本發(fā)明涉及通感一體化的，具體而言，涉及一種基于移動(dòng)天線的通感一體化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模連接已成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的必然趨勢(shì)。然而，頻譜稀缺仍是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，通感一體化被認(rèn)為是一種極具希望的解決方案，它可以利用雷達(dá)頻譜資源同時(shí)支持無(wú)線通信和傳感大大緩解通信的頻譜壓力。通感一體化是指通過(guò)共享硬件、信號(hào)處理和信息資源，實(shí)現(xiàn)同時(shí)通信和感知的能力，其核心在于將通信系統(tǒng)的傳輸功能與感知系統(tǒng)的信息獲取功能相結(jié)合，利用同一套系統(tǒng)或設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸和環(huán)境感知雙重任務(wù)。為了提高通感一體化系統(tǒng)的性能，在發(fā)射端配備多根天線被認(rèn)為是一種有效提升通感一體化性能的方法。多天線技術(shù)能夠顯著地提升移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜效率、擴(kuò)大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積、增加接入用戶數(shù)量，是5g以及未來(lái)6g網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)之一。此外，多天線帶來(lái)的分集增益也能夠同時(shí)提高通信和感知性能。

2、然而，傳統(tǒng)的多天線系統(tǒng)由于天線位置的固定而無(wú)法充分利用空域資源。此外，天線數(shù)目的增加也會(huì)導(dǎo)致成本增加、信號(hào)處理復(fù)雜度增大等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，移動(dòng)天線被提出，其可以控制天線在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，以此進(jìn)一步增加空間自由度。將移動(dòng)天線應(yīng)用于通感一體化系統(tǒng)中的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整移動(dòng)天線的位置來(lái)優(yōu)化通信性能。在傳統(tǒng)配備固定相位陣列的通感一體化系統(tǒng)中，主路徑通常對(duì)齊感知目標(biāo)來(lái)進(jìn)行傳感，這可能會(huì)顯著損害通信性能。發(fā)射端通過(guò)有效地移動(dòng)天線位置，不僅可以保持與感知目標(biāo)對(duì)齊以實(shí)現(xiàn)高感知性能，還能夠增強(qiáng)通信性能。因此，如何有效設(shè)置移動(dòng)天線的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)提高通感一體化的通信性能的同時(shí)，也能夠提高感知性能是十分重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)提高通感一體化的通信性能的同時(shí)，也能夠提高感知性能，為克服以上現(xiàn)有技術(shù)(或相關(guān)技術(shù))的缺陷，本發(fā)明提供一種基于移動(dòng)天線的通感一體化方法。

2、本發(fā)明提供一種基于移動(dòng)天線的通感一體化方法，包括以下步驟：

3、步驟s1，于通感一體化系統(tǒng)中，一發(fā)射者配備多根移動(dòng)天線、一感知目標(biāo)和一信息接收者，將各所述移動(dòng)天線分布于預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)，獲取各所述移動(dòng)天線發(fā)送的消息和所述信息接收者接收到的信號(hào)；

4、步驟s2，采用信道容量來(lái)度量所述信息接收者的速率，并采用感知波束模式增益來(lái)度量所述感知目標(biāo)的性能；

5、步驟s3，構(gòu)建一個(gè)在所述感知波束模式增益大于預(yù)設(shè)閾值的約束下最大化所述信息接收者的速率的第一優(yōu)化問(wèn)題，所述第一優(yōu)化問(wèn)題如下所示：

6、

7、其中，

8、max表示最大化函數(shù)；

9、r表示所述信息接收者的速率；

10、s.t.表示受約束于...；

11、||?||2表示2范數(shù)運(yùn)算；

12、d表示每根所述移動(dòng)天線之間的間隔距離要求；

13、tr()表示矩陣的跡運(yùn)算符號(hào)；

14、pmax表示所述移動(dòng)天線的最大發(fā)射功率；

15、表示所述感知波束模式增益；

16、γ表示所述預(yù)設(shè)閾值；

17、步驟s4，給定所述第一優(yōu)化問(wèn)題內(nèi)的將所述第一優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為第二優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)內(nèi)點(diǎn)法求解所述第二優(yōu)化問(wèn)題得到最優(yōu)的v，v＝vvh，v表示所述移動(dòng)天線的發(fā)射波束，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算；

18、步驟s5，給定所述第一優(yōu)化問(wèn)題內(nèi)的v和tv，將所述第一優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為第三優(yōu)化問(wèn)題；

19、步驟s6，求解并將所述第三優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問(wèn)題，求解所述凸優(yōu)化問(wèn)題得到最優(yōu)的tn；

20、步驟s7，引入外部迭代和內(nèi)部迭代，基于所述凸優(yōu)化問(wèn)題求解得到第k次外部迭代的最終值。

21、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s1中，配備n＝4根所述移動(dòng)天線，分布在a×a的區(qū)域ω內(nèi)，其中ω＝[-a/2,a/2]×[-a/2,a/2]，a＝4λ，λ＝1.5米，且每相鄰兩根所述天線之間的間隔大于0.5λ。

22、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s1中，將各所述移動(dòng)天線發(fā)送的信息記為x，所述信息接收者接收到的信號(hào)記為其中為所述移動(dòng)天線到所述信息接收者的信道的信道系數(shù)，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，[]t表示矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算，k表示接收路徑數(shù)量，xr表示所述信息接收者的x軸坐標(biāo)，yr表示所述信息接收者的y軸坐標(biāo)，表示第k條接收路徑的仰角，表示第k條接收路徑的方位角。

23、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s2中，將所述信息接收者的速率記為r，log2()表示以2為底的對(duì)數(shù)函數(shù)，v＝vvh，將所述感知波束模式增益記為tr()表示矩陣的跡運(yùn)算符號(hào)，表示信息接收者處信號(hào)強(qiáng)度。

24、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s4中，通過(guò)以下表達(dá)式表示所述第二優(yōu)化問(wèn)題：

25、

26、其中，

27、max表示最大化函數(shù)；

28、r表示所述信息接收者的速率；

29、s.t.表示受約束于...；

30、tr()表示矩陣的跡運(yùn)算符號(hào)；

31、pmax表示所述移動(dòng)天線的最大發(fā)射功率；

32、表示所述感知波束模式增益；

33、γ表示所述預(yù)設(shè)閾值；

34、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s5中，通過(guò)以下表達(dá)式表示所述第三優(yōu)化問(wèn)題：

35、

36、f(tn)＝gh(tn)ang(tn)

37、an＝σhffhσ

38、

39、

40、

41、

42、其中，

43、max表示最大化函數(shù)；

44、s.t.表示受約束于...；

45、||?||2表示2范數(shù)運(yùn)算；

46、d表示每根所述移動(dòng)天線之間的間隔距離要求；

47、tr()表示矩陣的跡運(yùn)算符號(hào)；

48、表示所述感知波束模式增益；

49、γ表示所述預(yù)設(shè)閾值；

50、l表示各所述移動(dòng)天線的發(fā)射路徑數(shù)量；

51、表示第n根所述發(fā)射天線的x軸坐標(biāo)；

52、表示第n根所述發(fā)射天線的y軸坐標(biāo)；

53、表示第l條發(fā)射路徑的仰角；

54、表示第l條發(fā)射路徑的方位角；

55、σ表示路徑響應(yīng)矩陣。

56、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s6中，對(duì)所述步驟s5得到的所述第三優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)中的f(tn)在可行初始點(diǎn)處進(jìn)行一階泰勒展開(kāi)得到：

57、其中為取實(shí)部運(yùn)算；

58、隨后對(duì)約束||tn-tv||2≤d中的||tn-tv||2在所述可行初始點(diǎn)處進(jìn)行一階泰勒展開(kāi)得到：并對(duì)約束q(tn)≥γ中的q(tn)在所述可行初始點(diǎn)處進(jìn)行一階泰勒展開(kāi)得到：其中

59、接著對(duì)在所述可行初始點(diǎn)處進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)得到：

60、其中為的梯度，

61、

62、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s6中，通過(guò)以下表達(dá)式表示所述凸優(yōu)化問(wèn)題：

63、

64、其中，

65、max表示最大化函數(shù)；

66、s.t.表示受約束于...；

67、表示所述可行初始點(diǎn)；

68、||?||2表示2范數(shù)運(yùn)算；

69、d表示每根所述移動(dòng)天線之間的間隔距離要求；

70、v表示所述移動(dòng)天線的發(fā)射波束；

71、γ表示所述預(yù)設(shè)閾值。

72、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s7包括：

73、步驟s71，令k表示外部迭代次數(shù)，k的初始值為1，令m表示所述步驟s6的內(nèi)部迭代次數(shù)，m的初始值為1；

74、步驟s72，結(jié)合所述步驟s4到所述步驟s6得到第k次外部迭代時(shí)的最優(yōu)解，記為

75、步驟s73，將作為初始解，利用內(nèi)點(diǎn)法對(duì)第m次內(nèi)部迭代的所述步驟s6中的所述凸優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，得到第m次內(nèi)部迭代時(shí)tn的最優(yōu)解記為其中，第m次內(nèi)部迭代的所述步驟s6中的所述凸優(yōu)化問(wèn)題描述如下：

76、

77、隨后將和分別代入f(tn)＝gh(tn)ang(tn)中，對(duì)應(yīng)得到和然后判斷迭代條件是否成立，如果成立，則將作為第k次外部迭代的最終值記為迭代結(jié)束；如果不成立，則令m＝m+1，然后返回步驟s73繼續(xù)迭代；其中，m＝1時(shí)為為tn的初始值，m＞1時(shí)表示第m-1次迭代時(shí)tn的最優(yōu)解，表示第m次內(nèi)部迭代時(shí)f(tn)的值，m＝1時(shí)為m＞1時(shí)表示第m-1次內(nèi)部迭代時(shí)f(tn)的值，abs(·)為求絕對(duì)值函數(shù)，ε1表示預(yù)設(shè)的內(nèi)部迭代判斷閾值，m＝m+1中的“＝”為賦值符號(hào)；重復(fù)步驟s73，從而得到

78、步驟s74，將第k次外部迭代的和第k-1次迭代的最優(yōu)解分別代入對(duì)應(yīng)得到r(k)和r(k-1)；然后判斷迭代條件abs(r(k)-r(k-1))＜ε2是否成立，如果成立，則將r(k)作為第k次外部迭代的最終值記為rfinal，迭代結(jié)束；如果不成立，則令k＝k+1，然后返回步驟s74繼續(xù)迭代；其中，k＝1時(shí)為初始值，k＞1時(shí)表示第k-1次迭代時(shí)的最優(yōu)解，r(k)表示第k次外部迭代時(shí)r的值，k＝1時(shí)r(k-1)為r(0)，k＞1時(shí)r(k-1)表示第k-1次內(nèi)部迭代時(shí)r的值，abs(·)為求絕對(duì)值函數(shù)，ε2表示預(yù)設(shè)的外部迭代判斷閾值，k＝k+1中的“＝”為賦值符號(hào)。

79、本技術(shù)一種基于移動(dòng)天線的通感一體化方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

80、本技術(shù)于通感一體化系統(tǒng)中配置多根移動(dòng)天線分布于預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)，以此來(lái)增加空間自由度，從而提高信息傳輸速率；并通過(guò)構(gòu)建在感知波束模式增益大于預(yù)設(shè)閾值的約束下最大化信息接收者的速率的第一優(yōu)化問(wèn)題并求解調(diào)整，保證感知波束模式增益大于一定閾值的情況下，大大提高信息接收者的速率；以及采用二階泰勒展開(kāi)對(duì)關(guān)于移動(dòng)天線移動(dòng)位置的函數(shù)進(jìn)行近似，從而求解出移動(dòng)天線的位置，有效提高空中通感一體化系統(tǒng)的感知性能和通信性能，實(shí)現(xiàn)提高通感一體化的通信性能的同時(shí)，也能夠提高感知性能。