一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种基于叠加符号的通信感知一体化设计方法。

背景技术：

1、为了支持同时需要低延时感知和高速率通信的新兴应用，下一代无线网络提出通信感知一体化技术来利用相同的无线信号和硬件基础设施同时实现无线感知和通信。在通信系统中，大带宽的毫米波频段被证明能够实现高速率通信，以满足实时的海量数据传输。同时，在现有的感知系统中，毫米波雷达已经被大量使用来提供精准的感知信息。因为毫米波频段分别在通信和感知系统的优异性能，毫米波信号在通信感知一体化系统的是使用被认为具有极大的应用前景，也是近年来学术界与工业界研究的热点。

2、然而，毫米波信号会导致严重的传播损耗，这常常会阻断接收端和发射端之间的los径，阻碍了通信感知一体化的可靠连接服务。而ris可以通过数字控制的方式来调整反射元件的相移创建基站和用户之间的虚拟los径，被视为解决毫米波频段下通信感知一体化系统稳定连接的有效方案。具体来说，ris是一个完全无源的二维阵列，有许多亚波长的可控元件，可以通过调整相位来灵活地改变入射电磁波的物理特性。此外，ris一般用廉价的硬件元件制造，没有射频链路，从而大大降低了硬件成本和能源消耗。目前已经有大量的研究证明了ris辅助的通信感知一体化系统对通信和感知性能均有明显的提升。

3、在ris辅助毫米波频段通信感知一体化系统设计中，一个实用且高效的方法就是利用现有通信的调制方法、协议架构和硬件基础设备再结合感知信号处理技术来实现同时的通信和感知功能。这种方案在数据传输的同时实现了对环境中目标的感知，避免了额外部署感知网络的硬件成本。在现有的技术中，感知功能的实现会通过分配一部分额外的时间或频率资源，使得感知导频利用这一部分独立的资源来实现感知功能，所以有一部分方法来研究通信信号和感知导频在时间和频率资源上的性能折中。然而，这存在一些限制：感知导频消耗掉额外的时间或频率资源，这会损害原有通信系统的频谱效率；并且在ris辅助系统中同时实现通信和感知的功能对计算资源的需求较高，且依赖信道状态信息，在车联网等高速移动场景中，可能难以及时准确地获取信道状态信息，从而损害通信和感知的准确性。

4、基于上述问题，为了提高ris辅助通信和感知的性能，同时提高通信感知一体化系统的频谱效率，提出了一种基于叠加符号的通信感知一体化波形的设计方法来同时实现通信和环境感知的功能。

技术实现思路

1、本发明针对现有通信信号和感知信号占据独立时间或频率资源的技术在ris辅助通信感知一体化系统中准确性差、频谱效率低的问题，通过发射一种基于叠加通信符号和导频符号形成的通信感知一体化波形，使得通信信号和感知信号通过功率分配系数在符号域内线性叠加，同时提出了新的在接收端根据接收符号的信号处理方法，在几乎不损失通信性能的前提下增加准确的感知功能。

2、本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：一种基于叠加符号的通信感知一体化波形的设计方法，可以应用于ris辅助的毫米波通信感知一体化场景；

3、本发明提供的方法通过对接收端符号进行信号处理，实现联合的通信数据检测和环境感知参数提取，同时实现高速的通信速率和高精度的感知功能。在具体应用时，本发明产生的基于叠加符号的通信感知一体化波形能在现有的无线通信系统中，支持多种调制方法与参数设置，来实现高效的上行通信感知链路。

4、本发明提出的一种ris辅助的用户到基站的上行通信链路来同时实现通信和感知功能的方法，该方法包括以下步骤：

5、s1、在信号发送端，将同一时间频率资源内的通信信号和导频信号在符号域通过功率分配系数线性叠加并发射至ris；

6、s2、在信号接收端，接收ris反射的信号并对多分时隙的接收信号进行堆叠；得到接收矩阵；

7、s3、将环境角度参数的提取转换为对角度网格值和稀疏向量ω的估计，将接收信号代入预设的毫米波信道模型中，对接收矩阵进行向量化；利用带吉洪诺夫正则化项的最小二乘估计得到稀疏向量ω的初始估计，通过稀疏向量的估计值得到基站和用户之间的等效信道初始估计值；

8、s4、根据等效信道初始估计值，利用线性最小均方误差方法得到通信数据初始估计值并进行解调和重新调制；

9、s5、对重新调制后的通信数据初始估计值在期望最大化框架下迭代计算得到稀疏向量、角度网格和通信数据的最终估计值；

10、s6、最终恢复出通信数据、环境信道中的角度参数和用户坐标。

11、进一步地，发射端生成并发射叠加符号其中xd，t和xp，t分别是第t时隙内生成的通信符号和导频符号，ξ是分配给通信符号占整个符号的功率分配系数，满足0＜ξ＜1。

12、进一步地，所述接收ris反射的信号并对多分时隙的接收信号进行堆叠具体为：

13、在第t时隙内，基站接收符号为其中hr，s是第s个ris到基站的信道，θs，t是第s个ris在第t时隙的相位，hb，s是用户到第s个ris的信道，nt是第t时隙的噪声；通过堆叠t个时隙的基站接收符号构造接收矩阵为

14、

15、其中θs＝[θs1，...，θs，t，]，x＝diag(x1，...，xt)，n＝[n1，...，nt]分别是堆叠t个时隙的θs，t，xt和nt的矩阵。

16、进一步地，所述ris由可控反射单元组成，构造基站到用户之间的虚拟los径，且ris的数量s≥1；

17、基站到第s个ris之间的毫米波建模为

18、

19、其中αl，s是第l条路径的增益，阵列响应分别为和有效的到达角和离去角分别为和

20、进一步地，将环境角度参数的提取转换为对角度网格值和稀疏向量ω的估计具体为：将毫米波角度域上的和通过选择网格点和内的元素来表示，将毫米波信道转化为

21、

22、其中和是关于角度域网格点和的阵列响应组成的字典矩阵，ωs是稀疏矩阵；是第l路径到第s个ris的到达角，和分别是从基站到第s个ris的离去角对应的仰角和方位角。

23、进一步地，所述角度域网格点和是用来估计hr，s中ls条路径等效到达角/离去角，其中第一条路径对应los径，los径对应的有效到达角/离去角由基站和ris的相对位置决定，所以设定和第一个元素是los径对应的等效到达角/离去角，其余元素将角度域分别进行g1-1，g2-1和g3-1等份的均匀量化。

24、进一步地，所述利用带吉洪诺夫正则化项的最小二乘估计得到稀疏向量ω的初始估计具体为：

25、

26、其中xp是x中对应的导频矩阵，是刻画数据的不确定度，矩阵

27、进一步地，所述通信数据初始估计值具体为：

28、

29、其中n0是噪声方差，p0是用户发射功率；为通过仿射变换得到的基站和用户之间的等效信道初始估计值。

30、进一步地，所述对重新调制后的通信数据初始估计值在期望最大化框架下迭代计算得到稀疏向量、角度网格和通信数据的最终估计值具体为：

31、s501、先设置稀疏向量ω(j)的先验分布，

32、

33、其中对于是对应ω(j)第g个元素的方差；观察到当趋于零时，ω(j)第g个元素也趋于零，所以对ω(j)的估计转化为对γ(j)的估计；

34、s502、使用em的迭代更新来计算得到参数数据集χ＝[xd，γ，ν，β]，其中是设置角度域网格点的向量，β用来刻画实际未知噪声的方差；

35、s503、通过最大后验估计得到ω(j)，将ω(j)向量中值最大的ls个元素对应的角度值组成网格的估计值其中ls是基站到第s个ris信道路径数；

36、s504、得到的估计值ω(j)中小于预设阈值的数置零，然后利用lse方法得到更精确的ω(j)，通过仿射变换恢复出基站到用户之间的等效信道估计值

37、s505、通过估计值以及接收矩阵y减去感知导频对应的接收部分，利用最大化期望步骤得到通信数据估计值

38、迭代进行s501—s505，每次迭代后使j←j+1，直到到达迭代次数阈值或者与的差值小于δχ。

39、进一步地，为了促进ω(j)的稀疏性结构，将γ(j)建模为满足gamma分布：

40、

41、其中aγ和bγ是设定参数，设置aγ，bγ→0以满足在零处有尖峰。

42、通过以上步骤，可以有效提升ris辅助系统中的联合通信和感知的高效性和准确性，实现基于叠加符号的通信感知一体化波形的通信效率和感知精度提升。

43、与现有发明相比，本发明的有益效果是：

44、本发明提供一种在ris辅助通信感知一体化系统中新的波形设计方案，利用通信信号与感知导频在符号域内通过功率分配形式叠加，可以在原有的通信功能的基础上增加感知功能，并利用高效的信号处理方法，实现高精度感知，同时可以达到和原先通信系统接近的传输速率。并且现有方案对现有的通信协议和硬件设备改动较小，可以灵活且低成本的在原有通信系统中增加感知功能。

45、本方法综合考虑通信和感知的性能，根据功率分配系数线性叠加通信符号和导频符号在同一符号域内，既可实现对环境参数的估计，又可以保证通信能力不受影响，真正实现通信感知一体化的功能；

46、利用设计的高效信号处理方法，几乎消除了通信信号和感知信号之间的干扰性，保证了通信功能和感知功能的高效性和准确性；

47、恢复出来的通信信号可以作为感知信号重新参与到感知精度的提升方法上，同时感知精度的提升也有利于通信速率的提升，这实现通信和感知功能互相增强的效果；

48、基于对发射通感一体化波形的设计，可以同时实现高效的通信和感知功能，同时可以充分利用现有的通信系统，增加了高精度的感知功能。