本发明公开了一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，卫星端配备大规模MIMO阵列，实现通信感知一体化系统。卫星端基于电磁波传播统计特性，发送多个用户终端的通信信号，同时对目标进行检测，实现卫星端与不同用户终端的同时通信以及对目标的感知。本发明充分利用频谱资源，基于卫星实现无线通信和目标感知功能的灵活切换，缓解波束斜视对系统性能的影响，大幅提升通信性能以及雷达的分辨率，可用于构建天、空、地、海一体化综合网络，实现全球覆盖。
1.一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，其特征在于，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测；通信和感知使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化；其中，卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，所述电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过程，所述电磁波传播统计状态信息是目标的到达角；根据所述电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号；在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新所述通信感知一体化预编码；
通过发送一个信号同时实施通信和感知过程中，引入权重系数来权衡通信和感知的性能；
所述通信感知一体化预编码设计方法包括如下步骤：在寻求通信的能效最大化的同时保证雷达感知性能，建立优化问题total
其中，K表示用户数，Rk表示卫星与第k个用户之间的通信速率，P 表示总发射功率，M表示子载波数，V[m]表示恒模射频预编码器，W[m]表示基带预编码器，wk[m]表示对第k个用户的基带预编码矢量，P表示功率预算，为模拟预编码器所需要满足的约束，Brad[m]表示最优的子阵列雷达预编码器，U[m]表示在第m个子载波处引入的辅助酉矩阵，ε表示混合预编码器与雷达预编码器的欧氏距离公差项， 表示Pr×Pr阶的单位阵，Pr表示目标数，||·||F表示矩阵F范数；
步骤1：对于优化问题 将模拟预编码器和数字预编码器的乘积视作一个整体，并暂时不考虑无关约束，得到全数字预编码问题其中，B[m]表示混合预编码矩阵，bk[m]＝V[m]wk[m]表示对第k个用户的预编码矢量；
步骤2：考虑波传播统计特性，采用Rk[m]的紧上界 作为替代，即其中，Rk[m]表示第k个用户第m个子载波上的速率，γk是卫星和第k个用户之间的信道能量，vk[m]表示频率为fm的第m个子载波处的阵列响应矢量，N0表示噪声功率；
步骤3：令 为所有子载波预编码矩阵的集合，采用Dinkelbach算法将问题 转化为一系列子问题 即其中， 表示和所有子载波预编码矩阵集合相关的速率的紧上界， 表(i)
示和所有子载波预编码矩阵集合相关的总功率，辅助变量η 满足步骤4：考虑第i个子问题，为表示方便，省略编号i，令bk,m＝bk[m]，vk,m＝vk[m]，则问题表示为
步骤5：引入辅助变量 采用拉格朗日对偶转化，则问题 转化为其中，λk,m表示辅助变量；
当固定 时， 对变量λkm为一凹函数，则令 得到其中， 表示辅助变量的最优值；
步骤6：引入辅助变量 利用二次变换，将问题 转化为其中，ρk,m表示辅助变量；
步骤7：当(η,λ,ρ)固定时，问题 的目标函数对于变量bk,m来说是凸的，则采用拉格朗日算子法求解，具体的，引入拉格朗日乘子t，则问题 的拉格朗日函数表示为由KKT条件，得到
步骤8：对于第m个子载波，在得到等效的全数字预编码矩阵Bcom[m]后，引入权重系数ζ来权衡通信和感知模块的性能，对应的加权和最小问题为对于任意子载波m，迭代求解可得模拟和数字预编码矢量，下述省略标号m；
步骤9：对于全连接结构的模拟预编码器，A1：对于固定的V,W，问题 转化为采用奇异值分解法得到问题 的解，即其中，Q和R是对 进行奇异值分解之后的结果，即 其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵， 为一稀疏矩阵；
A2：对于固定的V,U，问题 转化为对于问题 其目标函数 表示为两个F范数的加权和 ，令辅 助矩阵Nt为天线数，Mt为发射机所需射频链的数量，H H
AA＝VV，于是问题 转化为则数字预编码器W进行如下更新，H ‑1 H H ‑1 HW＝(AA) AC＝(VV) AC, (36)A3：令 为辅助矩
令辅助矩阵Y＝GG，其最大特征值为λmax(Y)，则问题的 解为其中， 为辅助矩阵，∠为取角度操作符；
步骤10：对于部分连接结构的模拟预编码器，其第(i,j)个元素其中 为取上界操作符，φi,j为矩阵中第(i,j)个元素的角度，Ng＝Nt/Mt，模拟预编码矩阵满足
B1：对于固定的V,W，问题 转化为采用奇异值分解法得到问题 的解，即其中，Q和R是对 进行奇异值分解之后的结果，即 其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵， 为一稀疏矩阵；
矩阵，对于固定的V,U，问题 转化为则数字预编码器W可以进行如下更新，B3：令辅助矩阵 其中
[·]i,:表示矩阵的第i行，[·]j,:表示矩阵的第j行，对于固定的W,U，问题 转化为将问题 的解表示为
一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法。
背景技术
[0002] 随着无线产业的飞速发展，频谱资源越来越稀缺，频谱资源的价值也越来越高。为了提高频谱资源的利用率，提出了通信感知一体化方法和系统，以实现无线通信与雷达感
知两个功能模块之间的频率复用。在通信感知一体化系统中，通信和感知可以在一个硬件
平台上同时进行，使射频环境的解拥塞成为可能。现有的通信感知一体化工作主要集中在
地面网络，并已经探索了许多设计，以提高两个功能模块的性能。
[0003] 对于卫星大规模MIMO通信感知一体化系统，其电磁波传播特性与地面存在显著差异，因此不能直接采用地面通信感知一体化系统。具体来说，主要体现在两个方面：一是由
于卫星与用户终端以及目标之间的距离较长，会导致高传播延迟，同时，用户终端和检测目
标的移动性，会导致较大的多普勒频移。此外，考虑到宽带卫星大规模MIMO通信感知一体化
系统采用大规模阵列和宽带传输，导致信道维度大、变化快，这给电磁波传播状态信息的估
计带来了挑战。一般情况下，对于卫星大规模MIMO通信感知一体化系统，在卫星侧发射机
端，准确的电磁波传播瞬时状态信息是很难得到的。
发明内容
[0004] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于电磁波传播统计状态信息的考虑波束斜视的卫星大规模MIMO通信感知一体化方法和系统，可以有效缓解波束斜视对系统性能
的影响，实现频谱资源的有效利用，在无线通信和目标感知的功能间灵活切换，大幅提升通
信能效以及雷达的分辨率。
[0005] 技术方案：一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的发送方法，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测；通信和感知使用相同的频谱
资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一体化；其中，卫
星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，所述
电磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知
过程，所述电磁波传播统计状态信息是目标的到达角；根据所述电磁波传播统计状态信息，
卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信
号；在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间
的所述电磁波传播统计状态信息的变化，更新所述通信感知一体化预编码。
[0006] 有益效果：本发明的卫星大规模MIMO通信感知一体化方法具有如下优点：
[0007] (1)在本发明中，对考虑波束斜视的电磁波传播统计特性进行建模，建立了波束斜视的程度和系统相关参数之间的关系；
[0008] (2)在本发明中，该系统的发射机可以同时执行通信和感知功能，引入加权系数来调整两个功能模块的权重，以权衡通信能效和雷达波束模式估计准确性；
[0009] (3)在本发明中，设计了一种混合预编码方法，以缓解波束斜视效应，并增强通信的能效性能和雷达感知的分辨率。
附图说明
[0010] 图1为卫星大规模MIMO通信感知一体化系统示意图；
[0011] 图2为卫星端大规模天线阵列配置示意图。
具体实施方式
[0012] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0013] 一种卫星大规模MIMO通信感知一体化的方法，卫星端配备大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列，同时服务于多个用户，并对多个目标进行检测，如图1所示。通信和感知使
用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射一个信号以通信或感知为主实施通信感知一
体化。其中，通信过程包括信道估计和数据传输；感知过程包括雷达目标搜索和波束赋形。
卫星端依据收到的上行和下行导频信号估计电磁波传播统计状态信息，对于通信过程，电
磁波传播统计状态信息是卫星端和用户终端之间的信道增益与信道方向矢量，对于感知过
程，电磁波传播统计状态信息是目标的到达角。
[0014] 根据电磁波传播统计状态信息，卫星端采用通信感知一体化预编码发射对检测目标的定向波束和对各用户终端的下行信号，通信感知一体化预编码为基于能效最大化原则
和凸优化算法的的混合预编码方案。大规模MIMO天线阵列的每个天线单元独立发送信号，
并采用全数字或模拟或混合的传输方式。通过发送一个信号同时实施通信和感知过程中，
引入权重系数来权衡通信和感知的性能，以实现无线通信和目标感知功能的灵活切换。在
卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间的所述
电磁波传播统计状态信息的变化，更新通信感知一体化预编码。
[0015] 具体的，如图2所示，卫星端配备大规模MIMO天线阵列，包含数百个以上的天线单元，每个天线单元可采用单极化或多极化天线；阵列结构为均匀面阵，其中x和y方向的天线
数分别为 和 则总天线数为 天线间隔为r，并采用混合模拟/数字发射
机，服务于K个单天线用户，每个用户终端均采用全数字接收机，同时对多个目标进行检测，
发射机所需射频链的数量为Mt，K≤Mt≤Nt。
[0016] 考虑到宽带大规模MIMO低轨卫星系统的频率选择性，采用正交频分复用(OFDM)方案来减小码间干扰，即在信号带宽Bw上共采用M个子载波，则子载波间隔为ΔB＝Bw/M。于是，
第m个子载波的频率为
[0017]
[0018] 1.通信模块
[0019] (1)对考虑波束斜视情况下的多径信道传播的统计特性进行建模
[0020] 注意到卫星高度远高于地面用户终端周围的散射体，若对第k个用户，共有Lk条传播路径，设各传播路径具有相同的到达角 其中， 和 分别表示x和y方向上
的到达角。若第l条路径上的传播时延为τk,l，则其与天线阵列第(nx,ny)个元素之间的总时
延 为
[0021]
[0022] 式中第二项为对于第k个用户，天线阵列的第(1,1)个元素到第(nx,ny)个元素的之间的时延，即
[0023]
[0024] 式中 分别表示x和y方向上的天线单元编号，c表示光速。
[0025] 设第k个用户的第l条路径的信道增益为αk,l，多普勒增益为νk,l，则第k个用户和低轨卫星端天线阵列第(nx,ny)个元素之间在时间为t，频率为f时的下行信道空频响应
为
[0026]
[0027] 其中，exp{·}表示指数操作符， fc表示载波频率。对上式重排并进行向量化处理，采用时间和频率同步后得到基带下行信道空频响应矢量
[0028] hk(t,f)＝vk(f)gk(t,f)， (5)
[0029] 其中信道增益gk(t,f)服从参数为莱斯参数κk的莱斯分布，且其能量满足其中γk是卫星和第k个用户之间的信道能量， 表示求期望操作符，
vk(f)为阵列响应矢量，且有
[0030]
[0031] 其中 表示m×n维子空间， 表示Kronecker积；对于
[0032]
[0033] 式中， 上标T为转置操作符。v(f,θk)表示和频率与到达角相关的阵列响应。
[0034] 为表述方便，考虑每个相干时间间隔，省略时间参数t。此外，在频率为fm的第m个子载波处，令 于是，相应的信道响应矢
量可表示为
[0035] hk[m]＝vk[m]gk[m]. (8)
[0036] (2)考虑下行信道传输信号
[0037] 在第m个子载波处，数据矢量为 其中，sk[m]是对第k个用户的传输符号，则信号传输矢量为 其中B[m]为混合预编
码矩阵，包括恒模射频预编码器 和基带预编码器
其中，wk[m]是对第k个用户的基带预编码矢量，则
有 其中， 是
对第k个用户的预编码矢量。
[0038] 卫星与第k个用户之间的信噪比SINR、速率Rk和能效EE分别定义为
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 式中， 为总发射功率，其中，1/ξ为放大器的有效性，Pt为静态功耗，||·||2表示向量2范数，N0表示噪声功率，bl[m]是对第l个用户的预编码矢量，
上标H为矩阵操作符。SINRk[m]表示第k个用户在第m个子载波处的信噪比，Rk[m]表示第k个
用户在第m个子载波处的速率。
[0043] 2.感知模块
[0044] 考虑和混合预编码架构进行联合设计的子阵列MIMO雷达，在第m个子载波处，其发送的全向波束模式为
[0045]
[0046] 其中， 表示到达角为θ的阵列响应矢量，v(fm,θ)表示和频率与到x y x y
达角相关的阵列响应，θ＝(θ,θ)表示到达角，θ和θ分别表示x和y方向上的到达角，自相
关矩阵X[m]定义为
[0047]
[0048] 假设有Pr≤K个检测目标，则最优的子阵列雷达预编码器可以表示为
[0049]
[0050] 式中， 表示vp[m]中对应位置的元素，blkdiag{·}表示块对角阵，p∈{1,2,...,Pr}，vp[m]表示和频率与到达角相关的阵列响应，Pr表示目标数。
[0051] 3.波束斜视感知的混合预编码器设计
[0052] 对于宽带下行卫星大规模MIMO通信感知一体化系统设计一种波束斜视感知的混合预编码器，在寻求通信的能效最大化的同时保证雷达感知性能，考虑如下优化问题
[0053]
[0054] 其中，P表示功率预算，U[m]为在第m个子载波处引入的辅助酉矩阵，使得最优雷达预编码器的维数与混合预编码器的维数相匹配，注意到该操作不影响雷达的波束模式，ε为
数字/模拟混合预编码器与雷达预编码器(带旋转)的欧氏距离公差项， 为Pr×Pr阶的单
位阵，||·||F表示矩阵F范数。此外， 为模拟预编码器所需要满足的约束，具体
而言， 分别为采用全连接和部分连接结构模拟预编码器满足的约束条件，即
[0055]
[0056]
[0057] 式中，Ng＝Nt/Mt表示组数。
[0058] 步骤1：对于优化问题 将模拟预编码器和数字预编码器的乘积视作一个整体，并暂时不考虑无关约束，得到全数字预编码问题
[0059]
[0060] 步骤2：由于较难估计Rk[m]的准确值，考虑波传播统计特性，采用其紧上界作为替代，即
[0061]
[0062] 步骤3：令 为所有子载波预编码矩阵的集合，采用Dinkelbach算法将问题 转化为一系列子问题 即
[0063]
[0064] 其中，辅助变量η(i)满足
[0065]
[0066] 步骤4：考虑第i个子问题，为表示方便，下述省略编号i，令bk[m]＝bk,m，vk[m]＝vk,m，则问题 可以表示为
[0067]
[0068] 步骤5：引入辅助变量 采用拉格朗日对偶转化，则上述问题变为
[0069]
[0070] 注意到，固定 时， 对变量λk,m为一凹函数，可令 得到
[0071]
[0072] 步骤6：引入辅助变量 利用二次变换，将问题 转化为
[0073]
[0074] 其中，
[0075]
[0076] 令 可得
[0077]
[0078] 步骤7：注意到当(η,λ,ρ)固定时，问题 的目标函数对于变量bk,m来说是凸的，可采用拉格朗日算子法求解，具体来说，引入拉格朗日乘子t，则问题 的拉格朗日函数可以
表示为
[0079]
[0080] 由KKT条件，可得
[0081]
[0082]
[0083] 步骤8：对于第m个子载波，在得到等效的全数字预编码矩阵Bcom[m]后，引入权重系数ζ来权衡通信和感知模块的性能，对应的加权和最小问题为
[0084]
[0085] 其中ζ表示权重。对于任意子载波m，迭代求解可得模拟和数字预编码矢量，下述省略标号m。
[0086] 步骤9：对于全连接结构的模拟预编码器，
[0087] A1：对于固定的V,W，问题 转化为
[0088]
[0089] 采用奇异值分解法可以得到上述问题的解，即
[0090]
[0091] 其中，Q和R是对 进行奇异值分解之后的结果，即 其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵， 为一稀疏矩阵。
[0092] A2：对于固定的V,U，问题 转化为
[0093]
[0094] 注意到，对于问题 其目标函数表示为两个F范数的加权和，令辅助矩阵H
容易推出，A A
H
＝VV，于是问题 可以转化为
[0095]
[0096] 则数字预编码器W可以进行如下更新，
[0097] W＝(AHA)‑1 AHC＝(VHV)‑1 AHC, (36)
[0098]
[0099] A3：令 为辅助矩阵，对于固定的W,U，问题 转化为
[0100]H
[0101] 令辅助矩阵Y＝GG ，其最大特征值为λmax(Y)，则问题的 解为
[0102]
[0103] 其中， 为辅助矩阵，∠为取角度操作符。
[0104] 重复过程①‑③至目标函数f收敛。
[0105] 步骤10：对于部分连接结构的模拟预编码器，其第(i,j)个元素其中 为取上界操作符，φi,j为矩阵中第(i,j)个元素
的角度，该模拟预编码矩阵满足
[0106] B1：对于固定的V,W，问题 转化为
[0107]
[0108] 采用奇异值分解法可以得到上述问题的解，即
[0109]
[0110] 其中，Q和R是对 进行奇异值分解之后的结果，即 其中Q和R为酉矩阵，Σ为对角阵， 为一稀疏矩阵。
[0111] B2：令 为辅助矩阵，对于固定的V,U，问题 可以转化为
[0112]
[0113] 则数字预编码器W可以进行如下更新，
[0114]
[0115] B3：令辅助矩阵 其中[·]i,:表示矩阵的第i行，[·]j,:表示矩阵的第j行，对于固定的W,U，问题 转化为
[0116]
[0117] 可以将该问题的解表示为
[0118]
[0119] 重复过程B1‑B3至目标函数f收敛。
[0120] 在卫星和各用户终端以及目标的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端以及目标间波传播统计特性的变化，动态地实施前述通信感知一体化混合预编码过程，形成更新
后的通信感知一体化混合预编码方法。
[0121] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。
