[发明专利]一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法及系统

权利要求书

1.一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，其特征在于，包括：

求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；

通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；

其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：

构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布；

所述非均匀波束空间调制方法适用于多输入多输出通信系统，该多输入多输出通信系统包括N_t根发射端天线和N_r根接收端天线，需要发射的数据流数为N_s；

在发射端，将需要发送的信息比特序列b分成两个部分：b₁和b₂；

b₁为空间调制部分，映射到维数为N_t×N_s的波束矩阵波束矩阵F_i满足概率分布p(F＝F_i)＝p_i；p代表概率分布，F＝F_i表示F_i被激活，p_i为每个波束矩阵被激活的概率；

b₂为数据调制部分，将其映射到一个维数为N_s×1的符号向量s，s满足约束条件期望均值

构建通信发射信号，是指：一旦波束矩阵F_i被选定，通信发射信号向量表示为式(I)：

x＝F_is， (I)

式(I)中，归一化发射功率约束满足

构建通信接收信号，是指：通过无线信道，通信接收机接收到的通信接收信号表示为式(II)：

式(II)中，ρ代表平均接收功率，代表信道矩阵，n代表噪声向量；

构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界作为通信性能的目标，是指：

用表示候选波束矩阵的集合，集合的大小为K；用p＝[p₁，p₂，…，p_K]表示各个候选波束矩阵激活概率的分布；非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界表示为式(IV)：

式(IV)中，det表示求矩阵行列式，表示一个维数为N_r×N_r的单位矩阵；

构建感知性能目标函数，是指：

感知性能由期望的相似度水平来衡量，感知性能目标函数即相似度水平定义为式(V)：

式(V)中，F_rad是指一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵，根据目标区域计算得来；

求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布p，包括：

1)对于优化通过解决公式(VI)来构造Fi：

式(VI)中，η代表通信和感知之间的折中因子，代表第i个通信所需的理想波束；

对式(VI)进行化简得到式(VII)：

式(VII)中，两个辅助矩阵和

使用复杂度较低的最小均方算法来求解式(VII)，如式(VIII)所示：

将求解后的F_i乘以一个归一化因子即满足功率约束要求，即要求取的候选波束矩阵

2)对于优化p的子问题，将其构造为一个拉格朗日函数，如式(IX)所示：

求解式(IX)即求得波束激活概率分布p；

通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，是指：将求取得到的使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布p代入式(IV)，求取非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制方法，其特征在于，对于无线信道，假设为一个聚类信道模型，即Saleh-Valenzuela模型，假设多天线的收发器都采用均匀线性阵列，并假设天线之间的距离是波长的一半，H的转向矢量的表示为式(III)：

其中，θ_t代表波束的指向角度。

3.一种适用于多天线通信感知一体化的非均匀波束空间调制系统，其特征在于，包括：

ISAC波束求取单元，被配置为，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束；

非均匀波束空间调制单元，被配置为，通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，完成非均匀波束空间调制；

其中，求取同时满足感知性能和通信性能的ISAC波束，包括：

构建通信发射信号；构建通信接收信号；构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界；构建感知性能目标函数；求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布；

所述非均匀波束空间调制方法适用于多输入多输出通信系统，该多输入多输出通信系统包括N_t根发射端天线和N_r根接收端天线，需要发射的数据流数为N_s；

在发射端，将需要发送的信息比特序列b分成两个部分：b₁和b₂；

b₁为空间调制部分，映射到维数为N_t×N_s的波束矩阵波束矩阵F_i满足概率分布p(F＝F_i)＝p_i；p代表概率分布，F＝F_i表示F_i被激活，p_i为每个波束矩阵被激活的概率；

b₂为数据调制部分，将其映射到一个维数为N_s×1的符号向量s，s满足约束条件期望均值

构建通信发射信号，是指：一旦波束矩阵F_i被选定，通信发射信号向量表示为式(I)：

x＝F_is， (I)

式(I)中，归一化发射功率约束满足

构建通信接收信号，是指：通过无线信道，通信接收机接收到的通信接收信号表示为式(II)：

式(II)中，ρ代表平均接收功率，代表信道矩阵，n代表噪声向量；

构建非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界作为通信性能的目标，是指：

用表示候选波束矩阵的集合，集合的大小为K；用p＝[p₁，p₂，…，p_K]表示各个候选波束矩阵激活概率的分布；非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率上界表示为式(IV)：

式(IV)中，det表示求矩阵行列式，表示一个维数为N_r×N_r的单位矩阵；

构建感知性能目标函数，是指：

感知性能由期望的相似度水平来衡量，感知性能目标函数即相似度水平定义为式(V)：

式(V)中，F_rad是指一个具有良好波束模式特性的参考波束矩阵，根据目标区域计算得来；

求取使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布p，包括：

1)对于优化通过解决公式(VI)来构造F_i：

式(VI)中，η代表通信和感知之间的折中因子，代表第i个通信所需的理想波束；

对式(VI)进行化简得到式(VII)：

式(VII)中，两个辅助矩阵和

使用复杂度较低的最小均方算法来求解式(VII)，如式(VIII)所示：

将求解后的F_i乘以一个归一化因子即满足功率约束要求，即要求取的候选波束矩阵

2)对于优化p的子问题，将其构造为一个拉格朗日函数，如式(IX)所示：

求解式(IX)即求得波束激活概率分布p；

通过ISAC波束求取非均匀波束空间调制的频谱效率，是指：将求取得到的使得频谱效率最大化和感知性能最优的候选波束矩阵和波束激活概率分布p代入式(IV)，求取非均匀波束空间调制的通信感知一体化频谱效率。