用于MIMO一体化系统共享发射阵列的预编码方法及系统与流程

本发明涉及通信雷达一体化技术领域，尤其涉及一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法及系统。

背景技术：

在通信雷达一体化系统中，通信和雷达共享发射前端和频谱，可以有效节省频谱资源，降低硬件系统的体积和成本。现有的通信雷达一体化系统可以分为单天线体制与mimo体制。针对单天线体制，现有的一体化波形包括ofdm、lfm-cpm已经具备了同时进行通信和雷达探测的能力。然而，单天线系统难以同时满足雷达和通信对空域覆盖的要求。为了提升接收信噪比，雷达一般要求发射天线主波束是具有高增益的定向波束，然而通信用户却可能分布在空间中的各个方位，当通信用户位于波束主瓣之外的时候，通信接收信噪比将会严重下降。

与单天线系统不同，mimo系统使用多个发射天线，具有更多的空间自由度。多用户mimo通信通过发射预编码，可以抑制多个用户之间的干扰，实现基于空分复用的多用户通信。mimo雷达系统通过在各个天线发射独立的正交波形，可以合成虚拟孔径，提高阵列雷达的空间自由度和可分辨目标个数，改善目标方位估计的分辨力和估计精度。图1为本发明实施例提供的mimo一体化系统的工作场景示意图，可参考图1所示，mimo一体化系统可以同时实现mimo雷达和多用户mimo通信的功能，通过设计各个天线的发射信号，mimo一体化系统可以在保证雷达发射性能的同时，合成多个指向通信用户的波束，优化通信用户的接收信干噪比。

然而，在现有的mimo一体化系统中，当通信用户终端的个数少于发射天线个数的时候，导致各个阵元无法发射完全正交的波形，造成mimo雷达的性能损失。因此，现在亟需一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法及系统来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法，包括：

将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量；

通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量；

对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列。

进一步地，所述将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量，包括：

将待传输到第k个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列ck[n]；

根据功率归一化公式，获取功率归一化处理后的通信符号序列所述功率归一化公式为：

其中，pk表示传输到第k个用户终端的符号对应的平均功率；k＝0,…,k-1，k表示用户终端个数；n＝0,…,n-1，n表示离散时间，n表示待传输到每个用户终端的通信符号个数；

根据归一化处理后的通信符号序列，构建通信符号向量：

进一步地，所述通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量，包括：

通过随机相位编码，获取雷达伪随机发射序列：

其中，φm[n]表示服从独立的(0,1)上的均匀分布；m＝0,…,m-1，m表示阵元个数；

根据雷达伪随机发射序列，构建雷达发射序列向量：

r[n]＝(r0[n],r1[n],…,rm-1[n])^t。

进一步地，在所述对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列之前，所述方法还包括：

根据发射总功率、通信接收机噪声功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，构建预编码矩阵，以根据所述预编码矩阵对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理。

进一步地，所述根据发射总功率、通信接收机噪声功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，构建预编码矩阵，包括：

根据发射总功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，获取每个用户终端接收信号的协方差矩阵r：

r＝(pt/m)hh^h；

其中，pt表示发射总功率，h表示发射阵列到每个用户终端的信道矩阵；

根据协方差矩阵r、发射阵列到每个用户终端的信道矩阵h和通信接收机噪声功率σ²，将优化问题转换为凸优化问题：

maxt

s.t.pi≥t(ri,i+σ²),i＝0,1,…,k-1，

其中，t表示优化向量，pi表示向量p中第i个元素，优化变量表示所有k维半正定矩阵构成的集合，diag(p)表示根据向量p构建得到的对角矩阵，ri,i表示矩阵r的第i行第i列的元素；

对发射阵列到每个用户终端的信道矩阵h的共轭转置h^h进行qr分解，得到：

h^h＝qh[lh0k×(m-k)]^h；

其中，qh表示m维酉矩阵，lh表示k维上三角阵；

对优化向量rf进行特征分解，得到第一矩阵λf和第二矩阵pf：

对k×m的随机矩阵中各列进行施密特正交化处理，得到第三矩阵u，并通过所述第一矩阵λf、所述第二矩阵pf和所述第三矩阵u，获取第四矩阵f：

对所述第四矩阵f的共轭转置f^h进行qr分解，得到：

f^h＝qf[lf0k×m]^h；

其中，qf表示(m+k)维酉矩阵，lf表示k维上三角阵；

根据共轭转置h^h和共轭转置f^h，构建预编码矩阵w：

其中，[qf]1:m表示由qf的前m列构成的矩阵。

进一步地，所述对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列，包括：

根据预编码矩阵w，通信符号向量c[n]和雷达发射序列向量r[n]，构建阵列发射信号序列公式：

其中，s[n]表示第m项对应第m个阵列的发射信号；

根据所述阵列发射信号序列公式，获取共享发射阵列的基带发射信号序列。

进一步地，所述将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，包括：

通过正交相移键控调制方式或正交振幅调制方式，将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码系统，包括：

多用户通信符号生成模块，用于将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量；

雷达伪随机发射序列生成模块，用于通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量；

mimo联合预编码模块，用于对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的一种用于mimo一体化共享发射阵列的预编码方法及系统，通过把一组独立的雷达伪随机发射序列和多用户通信符号进行线性预编码，得到阵列发射信号，从而保证各个阵元发射的信号正交，使得用户终端之间的干扰被完全消除，同时各个用户终端的最低信干噪比达到最优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的mimo一体化系统的工作场景示意图；

图2为本发明实施例提供的用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的各个用户终端的最低接收信干噪比与发射信噪比的关系示意图；

图4为本发明实施例提供的用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的mimo一体化系统把多用户mimo通信信号作为雷达发射信号进行目标探测，设计目标是在各个通信用户的最低接收信干噪比高于给定阈值的条件下，优化mimo雷达的发射波束方向图。在具体的实现方案中，对多用户通信符号进行线性预编码，得到阵列发射信号，其中需要设计的变量是对通信符号的预编码矩阵。在各个天线的发射功率相等的约束下，使用共轭流形梯度下降法对预编码矩阵进行迭代优化，通过约束接收信干噪比可以保证通信性能。然而，当通信用户终端个数少于发射天线个数的时候，各个阵元无法发射完全正交的波形，会带来mimo雷达的性能损失。同时，现有的方法需要设定各个用户终端的最低接收信干噪比，导致无法对最低接收信干噪比进行优化。本发明实施例提供的用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法，使得各个阵元的发射波形是正交的，各个阵元发射信号的平均功率是相等的，各个用户终端之间的干扰被完全消除，从而最大化各个用户终端的最低接收信干噪比。

图2为本发明实施例提供的用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供了一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法，包括：

步骤201，将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量。

在本发明实施例中，将待传输给各个用户终端的信息比特映射为符号，并且对符号进行功率归一化处理，然后排列为对应的通信符号向量，用于后续的线性预编码处理。

步骤202，通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量。

在本发明实施例中，通过随机相位编码产生一组独立的雷达伪随机发射序列，并且排列为对应的雷达发射序列向量，后续的线性预编码处理。

步骤203，对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列。

本发明实施例提供的一种用于mimo一体化共享发射阵列的预编码方法，通过把一组独立的雷达伪随机发射序列和多用户通信符号进行线性预编码，得到阵列发射信号，从而保证各个阵元发射的信号正交，使得用户终端之间的干扰被完全消除，同时各个用户终端的最低信干噪比达到最优。

在上述实施例的基础上，所述将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量，包括：

将待传输到第k个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列ck[n]。

在本发明实施例中，给定发射总功率pt，用户终端个数k，阵元个数m，待传输给每个用户终端的符号个数n，通信接收机噪声功率σ²，发射阵列到每个用户终端的信道矩阵其中，h的第k行m列元素表示第m个阵元到第k用户终端的信道。具体地，在本发明实施例中，通过正交相移键控调制方式(quadraturephaseshiftkeying，简称qpsk)或正交振幅调制方式(quadratureamplitudemodulation，简称qam)，将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列。

根据功率归一化公式，获取功率归一化处理后的通信符号序列所述功率归一化公式为：

其中，pk表示传输到第k个用户终端的符号对应的平均功率，pk的值基于符合映射方式确定；k＝0,…,k-1，k表示用户终端个数；n＝0,…,n-1，n表示离散时间，n表示待传输到每个用户终端的通信符号个数；

根据归一化处理后的通信符号序列，构建k维通信符号向量：

在上述实施例的基础上，所述通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量，包括：

通过随机相位编码，获取雷达伪随机发射序列：

其中，φm[n]表示服从独立的(0,1)上的均匀分布；m＝0,…,m-1，m表示阵元个数；

根据雷达伪随机发射序列，构建m维雷达发射序列向量：

r[n]＝(r0[n],r1[n],…,rm-1[n])^t。

在上述实施例的基础上，在所述对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列之前，所述方法还包括：

根据发射总功率、通信接收机噪声功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，构建预编码矩阵，以根据所述预编码矩阵对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理。

在上述实施例的基础上，所述根据发射总功率、通信接收机噪声功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，构建预编码矩阵，包括：

根据发射总功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，获取每个用户终端接收信号的协方差矩阵r：

r＝(pt/m)hh^h；

其中，pt表示发射总功率，h表示发射阵列到每个用户终端的信道矩阵；

根据协方差矩阵r、发射阵列到每个用户终端的信道矩阵h和通信接收机噪声功率σ²，将优化问题转换为凸优化问题：

maxt

s.t.pi≥t(ri,i+σ²),i＝0,1,…,k-1，

其中，t表示优化向量，pi表示向量p中第i个元素，优化变量表示所有k维半正定矩阵构成的集合，diag(p)表示根据向量p构建得到的对角矩阵，ri,i表示矩阵r的第i行第i列的元素；

对发射阵列到每个用户终端的信道矩阵h的共轭转置h^h进行qr分解，得到：

h^h＝qh[lh0k×(m-k)]^h；

其中，qh表示m维酉矩阵，lh表示k维上三角阵，在本发明实施例中，lh的非零对角线元素均为实数；

对优化向量rf进行特征分解，得到第一矩阵λf和第二矩阵pf：

对k×m的随机矩阵中各列进行施密特正交化处理，得到一个各行单位正交的矩阵，即得到第三矩阵u，第三矩阵u满足uu^h＝ik，其中ik表示k维单位矩阵，并通过所述第一矩阵λf、所述第二矩阵pf和所述第三矩阵u，获取第四矩阵f：

对所述第四矩阵f的共轭转置f^h进行qr分解，得到：

f^h＝qf[lf0k×m]^h；

其中，qf表示(m+k)维酉矩阵，lf表示k维上三角阵，在本发明实施例中，lf的非零对角线元素均为实数；

根据共轭转置h^h和共轭转置f^h，构建预编码矩阵w：

其中，[qf]1:m表示由qf的前m列构成的矩阵，

在上述实施例的基础上，所述对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列，包括：

根据预编码矩阵w，通信符号向量c[n]和雷达发射序列向量r[n]，构建阵列发射信号序列公式：

其中，s[n]表示第m项对应第m个阵列的发射信号，在本发明实施例中，每个用户终端的最低信干噪比公式为t/(1-t)。

根据所述阵列发射信号序列公式，获取共享发射阵列的基带发射信号序列。

图3为本发明实施例提供的各个用户终端的最低接收信干噪比与发射信噪比的关系示意图，可参考图3所示，优化了各个用户终端的最低信干噪比和发射信噪比的关系，其中，当用户终端个数k＝4时，发射阵列是均匀线性等间隔阵列，阵元间隔等于半波长。用户终端到发射阵元的信道为直视信道，相对发射阵列的方位分别为-60度、-20度、0度、30度。根据图3可知，在用户终端的个数一定的情况下，增加发射阵元个数和发射信噪比都可以提升各个用户终端的最低信干噪比。

图4为本发明实施例提供的用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码系统的结构示意图，如图4所示，本发明实施例提供了一种用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码系统，包括多用户通信符号生成模块401、雷达伪随机发射序列生成模块402和mimo联合预编码模块403，其中，多用户通信符号生成模块401用于将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量；雷达伪随机发射序列生成模块402用于通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量；mimo联合预编码模块403用于对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列。

本发明实施例提供的一种用于mimo一体化共享发射阵列的预编码系统，通过把一组独立的雷达伪随机发射序列和多用户通信符号进行线性预编码，得到阵列发射信号，从而保证各个阵元发射的信号正交，使得用户终端之间的干扰被完全消除，同时各个用户终端的最低信干噪比达到最优。

在上述实施例的基础上，所述系统还包括：预编码矩阵获取模块，用于根据发射总功率、通信接收机噪声功率和发射阵列到每个用户终端的信道矩阵，构建预编码矩阵，以根据所述预编码矩阵对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图5，该电子设备可以包括：处理器(processor)501、通信接口(communicationsinterface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503中的逻辑指令，以执行如下方法：将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量；通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量；对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列。

此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于mimo一体化系统共享发射阵列的预编码方法，例如包括：将待传输到每个用户终端的信息比特序列映射为通信符号序列，并对所述通信符号序列进行功率归一化处理，得到通信符号向量；通过随机相位编码，生成雷达伪随机发射序列，并根据所述雷达伪随机发射序列，获取对应的雷达发射序列向量；对所述通信符号向量和所述雷达发射序列向量进行线性预编码处理，得到共享发射阵列的基带发射信号序列。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。