一种通信下行波束赋形方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种通信下行波束赋形方法。


背景技术：

2.随着无线移动设备的爆炸性增长以及其他射频应用的迅速扩张，无线电频谱拥挤现象愈发加剧，无线通信与雷达感知所使用频段逐渐重合。为了更加高效的利用无线频谱资源，通信与雷达频谱共存(crc，communication-radar coexistence，即通信与雷达系统在同一频段共存并同时运行)正在成为研究热点。现有的基于认知无线电的频谱共存技术仅适用于通信系统间频谱共存场景，不能有效解决通信雷达共存问题；其他考虑通信雷达共存场景的研究工作则主要聚焦重新设计雷达或通信发射波形，以达到通信与雷达的性能权衡，但鲜有对通信系统进行最优波束赋形设计，使通信系统不干扰雷达系统正常工作且使通信系和速率达到最优的方法。


技术实现要素：

3.本发明提供一种通信下行波束赋形方法，解决现有方法不适应通信系统间频谱共存的问题。
4.为解决上述问题，本发明是这样实现的：
5.发明实施例提供一种通信下行波束赋形方法，包含以下步骤：信道状态估计和系统天线配置信息获取，得到第一与第二无线系统间信道矩阵g0，第一无线系统通信基站发射天线个数n
t
，第一无线系统通信用户总数k，第一无线系统基站与通信用户之间的信道矩阵第一无线系统第k个通信用户的接收天线总数n
rk
，第二无线系统接收天线总数mr，第二无线系统发射天线总数m
t
。
6.根据g0对每个通信用户计算对应的等效信道矩阵，再对所述等效信道矩阵中进行奇异值分解，根据通信需求选取主导子信道选择矩阵，再计算每个通信用户的主导子信道矩阵。
7.对所述主导子信道矩阵计算零空间矩阵得到中间零空间矩阵。
8.针对第一无线系统的每一通信用户，根据所述中间零空间矩阵，计算通信传输矢量矩阵。
9.根据第一无线系统的最优功率分配矩阵和所述通信传输矢量矩阵，确定最优波束赋形矩阵。
10.优选地，所述第一无线系统的通信用户总数满足k≤n
t-mr。
11.优选地，所述计算每个通信用户的主导子信道矩阵的步骤，进一步包含：对g0进行奇异值分解，后n
t-l0个右奇异值向量确定为所述第一无线系统与第二无线系统间信道的零空间矩阵，其中l0为矩阵g0的秩；对每一个通信用户计算等效信道矩阵；对所述等效信道矩阵进行奇异值分解，根据通信需求设定拟选择的通信用户的主导子信道数目mk，将奇异值分解矩阵的前mk列确定为所述主导子信道选择矩阵；根据所述主导子信道选择矩阵和等效
信道矩阵，计算所述主导子信道矩阵。
12.优选地，所述计算通信传输矢量矩阵的步骤进一步包含：对第一无线系统的每一个通信用户，根据所述中间零空间矩阵，计算通信主导子信道的等效信道矩阵；对矩阵进行奇异值分解，得到第一右奇异值向量；根据所述第一右奇异值向量和中间零空间矩阵，计算所述通信传输矢量矩阵。
13.进一步地，若所述第一无线系统的通信用户总数满足第一预设条件，所述方法还包含：在所有通信用户组成的集合中，获得一个提供最大和速率的用户子集，，满足k
*
≤n
t-mr，对所述用户子集进行信道状态估计和系统天线配置信息获取用以计算通信传输矢量矩阵，其中，k
*
为所述用户子集包含的通信用户总数。
14.进一步地，若所述第一无线系统的通信用户总数满足第二预设条件，所述方法还包含：对每一通信用户构造信道中间矩阵和计算对应的第一中间零空间矩阵，用所述第一中间零空间矩阵代替所述中间零空间矩阵，计算最终的通信传输矢量矩阵。
15.进一步地，所述第一无线系统为通信系统，所述第二无线系统为mimo雷达系统。
16.优选地，所述第一预设条件为：k＞n
t-mr。
17.优选地，所述第二预设条件为：
18.优选地，所述信道中间矩阵由第一与第二无线系统间信道矩阵g0和第一无线系统基站与通信用户之间的信道矩阵组成。
19.本发明有益效果包括：本发明提供一种在通信雷达频谱共存场景下的通信系统波束赋形方法，以及两种适配更高和更少数目通信用户的改进方法，和根据通信用户数目多寡的判决条件及方法选择策略。本发明有效地解决了通信与雷达系统频谱共存问题，通信与雷达系统间干扰消除、通信用户间干扰抑制，以及通信系统和速率最优化设计，本发明所提出的波束赋形方法计算复杂度低，能够简化发射机和接收器结构，具有较高的工程应用价值。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1为一种mimo通信系统与mimo雷达系统频谱共存场景实施例；
22.图2为本发明方法流程实施例；
23.图3为可用于大量通信用户的本发明方法流程实施例；
24.图4为可用于少量通信用户的本发明方法流程实施例；
25.图5为波束赋形选择策略实施例。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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。
27.本发明的创新点在于：本发明采用块对角矩阵构造、通信主导子信道选择等设计思路，提出了一种通信系统下行波束赋形方法，以消除通信与雷达系统间干扰、抑制通信用户间干扰，并在满足通信系统发射功率限制的条件下，最大化通信系统和速率。本发明还设计了两种适配不同通信用户数目的通信波束赋形改进方法，并提出了一套根据通信用户数目多寡以选择不同波束赋形方法的门限条件及选择策略，能够根据业务需求，灵活选择使用不同的波束赋型方法，有效服务不同通信用户密度的通信雷达共存场景。
28.以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
29.图1为一种mimo通信系统与mimo雷达系统频谱共存场景实施例，提供了一种本发明方法适用的通信和雷达频谱共存场景。
30.在本发明实例中，包括一个mimo通信系统，即第一无线系统：具体含有一个具备装有n
t
个发射天线的通信基站，k个装有n
rk
(k＝1,
…
,k)个接收天线的通信用户。
31.还包括一个mimo雷达系统，即第二无线系统：含有装有m
t
个发射天线和mr个接收天线的mimo雷达正在检测远场中的点目标。
32.本发明所考虑的是通信系统与雷达系统频谱共存场景(使用雷达频段)，雷达系统具有更高优先级，即通信系统不能对雷达系统造成任何干扰。
33.考虑到该场景的信道情况，利用表示通信基站与mimo雷达之间的信道矩阵，表示通信基站与第k个用户之间的信道矩阵，表示mimo雷达与第k个用户之间的信道矩阵，表示信道矩阵的集合。
34.考虑通信用户处的信号接收情况，通信用户受到用户间干扰和雷达系统对通信用户的干扰。假设通信和雷达系统具有相同的符号率，并且在采样时间方面是同步的。第k个通信用户处的信干扰比(sinr)表示为
[0035][0036]
其中，θk为第k个通信用户处的信干扰比。
[0037]
w＝[w1,w2,
…
,wk]是拟设计的通信下行波束赋形矩阵，即最优波束赋形矩阵，w1,w2,
…
,wk分别为第1，2，
……
，k个通信用户的最优波束赋形矩阵，为矩阵wk的转置。
[0038]
mk(k＝1,
…
,k)是mk×nrk
维度的第k个通信用户的主导子信道选择矩阵，用来选取信道hk的前mk个主导子信道(0≤mk≤n
rk
)，mk为拟选择的通信用户的主导子信道数目，为矩阵mk的转置。
[0039]
是高斯白噪声，是第k个通信用户处的高斯白噪声方差。pr是第二无线系统发射功率大小，此处为雷达信号的功率大小。i、j分别为序号通信用户第一、第二序号。
[0040]
此处可根据对信道(即雷达杂波干扰)的估计结果进行判定：若中元素服从高斯分布，则将与建模为的高斯混合噪声，执行图2实施例的所述方法，其中i为单位矩阵；若中元素不服从高斯分布，则可将建模到信道中间矩阵中(如图3实施例中的步骤301)，再执行所图2实施例提出的所述方法。
[0041]
在本发明中所述方法中，均假设将与建模为的高斯混合噪声的情况。
[0042]
通信系统的和速率可表示为
[0043]
本发明所提出的通信系统下行波束赋形方法，以最大化通信系统和速率为优化目标，数学表示为：
[0044][0045]
并有三个约束条件，分别为：即将通信系统对雷达系统的干扰功率置为零；即将经过主导子信道选择后的通信用户间干扰置为零，采用块对角矩阵构造、通信主导子信道选择等设计思路；即通信系统分配给k个通信用户的总发射功率不超过其发射功率门限值p
total
，其中pk为通信系统分配给第k个通信用户的发射功率。
[0046]
值得说明的是，约束条件1和2中置零的设定，在实际工程实现上可以近似为零。
[0047]
本发明实施例提出了一种可用于通信系统和雷达系统频谱共存场景的波束赋形方法设计思路和约束条件，采用块对角矩阵构造、通信主导子信道选择的方法可以得到通信系统的和速率最优解，从而解决了通信与雷达系统频谱共存问题，通信与雷达系统间干扰消除、通信用户间干扰抑制，以及通信系统和速率最优化设计。
[0048]
图2为本发明方法流程实施例，可用于频谱共存场景，作为本发明实施例，一种通信下行波束赋形方法，具体包含以下步骤101～105：
[0049]
步骤101、信道状态估计和系统天线配置信息获取。
[0050]
在步骤101中，得到第一与第二无线系统间信道矩阵g0，第一无线系统通信基站发射天线个数n
t
，第一无线系统通信用户总数k，第一无线系统基站与通信用户之间的信道矩阵第一无线系统第k个通信用户的接收天线总数n
rk
，第二无线系统接收天线总数mr，第二无线系统发射天线总数m
t
。
[0051]
在本发明实施例中，所述第一无线系统为通信系统，所述第二无线系统为雷达系统。
[0052]
需说明的是，所述第一无线系统和第二无线系统可均为通信系统或雷达系统，需满足第一无线系统和第二无线系统频谱共用，本发明对第一和第二无线系统的具体形式不做具体限定。
[0053]
在步骤101中，利用常用的信道估计方法(本发明不作限定)，可对g0、进行估计，封装成信道状态信息集；通过通信与雷达系统间交互，在通信系统侧获得通信基站天线数目n
t
、mimo雷达系统天线数目m
t
×
mr、通信用户数目k及其天线数目等信息。
[0054]
步骤102、根据g0计算第一无线系统与第二无线系统间信道的零空间矩阵，对每个通信用户先计算对应的等效信道矩阵，再根据获得的主导子信道选择矩阵，得到每个通信
用户的主导子信道矩阵。
[0055]
在步骤102中，计算获得通信与雷达系统间信道的零空间矩阵，利用该零空间矩阵，针对每个通信用户，计算获得其等效信道矩阵；利用该等效信道矩阵，计算其主导子信道选择矩阵，并计算获得每个通信用户的主导子信道矩阵。
[0056]
优选地，步骤102，具体可包含以下步骤102a～102d：
[0057]
步骤102a、对g0进行奇异值分解，后n
t-l0个右奇异值向量确定为所述第一无线系统与第二无线系统间信道的零空间矩阵，其中l0为矩阵g0的秩。
[0058]
在步骤102a中，一种计算所述第一无线系统与第二无线系统间信道的零空间矩阵方法为：
[0059]
计算矩阵g0的秩为l0，对g0进行奇异值分解，即
[0060][0061]
其中，u0为第二酉矩阵，与g0维度相同，∑0为与g0行数和列数均维度相同第二对角矩阵，为矩阵g0的前l0个右奇异值向量，是由后n
t-l0个右奇异值向量组成的所述零空间矩阵。
[0062]
步骤102b、对每一个通信用户计算等效信道矩阵：
[0063][0064]
其中，为第k个通信用户对应的所述等效信道矩阵，为所述第一无线系统与第二无线系统间信道的零空间矩阵，k第一无线系统的通信用户序号，1≤k≤k。
[0065]
步骤102c、对所述等效信道矩阵进行奇异值分解，根据通信需求设定拟选择的通信用户的主导子信道数目mk，将奇异值分解矩阵的前mk列确定为所述主导子信道选择矩阵。
[0066]
在步骤102c中，对每一个通信用户k，获得其通信主导子信道选择矩阵，一种计算方法为：
[0067]
计算矩阵的秩为对等效信道矩阵做奇异值分解，即：
[0068][0069]
其中，为第三酉矩阵，与维度相同，为与行数维度与列数维度均相同的第三对角矩阵，为矩阵的前个右奇异值向量，由后个右奇异值向量组成的所述零空间矩阵。
[0070]
设定拟选择的通信用户k的主导子信道数目mk，mk满足1≤mk≤n
rk
，且可根据各用户通信子信道质量以及通信需求，灵活设置调整，利用的前mk列构造矩阵mk，mk为第k个通信用户的所述主导子信道选择矩阵。
[0071]
在步骤102c中，根据通信需求选择mk的方式。
[0072]
例如，可根据通信用户数量来灵活选择mk：当通信用户数量较少时，选择mk＝n
rk
。再例如，当通信用户数量较多时，选择mk＝0.5n
rk
或更小值。
[0073]
再例如，可根据不同通信用户k的信道质量的优劣(等价于子信道特征值的大小)来灵活选择mk：当通信用户信道质量好时，可选择mk＝n
rk
；当通信用户信道质量差时，可选
择mk＝0.5n
rk
或更小值；且每个通信用户k可选择不同的mk值。
[0074]
再例如，可根据不同通信用户k所需的速率需求的高低来灵活选择mk：当通信用户k需要较高通信速率时(例如手机终端用户)，可选择mk＝n
rk
；当通信用户仅需较低通信速率时(例如物联网设备用户)，可选择mk＝0.5n
rk
或更小值。
[0075]
需要说明的是，mk可以是大于等于1且小于等于n
rk
的任意值。
[0076]
步骤102d、根据所述主导子信道选择矩阵和等效信道矩阵，计算所述主导子信道矩阵：
[0077][0078]
其中，为第k个通信用户的所述主导子信道矩阵。
[0079]
步骤103、对所述主导子信道矩阵，经主导子信道选择后得到通信主导子信道中间矩阵，再进行奇异值分解，将后n
t-lk个右奇异值向量确定为中间零空间矩阵。
[0080]
在步骤103中，lk为第k个通信用户的通信主导子信道中间矩阵的秩。
[0081]
优选地，步骤103进一步包含以下步骤103a～103b：
[0082]
步骤103a、对每一个通信用户k，获得其经过主导子信道选择后的通信信道中间矩阵即：
[0083][0084]
步骤103b、获得矩阵的中间零空间矩阵一种计算方法为：令lk为矩阵的秩，对进行奇异值分解，即：
[0085][0086]
其中，为第四酉矩阵，与维度相同，为与行数维度与列数均维度相同的第四对角矩阵，是矩阵的前lk个右奇异值向量；是由矩阵的后n
t-lk个右奇异值向量组成的所述中间零空间矩阵。
[0087]
步骤104、针对第一无线系统的每一通信用户，根据所述中间零空间矩阵，计算通信主导子信道的等效信道矩阵，进行奇异值分解后，计算通信传输矢量矩阵。
[0088]
优选地，步骤104进一步包含以下步骤104a～104c：
[0089]
步骤104a、对第一无线系统的每一个通信用户，根据所述中间零空间矩阵，计算通信主导子信道的等效信道矩阵：
[0090][0091]
其中，为第k个通信用户的所述通信主导子信道的等效信道矩阵，hk为第一无线系统基站与第k个通信用户之间的信道矩阵，为所述中间零空间矩阵。
[0092]
步骤104b、对矩阵进行奇异值分解，得到第一右奇异值向量：
[0093][0094]
其中，为第一酉矩阵，与hk维度相同，为与hk行数维度与列数均维度相同的第
一对角矩阵，是的对角阵，为由前个右奇异值组成的所述第一右奇异值向量和，为由后个右奇异值值组成的第二右奇异值向量，为矩阵的秩。
[0095]
步骤104c、根据所述第一右奇异值向量和中间零空间矩阵，计算所述通信传输矢量矩阵：
[0096][0097]
其中，r为所述通信传输矢量矩阵。
[0098]
步骤105、根据第一无线系统的最优功率分配矩阵和所述通信传输矢量矩阵，确定最优波束赋形矩阵。
[0099]
在步骤105中，计算通信系统的最优功率分配矩阵，并利用通信传输矢量矩阵，计算获得通信系统的最优波束赋形矩阵，利用该最优波束赋形矩阵进行通信数据传输，实现信系统和速率的最大化。
[0100]
优选地，步骤105进一步包含以下步骤105a～105b：
[0101]
步骤105a、获得通信系统的最优功率分配矩阵p。
[0102]
在步骤105a中，p是一个对角矩阵，其对角元素pk(k＝1,
…
,k)的计算方法可以采用注水策略：
[0103][0104][0105]
其中，pk为分配给第k个通信用户的传输功率，μ为注水线系数。
[0106]
步骤105b、计算获得通信系统的最优波束赋形矩阵。
[0107]
所述最优波束赋形矩阵为：
[0108]
w＝rp
1/2
ꢀꢀ
(14)
[0109]
其中，w是所述最优波束赋形矩阵，r是公式11中所述通信传输矢量矩阵，p是所述最优功率分配矩阵。
[0110]
本发明实施例提出一种在通信雷达频谱共存场景下的通信系统下行波束赋形方法，能够使通信系统不对雷达系统造成任何干扰、且满足其自身发射功率限制的情况下，最大化通信系统的和速率。
[0111]
图3为可用于大量通信用户的本发明方法流程实施例，可用于通信用户数量显著增多的场景，作为本发明实施例，一种通信下行波束赋形方法，具体包含以下步骤201～205：
[0112]
步骤201、在所有通信用户组成的集合中，获得一个提供最大和速率的用户子集，满足k
*
≤n
t-mr，对所述用户子集进行信道状态估计和系统天线配置信息获取用以计算通信传输矢量矩阵，其中，k
*
为所述用户子集包含的通信用户总数。
[0113]
优选地，以下步骤201a～201d提供了一种构造最优通信用户子集的低复杂度算法：
[0114]
步骤201a、初始化用户集ω＝{1,2,
…
,k}和s，ω为所有通信用户组成的集合，s为空集，其最多可容纳k
*
个用户。
[0115]
步骤201b、执行步骤102a和102b，获得每一通信用户的矩阵
[0116]
步骤201c、计算获得吞吐量最大的单个用户s1，并将其添加到用户子集s中。
[0117]
一种计算方法为：
[0118][0119]
其中，s1为吞吐量最大的单个用户，det()表示矩阵行列式计算。
[0120]
使s＝s {s1}，ω＝ω-{s1}，记录
[0121][0122]
其中，c
temp
为当前累计和速率。
[0123]
步骤201d、迭代构造并获得用户子集s。
[0124]
计算方法为：遍历ω中的通信用户sk，令用户集，令用户集表示迭代用户集，sk表示第k个通信用户元素或标记，基于计算通信系统和速率；找到使通信系统和速率最大的用户集记录此时系统和速率ck以及选择的用户
[0125]
若或者s中用户数目大于k
*
，则步骤201d终止，转到步骤202；否则令ω＝ω-{sk}，s＝s {sk}，并重复执行步骤201d。
[0126]
步骤202、根据g0计算步骤201得到的所述用户子集与第二无线系统间信道的零空间矩阵，对每个通信用户先计算对应的等效信道矩阵，再根据获得的主导子信道选择矩阵，得到每个通信用户的主导子信道矩阵。
[0127]
步骤203、对所述主导子信道矩阵，经主导子信道选择后得到通信主导子信道中间矩阵，再进行奇异值分解，将后n
t-lk个右奇异值向量确定为中间零空间矩阵，其中lk为第k个通信用户的通信主导子信道中间矩阵的秩。
[0128]
步骤204、针对所述用户子集的每一通信用户，根据所述中间零空间矩阵，计算通信主导子信道的等效信道矩阵，进行奇异值分解后，计算通信传输矢量矩阵。
[0129]
步骤205、根据所述用户子集的最优功率分配矩阵和所述通信传输矢量矩阵，确定最优波束赋形矩阵。
[0130]
步骤202～205的具体方法与步骤102～105相同，这里不再赘述。
[0131]
图4为可用于少量通信用户的本发明方法流程实施例，可用于通信用户数量显著增多的场景，作为本发明实施例，一种通信下行波束赋形方法，具体包含以下步骤：
[0132]
步骤301、对每一通信用户构造信道中间矩阵和计算对应的第一中间零空间矩阵，用所述第一中间零空间矩阵代替所述中间零空间矩阵，计算最终的通信传输矢量矩阵。
[0133]
在步骤301中，所述信道中间矩阵由第一与第二无线系统间信道矩阵g0和第一无线系统基站与通信用户之间的信道矩阵组成：
[0134]
[0135]
其中，是第k个通信用户的所述信道中间矩阵。
[0136]
步骤304、针对第一无线系统的每一通信用户，根据所述第一中间零空间矩阵，计算通信主导子信道的等效信道矩阵，进行奇异值分解后，计算通信传输矢量矩阵。
[0137]
步骤305、根据第一无线系统的最优功率分配矩阵和所述通信传输矢量矩阵，确定最优波束赋形矩阵。
[0138]
步骤304和305与步骤104和105相同，这里不再赘述。
[0139]
图5为波束赋形选择策略实施例，用于根据通信用户总数确定波束赋形方法，作为本发明实施例，所述波束赋形选择策略具体包含以下步骤401～402：
[0140]
步骤401、信道状态估计和系统天线配置信息获取。
[0141]
步骤401与步骤101相同，这里不再赘述。
[0142]
步骤402、判断第一无线系统通信用户总数多寡以选择不同波束赋形策略。
[0143]
在步骤402中，若所述第一无线系统的通信用户总数满足k≤n
t-mr，则选择图2实施例中的通信波束赋形方法；若第一无线系统的通信用户总数满足第一预设条件，则选择图3实施例中的通信波束赋形方法；若第一无线系统的通信用户总数满足第二预设条件，则选择图4实施例中的通信波束赋形方法。
[0144]
优选地，所述第一预设条件为：k》n
t-mr。
[0145]
优选地，所述第二预设条件为：
[0146][0147]
本发明实施例提出了根据通信用户数目多寡以选择不同波束赋形方法的策略，能够根据通信需求，适配不同通信用户数目的通信波束赋形方法，有效服务不同通信用户密度的通信雷达共存场景。本发明实施例有效地解决了通信与雷达系统频谱共存问题，通信与雷达系统间干扰消除、通信用户间干扰抑制，以及通信系统和速率最优化设计，计算复杂度低，能够简化发射机和接收器结构，具有较高的工程应用价值。
[0148]
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0149]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。