一种通信感知一体化上行非正交多址传输方法

本发明属于无线通信，具体涉及一种通信感知一体化上行非正交多址传输方法。

背景技术：

1、随着通信领域向6g时代的发展，技术的进步可以满足人们更多的需求，面向2030年，6g将推动社会走向“数字孪生”和“智慧泛在”，感知和通信的融合已经成为6g研究的重要方向。通信与感知两种功能在中后期发展阶段将实现能力互助，网络互惠，这就要求通信感知一体化研究还要考虑兼顾通信和感知的性能和系统的能耗问题。

2、非正交多址通信相比较传统的正交多址允许多个用户/设备共享相同的资源块，所以在终端连接数快速增长的大环境下，它在大规模机器通信框架中具有巨大的潜力。此外，多天线技术是未来无线通信中必将采用的技术，将多天线与非正交多址接入技术融合可进一步提升系统的频谱效率与并发连接数。

3、目前广泛采用的多天线技术与非正交多址接入融合方法采用了一种分簇策略。这意味着根据通信信道的状态信息，将用户分为多个簇(群组)。每个簇内包括了靠近基站的用户和远离基站的用户。在同一簇内的用户采用非正交多址接入技术进行信号传输，而在不同簇之间，基站接收端采用干扰抑制接收机来消除来自其他簇的干扰信号。

4、传统的非正交多址在接收端通常采用的是串行干扰相消来实现非正交叠加信号的分离。这种方式需要实现额外的信道估计算法，所以复杂度高且存在误差传播现象。为了达到需要的通信速率和感知速率，往往需要更大的发射功率，会导致系统的能效降低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：针对现有技术中非正交多址在接收端采用的是串行干扰相消，不仅需要实现额外的信道估计算法，而且复杂度高且存在误差传播现象，在增大发射功率导致系统能效降低的问题，提供了一种通信感知一体化上行非正交多址传输方法，用最少的能耗去达到最好的通信感知效果，并且能达到更高的感知速率。

2、为解决以上技术问题，本发明提供如下技术方案：一种通信感知一体化上行非正交多址传输方法，包括如下步骤：

3、s1、基站根据通信用户与基站之间距离、路径损耗与基站天线数，将通信用户划分为若干个群体；

4、s2、根据各通信用户的发射功率、基站接收机和基站发射的雷达感知信号，建立通信用户发射功率与基站发射雷达感知信号功率和最小化的优化问题p1，求得最优雷达发射功率，将雷达感知信号回波作为干扰加入至通信信号信干噪比中，建立发射功率与基站接收机联合设计优化问题，将最优线性接收机表示成通信用户发射功率的函数,优化目标为通信用户总发射功率最小化；将优化问题p1转化为通信用户发射功率优化问题p2求解，获取最优通信用户发射功率；

5、s3、基站根据最优雷达波发射功率，发送最优雷达波至感知目标形成回波感知信号，上行回传至基站；

6、s4、基站根据通信用户距离由远到近依次解调接收到的群体的信号，解调群体的信号时，将感知信号作为干扰信号，针对通信信号进行解调，并在通信信号解调完成后，利用群体干扰删除技术将通信信号从群体的信号中删除，保留感知信号，直到解调完所有接收到的群体的信号，然后继续分析解调感知信号。

7、进一步地，前述的步骤s1中，具体为：将通信用户按照传播距离从小到大分成k个群体，每一个群体中的通信用户数目小于等于基站的天线数目，表示如下式：

8、

9、其中，uk为第k个群体内通信用户数目，n为基站接收天线数；

10、基站处的总接收信号如下式：

11、

12、其中，hk,u为第k个群体中第u个通信用户到基站的信道向量，为第k个群体中第u个通信用户的发射功率，xk,u为第k个群体中第u个通信用户的发送信号，xk,u＝[xk,u,1,…,xk,u,l]h，g是需要被感测的目标响应矩阵，s为基站所发送的雷达波矩阵，n为基站处的噪声信号，

13、将基站处的总接收信号表示成为多个群体之和的形式，如下：

14、

15、其中，

16、

17、

18、

19、

20、

21、其中，表示以为对角元素的对角矩阵，上标h表示矩阵或者向量的共轭转置，gi,j表示从第i个发射天线到第j个接收天线的目标相应，sl代表第l个时隙的雷达波形。

22、进一步地，前述的步骤s2中，建立通信用户发射功率与基站发射雷达感知信号功率和最小化的优化问题，如下式：

23、

24、

25、

26、

27、tr(ssh)≤ps

28、其中，ek,i为第k群体通信用户在i时隙的接收机，ωk,u为第k个群体中第u个通信用户的发射功率系数，s为基站端发送的雷达波矩阵，l为雷达波形的长度即符号数，即时隙数和感知目标数，ρk,u,i为第k个群体中第u个通信用户的信干噪比，为第k个群体中第u个通信用户在第i时刻的最低传输速率，n为基站接收天线数，rt为基站发射相关矩阵，rs为感知所需达到的最低感知速率，pmax为各个通信用户的最大发射功率，ps为最大雷达感知信号发射功率；

29、其中，将感知速率表达式:

30、

31、写为下式：:

32、

33、式中，为基站发射相关矩阵rt的特征值，且λ1≥λ2≥…≥λm≥0，

34、

35、

36、根据求得时取到的最小值，即rs给定时，根据式求解得到最小时的满足的条件。

37、进一步地，前述的一种通信感知一体化上行非正交多址传输方法，其特征在于，第k个群体中第u个通信用户的信干噪比如下式：

38、

39、其中，|·|表示取模运算，[ek]:,u为矩阵ek的第u列，[hk]:,u为矩阵hk的第u列，σ2为噪声功率，zk为第k个群体所遭受的群体间干扰的协方差矩阵，表示为：

40、

41、其中，e{·}为求数学期望运算；

42、yk,i为感知信号在i时隙时对第k组通信信号的干扰，如下式：

43、

44、根据将yk,i表示为：采用最优雷达波形矩阵时，雷达感知信号对通信信号的干扰简化为：

45、

46、5.根据权利要求3所述的一种通信感知一体化上行非正交多址传输方法，其特征在于，步骤s2中，最优线性接收机表示成通信用户发射功率的函数，如下式：

47、

48、

49、

50、其中，为第k个群体的最优线性接收机，hk,u为第k个群体中第u个通信用户到基站的信道向量，为第k个群体中第u个通信用户的发射功率，表示以为对角元素的对角矩阵，上标h表示矩阵或向量的共轭转置，zk表示群体间干扰协方差矩阵，yk为感知信号给第k组通信信号带来的干扰协方差矩阵，σ2为噪声的功率，in表示n行n列的单位矩阵，n为基站接收天线数目；

51、将最优线性接收机表示成通信用户发射功率的函数代入上述信干噪比ρk,u,i的表达式，得到简化的信干噪比表达式为：

52、

53、进一步地，前述的步骤s2中，优化问题p2为：

54、

55、

56、

57、

58、tr(ssh)≤ps

59、其中，为第k个群体中第u个通信用户的发射功率，s为基站端发送的雷达波矩阵，表示将最优接收机带入上述信干噪比得到的简化的信干噪比表达式，其为一个关于{ωk,u}和{si}的函数，为第k个群体中第u个通信用户在某个时刻的最低传输速率，为基站发射相关矩阵rt的特征值，rs为所需达到的最低感知速率，pmax为各个通信用户的最大发射功率，ps为最大雷达感知信号发射功率。

60、进一步地，前述的步骤s4中，利用群体级串行干扰删除技术将通信信号从群体的信号中删除，第k个群体的解调信号表示为

61、

62、其中，ek为第k个群体的接收机，上标h表示矩阵或向量的共轭转置，ik为通信用户群体间干扰，其包含来自未解调群体的干扰与已解调群体的残余干扰，ik可以进一步表示为

63、

64、其中，σj是一个对角矩阵，其每个对角元素表示第j个群体的残余干扰的影响，σj的表示式为其中，∈j,u为第j个群体中的第u个用户的残余干扰。

65、进一步地，前述的步骤s2中，优化问题p2求解，具体为：优化问题p2取最优值时，通信用户发射功率和基站雷达信号发射功率需满足如下等式：

66、

67、

68、关于式各个群体通信用户的最优发射功率通过双层循环迭代获得，群体之间采用顺序迭代，同一个群体中各个用户采用并行迭代，当一个群体发射功率迭代收敛后，更新下一个群体的群体间干扰协方差矩阵zk，再迭代进行下一个群体的发射功率，此处第k个群体中第u个用户的发射功率表示为：

69、

70、其中，为第t次外循环，第n次内循环的发射功率，t表示外层循环的序号，n表示内层循环的序号，[hk]:,u与[hk]:,m分别为矩阵hk的第u列与第k列；

71、式中的为基站发射相关矩阵rt的特征值是已知的，且λ1≥λ2≥…≥λm≥0，求出感知信号对第k组通信信号干扰最大的时刻及λm＝λ1时，此时

72、中的

73、根据上述功率迭代方式，在第k个群体设计过程中，利用第n次的功率得到第n+1次循环的功率反复进行计算，直到第k个群体的发射功率收敛；然后再迭代设计第k+1个群体的发射功率，直到所有群体的发射功率全部迭代完成；当所有群体的发射功率更新完成后，即第t次外层循环完成，外层循环跳转为t+1次外层迭代；系统总发射功率收敛后，停止迭代，得到所有用户的最优发射功率最优接收机为：

74、

75、相较于现有技术，本发明采用以上技术方案的有益技术效果如下：在确保相同的服务质量条件下，本发明根据通信用户的传播距离和基站的天线数量，将用户分成多个群体。它采用了先将感知信号视为干扰的策略，根据传播距离，从近到远逐一解调接收到的通信信号。每个群体的通信信号完成解调后，从接收信号中删除该群体的信号，然后继续解调下一个群体的信号。当通信信号解调完毕后，再处理感知信号，这有效地抑制了群体级串行干扰删除(glsic)技术删除所带来的残余干扰影响，从而显著降低了通信感知一体化系统中通信用户上行信号与基站端发射的雷达感知信号的总发射功耗，用最少的能耗去达到最好的通信感知效果，同时采用通信感知一体化(isac)，相比较传统频分通信感知系统fdsac来说，在达到相同的通信传输速率时，本发明系统可以达到更高的感知速率。