一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信和雷达技术领域，特别是涉及一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法。

背景技术

雷达自20世纪上半叶诞生以来已经发展了几十年。现代雷达系统在全球范围内部署，具有多种应用程序，包括交通管制、地球物理监测、天气观测以及国防和安全监控。在10GHz以下，大部分频谱资源主要分配给雷达，但在目前先进的情况下，雷达与无线通信系统有了新的共存选项。在更高的频率，如毫米波频段，通信和雷达平台也有望在即将到来的5G网络及以后实现谐波共存甚至有益的合作。然而，随着将可用频带分配给上述无线技术，雷达频带中的干扰正在增加，并引起了政府和军事组织对关键雷达行动保障的关注。为此，通信和雷达频谱共享问题的研究工作正在进行。而雷达通信共存就是通信和雷达频谱共享问题两个主要研究方向之一。

现有的雷达通信共存能效优化研究大多采用瞬时信道状态信息。只有当终端不移动或移动速度非常慢，导致信道没有变化或变化缓慢时，运用瞬时信道信息才可行。当终端快速移动时，从基站到终端的信道将迅速变化，导致瞬时信道估计较困难。此外在实际大规模MIMO下行链路中，很难获取发射机处的瞬时信道状态信息。请注意，从基站获得变化相对缓慢的统计信道信息相对容易，如通过协方差外推或长期反馈。为此，本发明提出了一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法，该方法针对监视雷达和大规模MIMO通信系统共存的场景，能够优化系统的能效，并降低实现这一优化过程的复杂度，使其便于实施。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法，包括如下步骤：

步骤1，构建雷达与通信系统共存的场景；

雷达与通信系统共存的场景包括工作在相同带宽的大规模MIMO下行通信传输系统和一个监视雷达；其中，大规模MIMO下行通信传输系统发射信号与用户进行通信，监视雷达发射信号进行目标检测；根据大规模MIMO下行链路通信场景，基站侧配置M

步骤2，获取通信系统中用户统计信道状态信息；

步骤3，根据用户统计信道状态信息构建通信系统能效表达式并建立雷达通信共存能效优化问题模型；

步骤4，对能效优化问题进行求解。

进一步的，步骤2中通过用户反馈、基站直接估计、或通过上行探测信号的方式，来获取用户的统计信道状态信息。

进一步的，步骤2中获取通信系统中用户统计信道状态信息的方法为：

各用户发送上行探测信号至基站，基站根据接收到的探测信号估计波束域统计信道状态信息，其中，第k个用户的统计信道状态信息为：

在公式(1)中，G

进一步的，步骤3中构建通信系统能效表达式并建立雷达通信共存能效优化问题模型的方法如下：

基站发射给第k个用户的信号被记作x

在公式(1)中，

功耗模型为：

在公式(2)中，tr(·)为矩阵取迹的运算，比例因子η为传输放大器效率的倒数，

能效被定义为所有用户可达遍历速率之和与功耗的比值：

在公式(3)中，EE表示能效。

所以，雷达通信共存能效优化问题模型为：

在公式(4)中，P

进一步的，步骤4中对能效优化问题进行求解，包括如下步骤：

步骤4.1，运用交替优化将雷达通信共存能效优化问题分解为通信预编码Q

步骤4.2，求解通信预编码Q

步骤4.2.1，利用特征值分解，Q

步骤4.2.2，求解有关Ψ

有关Ψ

步骤4.2.3，求解有关Λ

有关Λ

在公式(5)中，

Λ＝{Λ

步骤4.2.3.1，初始化发送信号的协方差矩阵Λ

步骤4.2.3.2，求含有期望操作的

步骤4.2.3.2.1，引入并且迭代计算下述的四个确定性等同辅助变量，表示为：

其中，Γ

[Γ

[Υ

在迭代过程中，四个辅助变量都会趋于收敛，当辅助变量变化值小于给定阈值时停止迭代；

步骤4.2.3.2.2，

步骤4.2.3.3，根据MM算法，用

在公式(7)中，代表着

在公式(8)中，

步骤4.2.3.4，再运用Dinkelbach算法，则能效优化问题变为如下形式：

步骤4.2.3.5，由于该优化问题已经变为凸问题，可以运用传统凸优化工具求解出功率分配矩阵；

步骤4.2.3.6，将第

步骤4.3，求解雷达传输功率P

根据能效随着雷达发射功率P

步骤4.4，将第d+1次迭代得到的能效值与第d次迭代的结果进行比较，若两次结果之差小于设定的阈值ε

本发明的有益效果是：

1、在本发明中，基站与用户在波束域通信，其能够与大规模MIMO无线信道的空间特性相匹配，从而获取使用大规模天线阵列所带来的能效的提升；

2、在本发明中，雷达通信联合设计情况下的能效相比非联合设计有显著提升；

3、本发明利用交替优化方法、确定性等同方法、MM算法和Dinkelbach算法进行雷达通信共存场景的能效优化，能够实现系统能效显著提升，并且降低优化问题求解和物理层实现的复杂度，加快了运算速度。

附图说明

图1为实施例1中提供的一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法的流程示意图；

图2为实施例1中提供的基于交替优化、确定性等同、MM算法和Dinkelbach算法的迭代算法的流程示意图；

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做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。

参见图1-图2，本实施例提供一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、构建雷达与通信系统共存的场景；

具体的说，在本实施例中，该步骤1具体包括：

雷达与通信系统共存的场景包括工作在相同带宽的大规模MIMO下行通信传输系统和一个监视雷达，两个系统各自发射信号；

其中，大规模MIMO下行通信传输系统发射信号与用户进行通信，监视雷达发射信号进行目标检测。

根据大规模MIMO下行链路通信场景，基站侧配置M

步骤2、获取通信系统里的统计信道信息；

在本实施例中，通过采用用户反馈、基站直接估计、或通过上行探测信号等方式，来获取用户的统计信道状态信息。

步骤3、根据统计信道信息构建通信系统能效表达式并建立雷达通信共存能效优化问题模型：

具体的说，在本实施例中，该步骤3包括：

运用统计信道信息得到每个用户可达遍历速率的表达式，能效被定义为所有用户可达遍历速率之和与功耗的比值；优化问题的优化目标为能效值，约束条件为基站和雷达各自发射功率要满足功率约束和雷达接受信号干扰比要大于等于可接受的最小值。

步骤4、运用交替优化、确定性等同、MM算法和Dinkelbach算法对优化问题进行求解：

具体的说，在本实施例中，该步骤4包括：

步骤4.1、运用交替优化将原问题分解为通信预编码Q

步骤4.2、运用特征值分解将通信预编码问题分解为最优发射方向问题和功率分配问题，最优发射方向可以直接求出闭式解；功率分配问题可先求出速率的确定性等同值，再利用MM算法将和速率变为凹函数，然后对该凹-凸分式问题运用Dinkelbach算法可转化为凸问题，最后利用传统凸优化工具即可求解；

步骤4.3、利用雷达传输功率和能效之间的单调性可求出雷达传输功率P

步骤4.4、不断迭代直至能效值收敛。

以上是本实施例方法的具体步骤，下面结合一个具体场景来对本实施例方法进行更为具体的说明，本发明的一种统计信道特性辅助的雷达通信共存能效优化方法，包括如下步骤：

步骤1，构建雷达通信共存模型

具体的说，考虑工作在相同带宽的大规模MIMO下行通信传输系统和一个监视雷达共存在同一场景。大规模MIMO通信系统基站侧配置M

步骤2、获取通信系统里的统计信道信息；

在信道探测阶段，各用户发送上行探测信号至基站，基站根据接收到的探测信号估计波束域统计信道状态信息，其中，第k个用户的统计信道状态信息为：

在公式(1)中，G

步骤3、根据统计信道信息构建通信系统能效表达式并建立雷达通信共存能效优化问题模型；

基站将发送给各用户的空间域信号通过统一的酉变换变换到波束域，向每个用户发送信号，假设基站发送给用户k的信号为x

在公式(2)中，

功耗模型为：

在公式(3)中，tr(·)为矩阵取迹的运算，比例因子η为传输放大器效率的倒数，

能效被定义为所有用户可达遍历速率之和与功耗的比值：

在公式(4)中，EE表示能效。

建立雷达通信共存能效优化问题模型：

在公式(5)中，P

步骤4，运用交替优化、确定性等同、MM算法和Dinkelbach算法对优化问题进行求解：

基于交替优化、确定性等同、MM方法和Dinkelbach算法的迭代算法的实现过程，具体如图2所示，其具体包括如下步骤：

步骤4.1、运用交替优化将原问题分解为通信预编码Q

步骤4.2、求解通信预编码Q

步骤4.2.1、利用特征值分解，Q

步骤4.2.2、求解有关Ψ

有关Ψ

步骤4.2.3、求解有关Λ

有关Λ

在公式(5)中，

Λ＝{Λ

步骤4.2.3.1、初始化发送信号的协方差矩阵Λ

步骤4.2.3.2、求含有期望操作的

步骤4.2.3.2.1、引入并且迭代计算下述的四个确定性等同辅助变量，表示为：

其中，Γ

[Γ

[Υ

在迭代过程中，四个辅助变量都会趋于收敛，当辅助变量变化值小于给定阈值时停止迭代；

步骤4.2.3.2.2、

步骤4.2.3.3、根据MM算法，用

在公式(7)中，代表着

在公式(8)中，

步骤4.2.3.4、再运用Dinkelbach算法，则能效优化问题变为如下形式：

步骤4.2.3.5、由于优化问题已经变为凸问题，可以运用传统凸优化工具求解出功率分配矩阵；

步骤4.2.3.6、将第

步骤4.3、求解雷达传输功率P

根据能效随着雷达发射功率P

步骤4.4、将第d+1次迭代得到的能效值与第d次迭代的结果进行比较，若两次结果之差小于设定的阈值ε

具体的说，在本实施例中，阈值ε

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。