CN115765819A - 面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置 - Google Patents

面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置 Download PDF

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CN115765819A CN202211412346.3A CN202211412346A CN115765819A CN 115765819 A CN115765819 A CN 115765819A CN 202211412346 A CN202211412346 A CN 202211412346A CN 115765819 A CN115765819 A CN 115765819A
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钱骁伟
胡小玲
刘晨熙
彭木根
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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Abstract

本发明提出一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置，其中，方法包括：构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，以及，传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段；在第一阶段中，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息，接收终端设备发送的上行通信信号，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形，估计终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给基站；在第二阶段中，基于终端设备位置设计联合波束赋形，接收终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。该方法规避高开销的智能超表面信道估计，实现基于粗感知信息进行波束赋形从而同时增强***通信和细感知性能。

Description

面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置。
背景技术
通信感知一体化是第六代移动通信***的潜在使能技术之一，它能在网络中同时实现高精度感知和高速通信的服务，从而支持物联网、无人驾驶和虚拟现实能技术等应用。传统上，感知***和通信***被分别研究和设计，但是随着毫米波技术输入多输出技术的不断发展，通信信号在毫米波频段可以同时在时域和角度有高分辨率，从而使得利用通信信号进行位置感知成为可能。通信感知一体化***的研究主要致力于在建立通信链路的同时提供高精确度的感知服务，从而提高频谱利用率并降低硬件开销。基于上述原因，毫米波频段被认为是发展通信感知一体化技术的理想频段。然而，毫米波频段相比于低频段(如现阶段广泛使用的sub-6G频段)存在更为严重的路径损耗且导致非视距路径下信号弱，难以进行有效通信和感知。
智能超表面的出现为面向通信感知一体化的毫米波***提供了新的低成本解决思路。智能超表面是一种新型的无线通信技术，它通过集成大量可调控的低成本无源反射元件，能以超低功耗实现被动波束赋形，配置无线传输环境，从而显著提升无线通信网络性能。
现有的面向通信感知一体化合作式(device-based)智能超表面***及波束赋形方案主要仍基于完美信道状态信息进行设计，通过设计智能超表面反射模式，例如基于ON/OFF的反射模式和基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)的反射模式，来估计级联信道，再基于该信道估计结果进行波束赋形设计从而提升感知或者通信性能。然而，该方式存在以下问题：(1)系获取级联信道状态信息需要付出大量的导频开销，实际难以部署；(2)感知和通信两项服务竞争时频资源，难以同时满足高精度感知和高速率通信的需求。这使得智能超表面在新一代移动通信领域中的应用受限。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法，以规避高开销的智能超表面信道估计，并用通信感知融合的思路解决智能超表面在无线通信***中难应用的问题，而且多样化了基于感知且简单高效的波束赋形方法，基于感知信息同时增强通信和感知性能。
本发明的第二个目的在于提出一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形装置。
本发明的第三个目的在于提出一种存储介质。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法，包括：
构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，所述传输块包括至少一个时隙，以及，所述传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段，所述第一传输阶段包含第一预设变化值加第一预设值个符号时隙，所述第二传输阶段包含第二预设变化值加第二预设值个符号时隙；
在所述第一阶段中，在所述第一预设变化值个时隙上，估计所述基站和所述终端设备之间的低维信道状态信息，并在所述第一预设值个符号时隙上，接收终端设备发送的上行通信信号，基于所述基站与所述终端设备的信道信息进行波束赋形，估计所述终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给所述基站；
在所述第二阶段时隙中，在所述第二预设变化值个时隙，基于所述终端设备位置设计联合波束赋形，在所述第二预设值个时隙，接收所述终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。
可选地，在本发明实施例之中，所述基站和所述终端设备的天线皆为沿y轴排列的均匀线阵天线，所述智能超表面由一个含有多个反射阵元的反射子面和两个分别含有多个感知阵元的感知子面构成，所述反射子面为含有至少一个反射阵元的第一子面，所述反射阵元排列为Mc＝My，1×Mz，1的均匀矩阵阵列所述感知子面为包含至少一个感知阵元的第二子面和第三子面，所述感知阵元排列为Ms＝My，i×Mz，i(i＝2，3)的均匀矩形阵列。
可选地，在本发明实施例之中，所述估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息的方法，包括：
控制所述终端设备向所述基站发送导频信号，并控制所述基站根据所述导频信号，利用最小二乘或者最小均方误差，进行接收所述天线和所述终端设备发送所述天线之间的信道估计，获得所述基站和所述终端设备之间的信道状态信息。
可选地，在本发明实施例之中，所述基于所述基站与所述终端设备的信道信息进行波束赋形的方法，包括：
控制所述终端设备采用最大比率传输方法进行波束赋形。
可选地，在本发明实施例之中，所述估计所述终端设备发射波束的到达角的方法，包括：
基于所述智能超表面的所述第二子面和所述第三子面，通过获取的通信信号处理得到终端设备到其的空间到达角对，并由此获取第一和/或第二阶段终端设备的估计位置。
可选地，在本发明实施例之中，所述基站基于所述终端设备位置设计联合波束赋形的方法，包括：
基于通信和感知的需求，确定通感权衡因子
Figure BDA0003939186110000031
并构建联合性能指标；
基于所述联合性能指标，构建兼顾通感性能的多变量优化问题；
基于所述多变量优化问题进行多变量解耦合，先获得所述基站接收波束和所述反射子面的被动波束的最优解，并获取简化后优化问题；
通过所述简化后优化问题和使用基于感知的半正定松弛或基于感知的多波束控制的低复杂度波束赋形方法，获得所述基站、所述智能超表面的反射子面和所述终端设备的波束赋形向量。
可选地，在本发明实施例之中，所述构建联合性能指标的方法，包括：
使用所述第二子面和第三子面的接收信号信噪比的和表征感知性能，获取感知SNR，其表征为：
Figure BDA0003939186110000032
并且，使用所述基站接收信号SNR表征通信性能，获取通信SNR，其表征为：
Figure BDA0003939186110000033
其中，所述通信SNR是所述智能超表面第二子面和第三子面从终端设备直接接收到的SNR，σ是终端设备的发射功率，σ0 2表示噪声功率，
Figure BDA0003939186110000034
为终端设备在第二阶段的波束赋形向量，HU2R，i和HR2B，1分别为终端设备到第一子面、第二子面和第三子面的信道；
基于通信SNR和感知SNR的加权和，获取联合性能指标，其表征为：
Figure BDA0003939186110000041
其中，
Figure BDA0003939186110000042
是通感权衡因子，ζs和ζc分别为感知SNR缩放系数和通信SNR缩放系数。
可选地，在本发明实施例之中，所述构建兼顾通感性能的多变量优化问题的步骤包括：
基于上述联合性能指标构建兼顾通信和感知性能的优化问题如下：
Figure BDA0003939186110000043
s.t.|SNR2，d-SNR3，d|≤∈
Figure BDA0003939186110000044
|[ξ(2)]i|＝1，i＝1，…，M1
Figure BDA0003939186110000045
其中，通过联合设计基站接收波束赋形
Figure BDA0003939186110000046
智能超表面的反射子面被动波束赋形ξ(2)和终端设备发射波束赋形向量
Figure BDA0003939186110000047
以最大化目标函数即联合性能指标GISAC，第一约束中∈是SNR2，d和SNR3，d的差值约束，问题(P1)的第一约束目的是避免由于SNR2，d和SNR3，d差异过大导致的终端设备位置估计误差过大，第二、三、四约束表示对功率的约束。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形装置，包括：
构建模块，用于构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，所述传输块包括至少一个时隙，以及，所述传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段，所述第一传输阶段包含第一预设变化值加第一预设值个符号时隙，所述第二传输阶段包含第二预设变化值加第二预设值个符号时隙；
第一通感模块，用于在所述第一阶段中，在所述第一预设变化值个时隙上，估计所述基站和所述终端设备之间的低维信道状态信息，并在所述第一预设值个符号时隙上，接收终端设备发送的上行通信信号，基于所述基站与所述终端设备的信道信息进行波束赋形，估计所述终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给所述基站；
第二通感模块，用于在所述第二阶段时隙中，在所述第二预设变化值个时隙，基于所述终端设备位置设计联合波束赋形，在所述第二预设值个时隙，接收所述终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。
综上所述，本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置，先构建传输协议，该传输协议包括第一传输阶段和第二传输阶段，在第一传输阶段中，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息，接收终端设备发送的上行通信信号，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形，估计终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给基站；在第二传输阶段中，基于终端设备位置设计联合波束赋形，接收终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。基于此，该方法可以规避高开销的智能超表面信道估计，并用通信感知融合的思路解决智能超表面在无线通信***中难应用的问题，而且多样化了基于感知且简单高效的波束赋形方法，基于感知信息同时增强通信和感知性能。
为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面实施例所述的方法。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形***应用示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法的流程示意图；
图3为本实施例所提供的一种第一传输阶段和第二传输阶段的示意图；
图4为本实施例所提供的一种面向通信感知一体化的波束赋形方法在终端设备端波束赋形效果示意图；
图5为本实施例所提供的采用S-SDR波束赋形得到的通感联合性能和优化方法的通信性能对比的仿真结果图；
图6为本实施例所提供的交替优化方法和联合性能波束赋形方法得到的性能对比的仿真结果图；
图7为本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法和装置。
图1为本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形***应用示意图。如图1所示，需要说明的是，该方法应用于面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形***，
该***包括：配备多根天线的基站、配备多根天线的终端设备设备和一个智能超表面。其中，基站和终端设备的天线皆为沿y轴排列的均匀线阵天线，以及，终端设备为盲区终端设备，即基站和终端设备之间不存在视距路径，智能超表面由一个含有多个反射阵元的反射子面和两个分别含有多个感知阵元的感知子面构成，反射子面为含有至少一个反射阵元的第一子面，反射阵元排列为Mc＝My，1×Mz，1的均匀矩阵阵列感知子面为包含至少一个感知阵元的第二子面和第三子面，感知阵元排列为Ms＝My，i×Mz，i(i＝2，3)的均匀矩形阵列。
图2为本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法的流程示意图。
如图2所示，该方法包括：
步骤S1:构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，传输块包括至少一个时隙，以及，传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段，第一传输阶段包含第一预设变化值加第一预设值个符号时隙，第二传输阶段包含第二预设变化值加第二预设值个符号时隙。具体的传输块结构请参考图3，图3为本实施例所提供的一种第一传输阶段和第二传输阶段的结构示意图。如图3所示，第一预设变化值个时隙包含获取ECSI(Effective ChannelState Information，等效信道状态信息)并基于ECSI配置主动波束赋形，第一预设值个符号时隙包含基于ECSI的ISAC(Integrated sensing and communication,通感一体化)，第二预设变化值个符号包含基于感知信息配置主动、被动波束赋形，第二预设值个符号包含基于感知的ISAC。
步骤S2：在第一阶段中，在第一预设变化值个时隙上，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息，并在第一预设值个符号时隙上，接收终端设备发送的上行通信信号，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形，估计终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给基站。
其中，在本发明实施例之中，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息的方法，包括：
控制终端设备向基站发送导频信号，并控制基站根据导频信号，利用最小二乘或者最小均方误差，进行接收天线和终端设备发送天线之间的信道估计，获得基站和终端设备之间的信道状态信息。
以及，在本发明实施例之中，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形的方法，包括：
控制终端设备采用最大比率传输方法进行波束赋形。
具体地，在本发明实施例之中，终端设备采用最大比率传输波束赋形方法可以以最大化***的通信性能。
以及，在本发明实施例之中，估计终端设备发射波束的到达角的方法，包括：
基于智能超表面的第二子面和第三子面，通过获取的通信信号处理得到终端设备到其的空间到达角对，并由此获取第一和/或第二阶段终端设备的估计位置。
具体地，在本发明实施例之中，估计终端设备信号的到达角的技术包括基于二维阵列的前后向空间平滑技术，基于旋转不变技术的信号参数估计和多信号分类技术。基于上述技术，智能超表面的第二子面和第三子面通过获取的通信信号处理得到终端设备到其的空间到达角对，即
Figure BDA0003939186110000071
并由此获取第n＝(n＝1，2)阶段终端设备的估计位置，表示为
Figure BDA0003939186110000072
步骤S3：在第二阶段时隙中，在第二预设变化值个时隙，基于终端设备位置设计联合波束赋形，在第二预设值个时隙，接收终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。
其中，在本发明实施例之中，基站基于终端设备位置设计联合波束赋形的方法，包括：
基于通信和感知的需求，确定通感权衡因子
Figure BDA0003939186110000073
并构建联合性能指标；
基于联合性能指标，构建兼顾通感性能的多变量优化问题；
基于多变量优化问题进行多变量解耦合，先获得基站接收波束和反射子面的被动波束的最优解，并获取简化后优化问题；
通过简化后优化问题和使用基于感知的半正定松弛或基于感知的多波束控制的低复杂度波束赋形方法，获得基站和智能超表面的反射子面和终端设备的波束赋形向量。
以及，在本发明实施例之中，构建联合性能指标的方法，包括：
使用第二子面和第三子面的接收信号信噪比的和表征感知性能，获取感知SNR(Signal-noise ratio，信噪比)，其表征为：
Figure BDA0003939186110000081
其中，SNRi，d是智能超表面第i(i＝2，3)子面从终端设备直接接收到的SNR，ρ是终端设备的发射功率，σ0 2表示噪声功率，
Figure BDA0003939186110000082
为终端设备在第二阶段的波束赋形向量，HU2R，i和HR2B，1分别为终端设备到第i(i＝1，2，3)子面的信道，其满足：
Figure BDA0003939186110000083
Figure BDA0003939186110000084
其中，αU2R，i为终端设备到第i(i＝1，2，3)子面的复信道增益，αR2B，1表示第一子面到基站的复信道增益，
Figure BDA0003939186110000085
表示反射子面到基站的信号的到达角，
Figure BDA0003939186110000086
和
Figure BDA0003939186110000087
表示反射子面到基站的信号的出发角，上述角度可由基站和反射子面的位置计算得到。
Figure BDA0003939186110000088
和
Figure BDA0003939186110000089
分别为终端设备发送的信号到达第i(i＝1，2，3)子面的到达角，上述
Figure BDA00039391861100000810
可由上述可知，而终端设备发送的信号到达第一子面的到达角
Figure BDA00039391861100000811
可由三个子面的空间位置关系计算得到。
Figure BDA00039391861100000812
为终端设备发送的信号到第i(i＝1，2，3)子面的出发角，其满足
Figure BDA00039391861100000813
a，bi和c分别表示基站的阵列响应向量，第i(i＝1，2，3)子面的阵列响应向量和终端设备的阵列响应向量，其满足：
Figure BDA00039391861100000814
Figure BDA00039391861100000815
Figure BDA00039391861100000816
基于通信SNR和感知SNR的加权和，获取联合性能指标，其表征为：
Figure BDA0003939186110000091
其中，
Figure BDA0003939186110000092
是通感权衡因子，ζs和ζc分别为感知SNR缩放系数和通信SNR缩放系数。
以及，在本发明实施例之中，构建兼顾通感性能的多变量优化问题的步骤包括：
基于上述联合性能指标构建兼顾通信和感知性能的优化问题如下：
Figure BDA0003939186110000093
s.t.|SNR2，d-SNR3，d|≤∈
Figure BDA0003939186110000094
|[ξ(2)]i|＝1，i＝1，…，M1
Figure BDA0003939186110000095
其中，通过联合设计基站接收波束赋形
Figure BDA0003939186110000096
智能超表面的反射子面被动波束赋形ξ(2)和终端设备发射波束赋形向量
Figure BDA0003939186110000097
以最大化目标函数即联合性能指标GISAC，第一约束中∈是SNR2，d和SNR3，d的差值约束，问题(P1)的第一约束目的是避免由于SNR2，d和SNR3，d差异过大导致的终端设备位置估计误差过大，第二、三、四约束表示对功率的约束。
以及，在本发明实施例之中，该基于多变量优化问题进行多变量解耦合，先获得基站接收波束和反射子面的被动波束的最优解，并获取简化后优化问题的步骤，还包括：
获取问题(P1)的目标函数等价形式：
Figure BDA0003939186110000098
其中，
Figure BDA0003939186110000099
Figure BDA00039391861100000910
通过该变量解耦过程，获取(P1)的两个子问题，分别为：
Figure BDA0003939186110000101
Figure BDA0003939186110000102
|[ξ(2)]i|＝1，i＝1，…，M1
以及，
Figure BDA0003939186110000103
Figure BDA0003939186110000104
其中，
Figure BDA0003939186110000105
是优化问题(P2)目标函数的最优解。
计算得到基站和智能超表面的反射子面的最优波束赋形向量，即
Figure BDA0003939186110000106
和ξ(2)＊，表达如下：
Figure BDA0003939186110000107
Figure BDA0003939186110000108
其中，
Figure BDA0003939186110000109
和
Figure BDA00039391861100001010
可由基站和智能超表面的反射子面的位置关系计算得到，
Figure BDA00039391861100001011
和
Figure BDA00039391861100001012
可由第一阶段对终端设备位置的感知得到。
由此，得到(P2)的最优解为：
Figure BDA00039391861100001013
其中，
Figure BDA00039391861100001014
Figure BDA00039391861100001015
Figure BDA00039391861100001016
令感知SNR缩放系数
Figure BDA00039391861100001017
并令通信SNR缩放系数ζc＝|αcom|2γ2，并令
Figure BDA0003939186110000111
Figure BDA0003939186110000112
Figure BDA0003939186110000113
从而获取问题(P3)的化简形式，即
Figure BDA0003939186110000114
Figure BDA0003939186110000115
Figure BDA0003939186110000116
以及，在本发明实施例之中，获得基站、智能超表面的反射子面和终端设备的波束赋形向量的方法包括：
方法一：基于S-SDR(Sensing-based semi-definite relaxation，基于感知的半正定松弛)的波束赋形方法步骤包括：
(1)基于感知得到的终端设备位置信息，计算
Figure BDA0003939186110000117
Figure BDA0003939186110000118
(2)令
Figure BDA0003939186110000119
(3)基于上述步骤(1)、(2)和步骤c)中构建的问题(P4)，构建问题(P5)：
Figure BDA00039391861100001110
Figure BDA00039391861100001111
Figure BDA00039391861100001112
Figure BDA00039391861100001113
Figure BDA00039391861100001114
(4)通过松弛问题(P5)中的秩为1的条件，即松弛
Figure BDA0003939186110000121
条件，即可通过现有凸优化方法，例如CVX tool(即CVX工具，是存在于编程软件中的一种工具包)，解决松弛后的问题(P5)，并获取松弛后的解
Figure BDA0003939186110000122
(5)通过对
Figure BDA0003939186110000123
进行特征值分解并基于高斯随机化方法(Gaussianrandomization，GR)搜索并获取问题(P4)的解
Figure BDA0003939186110000124
即终端设备的波束赋形向量
Figure BDA0003939186110000125
方法二：S-MBS(Sensing-based multi-beam steering，基于感知的多波束导向)波束赋形方法步骤包括：
(1)基于感知得到的终端设备位置信息，计算分别指向第i子面的最优波束
Figure BDA0003939186110000126
Figure BDA0003939186110000127
(2)基于步骤c)中构建的(P4)，其次优解可由如下形式表征：
Figure BDA0003939186110000128
其中，ψi∈[0，1](i＝1，2，3)，并令ψ＝[ψ1，ψ2，ψ3]T。
(3)基于感知得到的终端设备位置信息，计算：
Figure BDA0003939186110000129
(4)通过变量代换，问题(P4)可转化为如下形式：
Figure BDA00039391861100001210
s.t.|F2-κF3|≤∈1
Figure BDA00039391861100001211
(5)通过使用罚函数法，可将问题(P6)转换为(P7)：
Figure BDA00039391861100001212
Figure BDA00039391861100001213
(6)通过启发式算法(例如粒子群优化算法)获得问题(P7)的解ψ＊。
(7)由ψ＊恢复
Figure BDA0003939186110000131
即可获得问题(P4)的解，即终端设备的波束赋形向量
Figure BDA0003939186110000132
基于上述内容，为更清晰说明本发明所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法能够实现波束赋形和通信感知性能需求，请参见图4、图5和图6。
其中，图4为本实施例所提供的一种面向通信感知一体化的波束赋形方法在终端设备端波束赋形效果示意图。如图4所示，NUE表示终端设备天线数，(a)图为通信-感知权衡因子
Figure BDA0003939186110000133
的效果；(b)图为通信-感知权衡因子
Figure BDA0003939186110000134
的效果；(c)图为通信-感知权衡因子
Figure BDA0003939186110000135
的效果；如图4所示，采用本发明所提的基于感知的两种波束赋形方法，终端设备波束主要指向了智能超表面的各个子面，由此，可以有效地设计终端设备端波束赋形，以满足不同的通信和感知性能需求。
以及，图5为本实施例所提供的采用S-SDR波束赋形得到的通感联合性能和优化方法的通信性能对比的仿真结果图。如图5所示，横坐标RMSE2表示第二阶段定位结果与实际值的均方根误差，其纵坐标平均通信速率表示整个传输块的平均通信速率，通信-感知联合性能曲线上的任意一点的性能可以通过调节通信-感知权衡因子
Figure BDA0003939186110000136
达到。图5的结果表明，所提出的面向通信感知一体化的智能超表面***可以达到与已知完美信道状态信息的纯通信***相近的通信性能，同时，实现高精度的终端设备位置定位。
以及，图6为本实施例所提供的两种波束赋形方法得到的通信感知联合性能，基于完美信道状态信息的交替优化方法得到的通信性能以及基于等效信道状态信息(ECSI)的通信-感知联合性能对比的仿真结果图。其中，其横坐标RMSE2表示第二阶段定位结果与实际值的均方根误差，其纵坐标可达通信速率表示经过基于感知的波束赋形***在第二阶段达到的通信速率。从图6中可以看出，在Ms＝36的情况下，基于感知的两种波束赋形方法和基于完美信道状态信息的交替优化方法得到的可达通信速率几乎一致，而与此同时，可以实现高精度的终端设备位置定位。
综上所述，本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法，先构建传输协议，该传输协议包括第一传输阶段和第二传输阶段，在第一传输阶段中，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息，接收终端设备发送的上行通信信号，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形，估计终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给基站；在第二传输阶段中，基于终端设备位置设计联合波束赋形，接收终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。基于此，该方法可以规避高开销的智能超表面信道估计，并用通信感知融合的思路解决智能超表面在无线通信***中难应用的问题，而且多样化了基于感知且简单高效的波束赋形方法，基于感知信息同时增强通信和感知性能。
图7为本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形装置结构示意图。
构建模块，用于构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，传输块包括至少一个时隙，以及，传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段，第一传输阶段包含第一预设变化值加第一预设值个符号时隙，第二传输阶段包含第二预设变化值加第二预设值个符号时隙；
第一通感模块，用于在第一阶段中，在第一预设变化值个时隙上，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息，并在第一预设值个符号时隙上，接收终端设备发送的上行通信信号，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形，估计终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给基站；
第二通感模块，用于在第二阶段时隙中，在第二预设变化值个时隙，基于终端设备位置设计联合波束赋形，在第二预设值个时隙，接收终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。
需要说明的是，前述对本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法的实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，可以参照上述实施例的相关描述，此处不再赘述。
综上所述，本发明实施例所提供的一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形装置，先构建传输协议，该传输协议包括第一传输阶段和第二传输阶段，在第一传输阶段中，估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息，接收终端设备发送的上行通信信号，基于基站与终端设备的信道信息进行波束赋形，估计终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给基站；在第二传输阶段中，基于终端设备位置设计联合波束赋形，接收终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。基于此，该方法可以规避高开销的智能超表面信道估计，并用通信感知融合的思路解决智能超表面在无线通信***中难应用的问题，而且多样化了基于感知且简单高效的波束赋形方法，基于感知信息同时增强通信和感知性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形方法，其特征在于，应用于智能超表面辅助非正交通感一体化***，所述智能超表面辅助非正交通感一体化***包括：配备多根天线的基站、配备多根天线的终端设备和一个智能超表面，所述方法包括：
构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，所述传输块包括至少一个时隙，以及，所述传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段，所述第一传输阶段包含第一预设变化值加第一预设值个符号时隙，所述第二传输阶段包含第二预设变化值加第二预设值个符号时隙；
在所述第一阶段中，在所述第一预设变化值个时隙上，估计所述基站和所述终端设备之间的低维信道状态信息，并在所述第一预设值个符号时隙上，接收终端设备发送的上行通信信号，基于所述基站与所述终端设备的信道信息进行波束赋形，估计所述终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给所述基站；
在所述第二阶段时隙中，在所述第二预设变化值个时隙，基于所述终端设备位置设计联合波束赋形，在所述第二预设值个时隙，接收所述终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。
2.根据权利要求1所述波束赋形方法，其特征在于，所述基站和所述终端设备的天线皆为沿y轴排列的均匀线阵天线，所述智能超表面由一个含有多个反射阵元的反射子面和两个分别含有多个感知阵元的感知子面构成，所述反射子面为含有至少一个反射阵元的第一子面，所述反射阵元排列为Mc＝My，1×Mz，1的均匀矩阵阵列所述感知子面为包含至少一个感知阵元的第二子面和第三子面，所述感知阵元排列为Ms＝My，i×Mz，i(i＝2，3)的均匀矩形阵列。
3.根据权利要求1所述波束赋形方法，其特征在于，所述估计基站和终端设备之间的低维信道状态信息的方法，包括：
控制所述终端设备向所述基站发送导频信号，并控制所述基站根据所述导频信号，利用最小二乘或者最小均方误差，进行接收所述天线和所述终端设备发送所述天线之间的信道估计，获得所述基站和所述终端设备之间的信道状态信息。
4.根据权利要求1所述波束赋形方法，其特征在于，所述基于所述基站与所述终端设备的信道信息进行波束赋形的方法，包括：
控制所述终端设备采用最大比率传输方法进行波束赋形。
5.根据权利要求2所述波束赋形方法，其特征在于，所述估计所述终端设备发射波束的到达角的方法，包括：
基于所述智能超表面的所述第二子面和所述第三子面，通过获取的通信信号处理得到终端设备到其的空间到达角对，并由此获取第一和/或第二阶段终端设备的估计位置。
6.根据权利要求1所述波束赋形方法，其特征在于，所述基站基于所述终端设备位置设计联合波束赋形的方法，包括：
基于通信和感知的需求，确定通感权衡因子
Figure FDA0003939186100000021
并构建联合性能指标；
基于所述联合性能指标，构建兼顾通感性能的多变量优化问题；
基于所述多变量优化问题进行多变量解耦合，先获得所述基站接收波束和所述反射子面的被动波束的最优解，并获取简化后优化问题；
通过所述简化后优化问题和使用基于感知的半正定松弛或基于感知的多波束控制的低复杂度波束赋形方法，获得所述基站、所述智能超表面的反射子面和所述终端设备的波束赋形向量。
7.根据权利要求6所述波束赋形方法，其特征在于，所述构建联合性能指标的方法，包括：
使用所述第二子面和第三子面的接收信号信噪比的和表征感知性能，获取感知SNR，其表征为：
Figure FDA0003939186100000022
并且，使用所述基站接收信号SNR表征通信性能，获取通信SNR，其表征为：
Figure FDA0003939186100000023
其中，所述通信SNR是所述智能超表面第二子面和第三子面从终端设备直接接收到的SNR，ρ是终端设备的发射功率，σ0 2表示噪声功率，
Figure FDA0003939186100000031
为终端设备在第二阶段的波束赋形向量，HU2R，i和HR2B，1分别为终端设备到第一子面、第二子面和第三子面的信道；
基于通信SNR和感知SNR的加权和，获取联合性能指标，其表征为：
Figure FDA0003939186100000032
其中，
Figure FDA0003939186100000033
是通感权衡因子，ζs和ζc分别为感知SNR缩放系数和通信SNR缩放系数。
8.根据权利要求6所述波束赋形方法，其特征在于，所述构建兼顾通感性能的多变量优化问题的步骤包括：
基于上述联合性能指标构建兼顾通信和感知性能的优化问题如下：
(P1)：
Figure FDA0003939186100000034
s.t.|SNR2，d-SNR3，d|≤∈
Figure FDA0003939186100000035
|[ξ(2)]i|＝1，i＝1，…，M1
Figure FDA0003939186100000036
其中，通过联合设计基站接收波束赋形
Figure FDA0003939186100000037
智能超表面的反射子面被动波束赋形ξ(2)和终端设备发射波束赋形向量
Figure FDA0003939186100000038
以最大化目标函数即联合性能指标GISAC，第一约束中∈是SNR2，d和SNR3，d的差值约束，问题(P1)的第一约束目的是避免由于SNR2，d和SNR3，d差异过大导致的终端设备位置估计误差过大，第二、三、四约束表示对功率的约束。
9.一种面向通信感知一体化的智能超表面的波束赋形装置，其特征在于，所述装置包括：
构建模块，用于构建传输协议，其中，传输协议的基本单元为传输块，所述传输块包括至少一个时隙，以及，所述传输块被分为第一传输阶段和第二传输阶段，所述第一传输阶段包含第一预设变化值加第一预设值个符号时隙，所述第二传输阶段包含第二预设变化值加第二预设值个符号时隙；
第一通感模块，用于在所述第一阶段中，在所述第一预设变化值个时隙上，估计所述基站和所述终端设备之间的低维信道状态信息，并在所述第一预设值个符号时隙上，接收终端设备发送的上行通信信号，基于所述基站与所述终端设备的信道信息进行波束赋形，估计所述终端设备发射波束的到达角，粗感知终端设备位置并汇报给所述基站；
第二通感模块，用于在所述第二阶段时隙中，在所述第二预设变化值个时隙，基于所述终端设备位置设计联合波束赋形，在所述第二预设值个时隙，接收所述终端设备发送的上行通信信号，采用优化后的波束赋形向量进行细感知，完成通信任务。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
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