在满足通信***可容忍干扰约束条件下，设计雷达***的发送信号，以实现雷达***信干噪比优化，然而，现有研究较少考虑雷达***干扰约束下的通信及雷达***的联合发射功率优化问题，难以实现通感一体化***性能优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通感一体化***功率分配方法，针对包含一个MIMO雷达***和一个MIMO通信***，以通信***能效最大化为优化目标，实现通信***发射功率、雷达***发射功率的联合优化，提高通信***的能效。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种通感一体化***功率分配方法，针对包含一个MIMO雷达***和一个MIMO通信***，该方法具体包括以下步骤：
S1：建模雷达***发射信号和通信***发射信号；
S2：建模雷达***接收信号和通信***接收信号；
S3：建模雷达***性能，并建模通信***传输速率和通信***能效；
S4：建模通感一体化***约束条件；
S5：基于通信***能效优化确定功率分配策略。
进一步，步骤S1中，建模雷达***发射信号，具体包括：令多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷达的发射天线数量为Mt，第i根雷达发射天线的传输信号si(t)建模为其中，/>为时间码，ci(p)为第p个雷达脉冲符号，Ps为脉冲数目，/>表示1×Ps维矩阵，ψ(·)表示雷达***的奈奎斯特波形；定义B＝1/Tr，其中B和Tr分别表示雷达波形带宽和脉冲持续时间。
进一步，步骤S1中，建模通信***发射信号，具体包括：令通信***发射天线数量为Nt，通信***和雷达***使用相同的频带；第i′根通信发射天线的传输信号xi′(t)建模为其中vi′(p)为通信***需传输的数据序列，令/>
进一步，步骤S2中，建模雷达***接收信号，具体包括：令MIMO雷达***接收天线数量为Mr，第j根雷达接收天线处雷达接收信号rj(t)建模为：
其中，Pr表示雷达天线发射功率，ai,j表示第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线处的目标后向散射系数，τi,j表示从第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线的目标检测时延，dc,i′,j表示第i′根通信发射天线到第j根雷达接收天线的干扰信道响应，zi,j表示第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线处的杂波响应，nr,j(t)表示第j根雷达接收天线处的噪声；令R表示雷达***接收信号矩阵，将接收信号rj(t)投射到正交***n表示脉冲持续时间的数目，得到/>其中/>表示目标响应矩阵，/>表示通信发射天线到雷达接收天线的干扰信道响应矩阵，/>表示Mr×Nt维矩阵，/>表示杂波响应矩阵，/>表示Mr×Mt维矩阵；Nr表示雷达接收天线处的噪声；令C表示雷达***的发送信号矩阵，即/>令V表示通信***的发送信号矩阵，即/>其中/>表示Nt×Ps维矩阵；使用线性滤波器后得到的雷达滤波信号r′j建模为/>其中，表示线性滤波器相关参数，/>表示MrPs×1维矩阵，r＝vec(R)＝[r(0),r(1),…,r(Ps-1)]T，其中/>表示第p个脉冲处雷达接收天线接收的信号。
进一步，步骤S2中，建模通信***接收信号，具体包括：令通信***接收天线数量为Nr，第j′根通信接收天线处通信接收信号yj′(t)建模为：
其中，hi′,j′表示第i′根通信发射天线到第j′根通信接收天线处的信道响应，dr,i,j′表示第i根雷达发射天线到第j′根通信接收天线的信道响应，nc,j′(t)表示第j′根通信接收天线处的噪声；将接收信号yj′(t)投射到正交***通信***接收信号建模为/>其中/>表示通信发射天线到通信接收天线的信道响应矩阵，/>表示Nr×Nt维矩阵，/>表示雷达发射天线到通信接收天线的干扰信道响应矩阵，/>表示Nr×Mt维矩阵，Nc表示通信接收天线处的噪声。
进一步，步骤S3中，建模雷达***性能，具体包括：第j根雷达接收天线性能建模为：
其中，SINRr,j表示第j根雷达接收天线的信干噪比，表示ai,j的方差，/>表示dc,i′,j的方差，/>表示zi,j的方差；假设ai,j，dc,i′,j，zi,j均为零均值，/>表示雷达接收端噪声功率。
进一步，步骤S3中，建模通信***传输速率，具体包括：通信***第j′根接收天线的信干噪比SINRc,j′建模为：
其中，表示hi′,j′的方差，/>表示dr,i,j′的方差，假设hi′,j′和dr,i,j′为零均值，表示通信接收端噪声功率；通信***速率R建模为/>
进一步，步骤S3中，建模通信***能效E为：其中/>表示通信***发射功率，/>η表示功率放大器效率，Pc表示电路功率。
进一步，步骤S4中，建模通感一体化***约束条件，具体包括：R≥Rmin，SINRr,j≥εmin，0≤Pr≤Pr,max，0≤P≤Pmax，其中Rmin表示通信***的最低速率限制，εmin表示雷达***的信干噪比门限，Pr,max表示雷达***的最大发射功率，Pmax表示通信***的最大发射功率。
进一步，步骤S5中，基于通信***能效优化确定功率分配策略，具体包括：在满足雷达***SINR最低性能条件下，以通信***能效最大化为优化目标，确定通信***发射功率和雷达***发射功率，即其中，Pi′ *,Pr *分别表示优化后的Pi′,Pr。
本发明的有益效果在于：本发明在通感一体化***中，通过约束雷达***的信干噪比，对通信***和雷达***的发射功率进行优化，提高了通信***的能效。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明通感一体化***功率分配场景示意图；
图2为本发明通感一体化***功率分配方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图2，本发明提供一种通感一体化***功率分配方法，通感一体化***中包括MIMO通信***和MIMO雷达***两部分，建模雷达***信干噪比和通信***传输速率，基于通信***能效最大化实现通信***发射功率和雷达***发射功率的联合优化。
图1为通感一体化***功率分配场景示意图，如图1所示，该场景中包括一个MIMO雷达***和一个MIMO通信***，两个***之间相互干扰，通过建模雷达***信干噪比和通信***传输速率，对通信***能效进行优化，实现雷达***与通信***功率分配策略。
图2为本发明通感一体化***功率分配方法的流程示意图，如图2所示，该方法具体包括以下步骤：
1)雷达***发射信号建模
雷达***发射信号建模包括：令多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷达的发射天线数量为Mt，第i根雷达发射天线的传输信号建模为其中/>为时间码，令/>Ps为脉冲数目，ψ(·)表示雷达***的奈奎斯特波形，定义B＝1/Tr，其中B和Tr分别表示雷达波形带宽和脉冲持续时间。
2)通信***发射信号建模
通信***发射信号建模包括：令通信***发射天线数量为Nt，通信***和雷达***使用相同的频带；第i′根通信发射天线的传输信号建模为其中vi′(p)为通信***需传输的数据序列，令/>
3)雷达***接收信号建模
雷达***接收信号建模包括：令MIMO雷达***接收天线数量为Mr，第j根雷达天线处雷达接收信号建模为：
其中Pr表示雷达天线发射功率，ai,j表示第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线处的目标后向散射系数，τi,j表示从第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线的目标检测时延，dc,i′,j表示第i′根通信发射天线到第j根雷达接收天线的干扰信道响应，zi,j表示第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线处的杂波响应，nr,j(t)表示第j根雷达接收天线处的噪声；令R表示接收信号矩阵，将接收信号rj(t)投射到正交***/>得到/>其中/>表示目标响应矩阵，/>表示通信发射天线到雷达接收天线的干扰信道响应矩阵，/>表示杂波响应矩阵，Nr表示雷达接收天线处的噪声；令V表示通信***的发送信号矩阵，即/>其中/>使用线性滤波器后得到的雷达滤波信号建模为/>其中/>r＝vec(R)＝[r(0),r(1),…,r(Ps-1)]T，其中/>表示第p个脉冲处雷达接收天线接收的信号。
4)通信***接收信号建模
通信***接收信号建模包括：令通信***接收天线数量为Nr，第j′根通信天线处通信接收信号建模为：
其中hi′,j′表示第i′根通信发射天线到第j′根通信接收天线处的信道响应，dr,i,j′表示第i根雷达发射天线到第j′根通信接收天线的信道响应，nc,j′(t)表示第j′根通信接收天线处的噪声；将接收信号yj′(t)投射到正交***/>通信接收信号建模为/>其中/>表示通信发射天线到通信接收天线的信道响应矩阵，/>表示雷达发射天线到通信接收天线的干扰信道响应矩阵，Nc表示通信接收天线处的噪声。
5)雷达***性能建模
雷达***性能建模包括：第j根雷达接收天线性能建模为：
其中/>表示ai,j的方差，/>表示dc,i′,j的方差，/>表示zi,j的方差；假设ai,j，dc,i′,j，zi,j均为零均值，/>表示雷达接收端噪声功率。
6)通信***传输速率建模
通信***传输速率建模包括：通信***第j′根接收天线的信干噪比建模为其中/>表示hi′,j′的方差，/>表示dr,i,j′的方差，假设hi′,j′和dr,i,j′为零均值，/>表示通信接收端噪声功率；通信***速率R建模为/>
7)通信***能效建模
通信***能效建模包括：建模通信能效为其中/>表示通信***发射功率，/>η表示功率放大器效率，Pc表示电路功率。
8)通感一体化***约束条件建模
通感一体化***约束条件建模包括：R≥Rmin，SINRr,j≥εmin，0≤Pr≤Pr,max，0≤P≤Pmax，其中Rmin表示通信***的最低速率限制，εmin表示雷达***的信干噪比门限，Pr,max表示雷达***的最大发射功率，Pmax表示通信***的最大发射功率。
9)基于通信***能效优化确定功率分配策略
基于通信***能效优化确定功率分配策略包括：在满足雷达***SINR最低性能条件下，以通信***能效最大化为优化目标，确定通信***发射功率、雷达***发射功率，即其中，Pi′ *,Pr *分别表示优化后的Pi′,Pr。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种通感一体化***功率分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：建模雷达***发射信号和通信***发射信号；
S2：建模雷达***接收信号和通信***接收信号；
S3：建模雷达***性能，并建模通信***传输速率和通信***能效；
S4：建模通感一体化***约束条件；
S5：基于通信***能效优化确定功率分配策略；
步骤S1中，建模雷达***发射信号，具体包括：令多输入多输出MIMO雷达的发射天线数量为Mt，第i根雷达发射天线的传输信号si(t)建模为其中，为时间码，ci(p)为第p个雷达脉冲符号，Ps为脉冲数目，/>表示1×Ps维矩阵，ψ(·)表示雷达***的奈奎斯特波形；定义B＝1/Tr，其中B和Tr分别表示雷达波形带宽和脉冲持续时间；
建模通信***发射信号，具体包括：令通信***发射天线数量为Nt，通信***和雷达***使用相同的频带；第i′根通信发射天线的传输信号xi′(t)建模为其中vi′(p)为通信***需传输的数据序列，令/>
步骤S2中，建模雷达***接收信号，具体包括：令MIMO雷达***接收天线数量为Mr，第j根雷达接收天线处雷达接收信号rj(t)建模为：
其中，Pr表示雷达天线发射功率，ai,j表示第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线处的目标后向散射系数，τi,j表示从第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线的目标检测时延，dc,i′,j表示第i′根通信发射天线到第j根雷达接收天线的干扰信道响应，zi,j表示第i根雷达发射天线到第j根雷达接收天线处的杂波响应，nr,j(t)表示第j根雷达接收天线处的噪声；令R表示雷达***接收信号矩阵，将接收信号rj(t)投射到正交***n表示脉冲持续时间的数目，得到/>其中/>表示目标响应矩阵，/>表示通信发射天线到雷达接收天线的干扰信道响应矩阵，/>表示Mr×Nt维矩阵，/>表示杂波响应矩阵，/>表示Mr×Mt维矩阵；Nr表示雷达接收天线处的噪声；令/>表示雷达***的发送信号矩阵，即/>令/>表示通信***的发送信号矩阵，即/>其中/> 表示Nt×Ps维矩阵；使用线性滤波器后得到的雷达滤波信号rj′建模为/>其中， 表示线性滤波器相关参数，/>表示MrPs×1维矩阵，r＝vec(/>)＝[r(0),r(1),…,r(Ps-1)]T，其中/>表示第p个脉冲处雷达接收天线接收的信号；
建模通信***接收信号，具体包括：令通信***接收天线数量为Nr，第j′根通信接收天线处通信接收信号yj′(t)建模为：
其中，hi′,j′表示第i′根通信发射天线到第j′根通信接收天线处的信道响应，dr,i,j′表示第i根雷达发射天线到第j′根通信接收天线的信道响应，nc,j′(t)表示第j′根通信接收天线处的噪声；将接收信号yj′(t)投射到正交***通信***接收信号建模为其中/>表示通信发射天线到通信接收天线的信道响应矩阵，/>表示Nr×Nt维矩阵，/>表示雷达发射天线到通信接收天线的干扰信道响应矩阵，/>表示Nr×Mt维矩阵，Nc表示通信接收天线处的噪声；
步骤S3中，建模雷达***性能，具体包括：第j根雷达接收天线性能建模为：
其中，SINRr,j表示第j根雷达接收天线的信干噪比，表示ai,j的方差，/>表示dc,i′,j的方差，/>表示zi,j的方差；假设ai,j，dc,i′,j，zi,j均为零均值，/>表示雷达接收端噪声功率；
建模通信***传输速率，具体包括：通信***第j′根接收天线的信干噪比SINRc,j′建模为：
其中，表示hi′,j′的方差，/>表示dr,i,j′的方差，假设hi′,j′和dr,i,j′为零均值，表示通信接收端噪声功率；通信***速率R建模为/>
建模通信***能效E为：其中/>表示通信***发射功率，/>η表示功率放大器效率，Pc表示电路功率；
步骤S4中，建模通感一体化***约束条件，具体包括：R≥Rmin，SINRr,j≥εmin，0≤Pr≤Pr,max，0≤P≤Pmax，其中Rmin表示通信***的最低速率限制，εmin表示雷达***的信干噪比门限，Pr,max表示雷达***的最大发射功率，Pmax表示通信***的最大发射功率；
步骤S5中，基于通信***能效优化确定功率分配策略，具体包括：在满足雷达***SINR最低性能条件下，以通信***能效最大化为优化目标，确定通信***发射功率和雷达***发射功率，即其中，Pi′ *,Pr *分别表示优化后的Pi′,Pr。
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