5G-AeroMACS业务自适应通感波束功率联合分配方法

本发明属于航空移动通信、5g-aeromacs机场场面无线网络、无线通信与雷达感知一体化，具体涉及一种5g-aeromacs业务自适应通感波束功率联合分配方法，尤其涉及一种基于5g-aeromacs系统，在机场场面航空器运行环境下，对通信信号与雷达感知信号进行联合发送，并通过联合优化机场场面基站发射波束赋形、基站感知接收处理以及通信信号和感知信号的功率分配，实现机场场面通信性能与目标感知性能协同提升的方法。

背景技术：

1、随着航空运输需求增长，机场场面运行环境日益复杂，航空器、保障车辆、廊桥设备等在跑道、滑行道、机坪区域高密度运行，对通信、监视和安全保障提出更高要求。现有机场通常分别部署航空移动机场通信系统和场面监视系统：前者保障航空器与地面控制系统的数据通信，后者依赖场面监视雷达、广播式自动相关监视（ads-b）、场面多点定位等设备实现目标探测。两类系统分离部署，硬件平台、频谱资源、信号体制和网络架构相互独立，导致建设成本高、设备冗余大、维护复杂，且有限的频谱资源难以满足未来5g-aeromacs系统对高速通信与精确感知的综合需求。

2、在机场场面复杂电磁环境下，强视距传播、多径反射、建筑物/机体遮挡等导致无线链路面临覆盖盲区和稳定性下降问题。航空器需要高可靠通信接收控制指令和安全告警，同时系统还需对航空器、车辆、跑道异物等目标进行实时感知。如何在有限频谱资源下同时保证通信与感知性能成为关键。

3、通信感知一体化技术通过统一硬件、频谱和信号设计，使基站同时具备通信和雷达感知能力，有潜力解决分离部署的弊端。然而，现有方案在5g-aeromacs机场场面场景中存在不足：通信与感知信号叠加易产生功能间干扰；且航空器通常配置单天线，难以完成复杂的空间域干扰抑制，需将感知接收处理转移至配置多天线阵列的场面基站侧。

4、在此架构下，基站的发射波束赋形、感知接收处理以及通信/感知信号间的功率分配相互耦合，直接影响系统性能。功率分配可在时频资源上通过功率域叠加承载两类信号，提高频谱效率，但其与波束赋形及接收处理的联合优化问题具有非凸性，难以直接求解。此外，机场场面业务存在差异化优先级（如滑行指令、碰撞告警等高实时性业务），固定权重或固定功率分配策略无法适应业务负载、信道状态及目标风险等级的实时变化。

5、因此，亟需一种面向5g-aeromacs场面通感一体化场景的联合资源优化方法，并引入面向异构业务需求的动态调控机制，自适应调整通信与感知资源占比及优化权重，实现通信可靠性、感知精度与资源利用效率的动态平衡。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有机场场面通信系统与监视感知系统分离部署所导致的频谱利用率低、硬件冗余高、系统协同能力不足，以及现有aeromacs在机场场面复杂遮挡、高动态目标和强多径传播环境下存在电磁波绕射能力弱、传播损耗高、通信覆盖稳定性不足、难以兼顾航空器通信可靠性与目标感知性能的问题，提出一种5g-aeromacs业务自适应通感波束功率联合分配方法。

2、本发明公开了一种5g-aeromacs业务自适应通感波束功率联合分配方法，应用于机场场面通信感知一体化系统，所述系统包括一个配置多天线阵列的机场场面基站以及多个配置单天线的航空器，所述方法包括：

3、第一步，根据机场场面中每个航空器的通信业务类型、目标感知任务类型和碰撞风险等级，分别确定每个航空器的通信需求强度和感知需求强度，并据此动态调整通信性能权重、感知性能权重、每个航空器的最低通信速率门限以及每个航空器作为被感知目标时的最低感知信杂噪比门限；

4、第二步，以通信性能和感知性能的加权和最大化为目标，在机场场面基站总发射功率约束、每个航空器的最低通信速率约束、每个航空器作为被感知目标时的最低感知信杂噪比约束、通信信号与雷达感知信号的功率分配因子约束以及感知接收处理向量归一化约束下，联合优化机场场面基站面向每个航空器的发射波束赋形向量、机场场面基站针对每个航空器作为被感知目标时的感知接收处理向量、每个航空器对应通信信号的功率分配因子以及每个航空器对应雷达感知信号的功率分配因子；

5、第三步，采用交替优化框架对所述联合优化问题进行求解，在固定感知接收处理向量的条件下求解发射波束赋形向量和功率分配因子，在固定发射波束赋形向量和功率分配因子的条件下求解感知接收处理向量，通过交替迭代得到优化后的发射波束赋形向量、感知接收处理向量以及功率分配因子；

6、第四步，机场场面基站按照优化后的发射波束赋形向量和功率分配因子，在同一时频资源上向各航空器同时发送通信信号和雷达感知信号，并采用优化后的感知接收处理向量对由机场场面目标反射回来的感知回波信号进行处理。

7、可选地，所述通信需求强度根据每个航空器的业务优先级、业务时延敏感度、业务速率需求、业务丢包率敏感度和通信链路质量恶化程度加权确定；所述感知需求强度根据每个航空器的碰撞风险等级、运动状态变化强度、所在机场场面区域重要程度、感知精度需求和周围目标密集程度加权确定。

8、可选地，所述最低通信速率门限根据每个航空器的基础最低通信速率要求，结合该航空器的业务优先级、业务时延敏感度、业务丢包率敏感度和通信链路质量恶化程度进行动态上调或下调；所述最低感知信杂噪比门限根据每个航空器的基础最低感知信杂噪比要求，结合该航空器的碰撞风险等级、运动状态变化强度、所在区域重要程度、感知精度需求和周围目标密集程度进行动态上调或下调。

9、可选地，所述通信性能和感知性能的加权和中，通信性能采用各航空器的可达通信速率之和表示，感知性能采用各航空器作为被感知目标时对应的雷达感知信杂噪比之和表示；所述通信性能权重和感知性能权重由所述通信需求强度和感知需求强度确定，且二者之和为归一化值。

10、可选地，当通信需求强度大于感知需求强度时，提高通信性能权重并增大通信信号的功率分配范围，优先保障航空器下行通信可靠性；当感知需求强度大于通信需求强度时，提高感知性能权重并增大雷达感知信号的功率分配范围，优先保障机场场面目标探测性能。

11、可选地，在固定感知接收处理向量的条件下求解发射波束赋形向量和功率分配因子时，引入发射波束赋形协方差矩阵，将秩一约束转化为核范数与谱范数之差的惩罚项，并通过逐次凸近似进行迭代求解；在固定发射波束赋形向量和功率分配因子的条件下求解感知接收处理向量时，引入感知接收协方差矩阵，采用序贯秩一约束松弛方法进行迭代求解。

12、可选地，机场场面基站面向每个航空器的发射波束赋形向量、通信信号功率分配因子和雷达感知信号功率分配因子共同决定基站发射的一体化信号；其中，每个航空器对应的通信信号和雷达感知信号相互独立且功率归一化，通信信号用于向该航空器传输下行通信数据，雷达感知信号用于探测该航空器及其周围目标。

13、本发明的另一个方面，还公开了一种5g-aeromacs业务自适应通感波束功率联合分配系统，包括一个配置多天线阵列的机场场面基站和多个配置单天线的航空器；

14、所述机场场面基站包括：

15、动态调控模块，用于根据每个航空器的通信业务类型、目标感知任务类型和碰撞风险等级，分别确定每个航空器的通信需求强度和感知需求强度，并据此动态调整通信性能权重、感知性能权重、每个航空器的最低通信速率门限以及每个航空器作为被感知目标时的最低感知信杂噪比门限；

16、联合优化模块，用于以通信性能和感知性能的加权和最大化为目标，在机场场面基站总发射功率约束、每个航空器的最低通信速率约束、每个航空器作为被感知目标时的最低感知信杂噪比约束、通信信号与雷达感知信号的功率分配因子约束以及感知接收处理向量归一化约束下，联合优化机场场面基站面向每个航空器的发射波束赋形向量、机场场面基站针对每个航空器作为被感知目标时的感知接收处理向量、每个航空器对应通信信号的功率分配因子以及每个航空器对应雷达感知信号的功率分配因子；

17、信号发射模块，用于按照优化后的发射波束赋形向量和功率分配因子，在同一时频资源上向各航空器同时发送通信信号和雷达感知信号；

18、回波接收处理模块，用于接收由机场场面目标反射回来的感知回波信号，并采用优化后的感知接收处理向量对所述感知回波信号进行处理；

19、所述航空器用于通过单天线接收来自机场场面基站的通信信号并解调通信信息。

20、可选地，所述机场场面基站的多天线阵列为均匀线性天线阵列，该阵列的所有天线单元均作为通信信号和雷达感知信号的发射天线单元，同时用于接收所述感知回波信号。

21、可选地，所述联合优化模块采用交替优化框架进行求解：在固定感知接收处理向量的条件下求解发射波束赋形向量和功率分配因子，在固定发射波束赋形向量和功率分配因子的条件下求解感知接收处理向量，通过交替迭代直至目标函数收敛或达到预设最大迭代次数，输出优化后的发射波束赋形向量、感知接收处理向量和功率分配因子。

22、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

23、第一，本发明将5g-aeromacs机场场面通信功能和雷达感知功能集成于同一机场场面基站平台，并在同一频段、同一时频资源内完成通信信号和感知信号的联合传输，能够减少传统通信系统与监视雷达系统分离部署造成的频谱占用和硬件冗余，提高5g-aeromacs频谱资源利用效率。

24、第二，本发明采用航空器单天线、机场场面基站多天线的系统架构，避免在航空器端配置复杂多天线阵列，降低航空器端硬件复杂度、功耗和安装负担；同时，将感知回波的多天线接收和空间处理集中在5g-aeromacs机场场面基站侧实现，能够充分利用基站多天线阵列的空间自由度，提高目标探测和干扰抑制能力。

25、第三，本发明通过联合优化5g-aeromacs机场场面基站发射波束赋形、基站感知接收处理以及通信信号和感知信号的功率分配，能够在通信速率和雷达感知信杂噪比之间实现灵活折中，降低通信信号与感知信号之间的功能间干扰，从而同时提升航空器通信可靠性和机场场面目标感知精度。

26、第四，本发明针对5g-aeromacs通信感知一体化联合优化问题的非凸性和变量耦合特征，采用交替优化、惩罚函数、半定松弛、逐次凸近似以及序贯秩一约束松弛相结合的求解方法，将原本难以直接求解的问题转化为可迭代求解的凸优化子问题，提高了算法的可实现性和收敛稳定性。

27、第五，本发明适用于未来智能机场、高级场面活动引导与控制系统、航空移动机场通信系统以及5g-aeromacs无线网络增强部署场景，能够为机场场面航空器通信保障、目标探测、态势感知和碰撞风险预警提供一体化技术支撑，并服务于机场场面“机－车－场道－设施”安全高效协同运行。