一种感知、通信和传能一体化传输方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种感知、通信和传能一体化传输方法。


背景技术：

2.未来的第六代(6g)无线网络有望用于支持各种新兴的智能物联网(iot)应用，如智能家居、智能物流、工业自动化和智能医疗。为此，无线网络需要纳入数十亿低功耗物联网设备，并以可持续的方式支持其定位、传感、通信和控制功能。根据预计，6g网络需要提供分别为1 tbps和10-100 gbps的峰值速率和用户体验速率、1厘米的室内场景的定位精度和50厘米的室外场景的定位精度，传感设备的电池寿命应长达20年。
3.一方面，无线信息与能量同步传输(swipt)已经为大规模设备的可持续的能源供应及无电池物联网操作的实现提供了一种高效的解决方案。它将无线能量传输(wpt)和无线通信集成到一个统一的设计中，其中同一无线信号可以重复用于同时将信息和能量分别无线传输到信息解码(id)接收机和能量收集(eh)接收机。另一方面，传感与通信一体化(isac)将无线电传感与无线通信有效地结合，使得同一无线信号不仅可以用来传递信息，还可以根据回波信号对周围目标和环境进行感知。随着swipt和isac技术的进步，未来6g网络将集成它们，向新的多功能网络发展。通过重复利用无线信号，它可以同时为大规模物联网设备提供传感、通信和能量传输的功能。这种多功能无线网络有望显著提高当前稀缺的频谱资源和密集部署的基站(bs)设施的利用效率，为大规模低功耗物联网设备提供定位和无线充电功能，以支持新兴应用。
4.然而，由于传感、通信和能量传输系统的不同设计目标和设计原则，对于mimo雷达传感，为了达到最优性能，基于同一性样本相干矩阵的各向同性传输有利于利用波形分集来提高传感精度和分辨率；对于收发端均完全已知信道状态信息(csi)的点对点mimo通信，对mimo通信信道进行奇异值分解，并在分解的子信道上进行注水功率分配，可使mimo信道容量最大化；对于mimo wpt信道，基于该信道的最强本征模传输可以实现最大传输能量水平。将传感、通信、能量传输作为三个独立目标，其最优传输策略各有不同。如何将这三种不同的设计统一起来，找到多功能无线系统的最优传输策略，是一个重要而又困难的问题。
5.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种感知、通信和传能一体化传输方法，解决了现有技术难以将传感感知、通信和能量传输三者统一并实现最优传输策略的问题。
7.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种感知、通信和传能一体化传输方法，所述一体化传输方法包括：s1、基于isac和swipt技术进行传感感知、通信和能量传输一体化mimo系统的建
模；s2、对步骤s1中的信道进行估计，并构建传感感知、通信和能量传输三者之间性能权衡的优化问题；s3、对步骤s2中的优化问题进行求解，并刻画crb-速率-能量性能可达区域，即c-r-e区域；s4、根据传感感知、通信和能量传输三者不同的性能需求，找到c-r-e区域的帕累托边界上的不同crb-速率-能量对，求解出相应的传输协方差矩阵。
8.步骤s1包括的具体内容如下：一体化mimo系统包括一台混合接入点，表示为h-ap，一台能量收集接收机，表示为eh，一台信息解码接收机，表示为id，和一个待估计传感目标组成，多天线混合接入点发射无线电信号以实现同时与信息解码接收机通信，对能量收集接收机进行能量传输，并根据回波信息对待估计传感目标进行雷达传感；从点目标和扩展目标两个方面构建雷达传感目标模型，以及构建通信模型和无线功率传输模型，分别以基于传输协方差矩阵估计crb、可实现的数据速率和收集的能量水平作为指标。
9.所述混合接入点配备了一组均匀线性阵列的个发射天线和个用于传感的接收天线，能量收集接收机和信息解码接收机分别配备了和个接收天线；在准静态窄带信道模型中无线信道在由个符号组成的持续时间内保持不变，设置分别从混合接入点的发射机到能量收集接收机的信道矩阵，表示从混合接入点的发射机到信息解码接收机的信道矩阵，表示从混合接入点的发射机到传感目标再到混合接入点的接收机的目标响应矩阵；对于每个符号，设置表示混合接入点处的发射信号，在整个传输持续时间内的发射信号表示为 ，表示圆对称的复高斯随机向量，具有零均值和协方差矩阵；样本一致性矩阵近似为传输协方差矩阵，即，其中为待优化设计变量，设置混合接入点受限于最大功率预算，则有。
10.从点目标构建雷达传感目标模型包括：对于点目标，其目标响应矩阵为，其中，和分别表示发射阵列和接收阵列的导向向量，表示离开角或者到达角，表示复反射系数；目标类型为点目标时，混合接入点将和作为未知参数来估计，用来估计对应的crb表示为的函数，表达式为：
其中， 。
11.从扩展目标构建雷达传感目标模型包括：对于扩展目标，其目标响应矩阵为，其中q表示扩展目标处的散射体的数目，表示第个散射体的离开/到达角，表示第个散射体的复反射系数，其幅值为路径增益，其相位在中均匀随机分布；目标类型为扩展目标时，混合接入点将完整的目标响应矩阵作为未知参数来估计，设置，即混合接入点的接收天线个数不少于其发射天线个数，估计的fisher信息矩阵表示为，而对应的crb矩阵由表示，采用基于crb矩阵迹的标量crb度量作为性能度量，其表示为的函数为。
12.构建通信模型包括：考虑从混合接入点到信息解码接收机的点对点mimo通信，信息解码接收机在符号处的接受信号表示为，其中表示信息解码接收机处的加性高斯白噪声，是一个复高斯随机向量，具有零均值和协方差矩阵，在容量实现的高斯信号传输情况下达到的数据传输速率为。
13.构建无线功率传输模型包括：考虑从混合接入点到能量接收机的无线功率传输，能量接收机通过整流器将接收到的射频信号转换为直流信号以收集能量，由于接收到的直流功率是随着接收到的射频功率的增加而单调增加的，采用能量接收机接收到的射频功率作为性能度量，表示为的函数为。
14.步骤s2包括的具体内容如下：在准静态场景下，能量接收机和信息解码接收机通过利用混合接入点广播的下行链路导频信号估计与混合接入点之间的信道状态信息，并将信道状态信息反馈给混合接入点；设置crb-速率-能量区域，即mimo系统中所有同时实现的crb-速率-能量对的集合，表示为：
其中和分别对应于点目标和扩展目标的情况；构建传输协方差矩阵的优化问题：最大化信息解码接收机的数据传输速率，同时在混合接入点的最大发射功率约束下，满足目标传感的估计crb需求和eh接收机的能量收集需求。来分别对点目标和扩展目标的情况描述传感、通信和能量传输三者之间性能权衡，即c-r-e区域的帕累托边界。
15.在能量传输约束、crb约束和功率限制下分别对点目标和扩展目标的情况来描述传感、通信和能量传输三者之间性能权衡，得到帕累托边界，对于点目标和扩展目标帕累托边界点描述问题分别为：标帕累托边界点描述问题分别为：标帕累托边界点描述问题分别为：标帕累托边界点描述问题分别为：。
16.步骤s3包括的具体内容如下：利用标准cvx求解器对步骤s2中的两个凸的优化问题进行求解；构造仿真场景，在仿真场景中对c-r-e区域遍历所有的crb约束和能量收集约束，求解步骤s2所构造优化问题得到对应的最大传输速率，以及相应的传输协方差矩阵，来刻画所构造的crb-速率-能量性能可达区域，即c-r-e区域。
17.本发明具有以下优点：一种感知、通信和传能一体化传输方法，通过考虑了两种不同的雷达传感目标模型，即点目标和扩展目标。对于这两种目标模型，通过最大化id接收机的数据传输速率，同时在h-ap的最大发射功率约束下，满足目标传感的估计crb需求和eh接收机的能量收集需求，来描述crb-速率-能量(c-r-e)区域的帕累托边界。进而，在实际应用中，可以根据针对传感、通信和能量传输三者的不同性能需求，采用不同的传输策略，以满足6g物联网时代多样的应用需求。
附图说明
18.图1 为本发明的流程示意图；图2 为本发明的一体化mimo系统示意图；图3 为点目标情况下，仿真系统的c-r-e区域的pareto边界；图4 为扩展目标情况下，仿真系统的c-r-e区域的pareto边界。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的保护范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
20.如图1，本发明具体涉及一种感知、通信和传能一体化传输方法，目标是揭示传感、通信和能量传输三者之间的性能权衡，分别以估计cramer-rao界(crb)、可实现的数据速率和收集的能量水平为指标特别地，考虑了两种不同的雷达传感目标模型，即点目标和扩展目标。对于这两种目标模型，通过最大化id接收机的数据传输速率，同时在h-ap的最大发射功率约束下，满足目标传感的估计crb需求和eh接收机的能量收集需求，来描述crb-速率-能量(c-r-e)区域的帕累托边界。进而，在实际应用中，可以根据针对传感、通信和能量传输三者的不同性能需求，采用不同的传输策略，以满足6g物联网时代多样的应用需求；具体包括以下内容：s1、基于isac和swipt技术进行传感感知、通信和能量传输一体化mimo系统的建模；如图2所示，一体化mimo（多入多出）系统包括一台混合接入点（h-ap），一台能量收集（eh）接收机，一台信息解码（id）接收机，和一个待估计传感目标组成，多天线混合接入点发射无线电信号以实现同时与信息解码接收机通信，对能量收集接收机进行能量传输，并根据回波信息对待估计传感目标进行雷达传感；从点目标和扩展目标两个方面构建雷达传感目标模型，以及构建通信模型和无线功率传输模型，分别以基于传输协方差矩阵估计crb、可实现的数据速率和收集的能量水平作为指标。
21.进一步地，混合接入点配备了一组均匀线性阵列（ula）的个发射天线和个用于传感的接收天线，s为感知sensing的缩写，能量收集接收机和信息解码接收机分别配备了和个接收天线；在准静态窄带信道模型中无线信道在由个符号组成的持续时间内保持不变，其中，足够大；设置分别从混合接入点的发射机到能量收集接收机的信道矩阵，表示从混合接入点的发射机到信息解码接收机的信道矩阵，表示从混合接入点的发射机到传感目标再到混合接入点的接收机的目标响应矩阵；为了便于传输优化，假设和在h-ap是完全已知的, 在id接收机是完全已知的。
22.对于每个符号，设置表示混合接入点处的发射信号，在整个传输持续时间内的发射信号表示为 ，表示m
×
l的复数空间矩阵，为了便于数据传输，设置表示圆对称的复高斯随机向量，具有零均值和协方差矩阵；
因为被设置为足够大，样本一致性矩阵近似为传输协方差矩阵，即，其中为待优化设计变量，设置h-ap受限于最大功率预算，则有，tr表示矩阵的迹。
23.a. 雷达传感目标模型：首先，针对两种不同类型的雷达传感目标模型，即点目标模型和扩展目标模型。h-ap接收机接收到的回波信号可以表示为：其中表示h-ap接收机处的加性高斯白噪声（awgn），它是一个cscg随机矩阵， 表示的复数空间矩阵，每个元素都是独立同分布的，具有零均值和方差。传感的目的是从接收到的回波信号中估计，其中发射信号在h-ap处是已知的。特别地，考虑两种不同类型的传感目标，即点目标和扩展目标，分别如下所述：对于点目标，其目标响应矩阵为：其中，和分别表示发射阵列和接收阵列的导向向量， 表示的转置，表示离开角或者到达角，表示复反射系数。
24.对于点目标情况，h-ap旨在将和作为未知参数来估计。而相应的用来估计对应的crb表示为的函数，具体表达式为：其中， 表示的共轭转置。在接下来的讨论中，为了符号表示上的方便，本发明定义和。
25.对于扩展目标，其目标响应矩阵为：其中q表示扩展目标处的散射体的数目，表示第个散射体的离开/到达角，表示第个散射体的复反射系数，其幅值为路径增益，其相位在中均匀随机分布。
26.对于扩展的目标情况，h-ap旨在将完整的目标响应矩阵作为未知参数来估计。在这种情况下，本发明假设，即h-ap的接收天线个数不少于其发射天线个数，以避免
估计目标信息的丢失。用来估计的fisher信息矩阵(fim)表示为，而对应的crb矩阵由表示，*表示共轭，表示维度为的单位矩阵。为了保证整个矩阵的估计性能，本发明采用基于crb矩阵迹的标量crb度量作为性能度量，其可以表示为以下的函数：b. 通信模型：接下来，本发明考虑从h-ap到id接收机的点对点（p2p）mimo通信。id接收机在符号处的接受信号可以表示为：其中表示id接收机处的awgn，它是一个cscg随机向量，表示的复数空间矩阵，具有零均值和协方差矩阵。在容量实现的高斯信号传输情况下，其可达到的数据传输速率（单位为bps/hz）为：其中，det表示行列式；c. 无线功率传输模型：此外，本发明考虑从h-ap到eh接收器的无线功率传输（wpt）。其中，eh接收机使用整流器将接收到的射频信号转换为直流（dc）信号以收集能量。由于接收到的直流功率一般是随着接收到的射频功率的增加而单调增加的，本发明采用eh接收机接收到的射频功率(单位时间内的能量，单位为瓦特)作为性能度量，其可以表示为以下的函数：其中，表示l的期望。
27.s2、信道估计及传感、通信和能量传输三者之间性能权衡的优化问题构建；考虑无线信道在一段时间内保持不变的准静态场景，假定eh接收机和id接收机都可以通过利用h-ap事先广播的下行链路导频信号，完美估计其与h-ap之间的信道状态信息，然后将这些本地信道状态信息反馈给h-ap。即，和在h-ap是完全已知的, 在id接收机是完全已知的。
28.本发明旨在通过描述c-r-e区域，来揭示估计crb，可达速率和接收能量三者之间的性能权衡。c-r-e区域被定义为多功能mimo系统中所有可同时实现的crb-速率-能量对，其可以表示为：
其中和分别对应于点目标和扩展目标的情况。
29.为了描述整个c-r-e区域，本发明通过在以下(p1)、(p2)两个问题中，分别对点目标和扩展目标，在能量传输约束、crb约束和功率限制下，最大化传输速率，来找到帕累托边界。对于点目标和扩展目标情况，帕累托边界点描述问题可以写作：到帕累托边界。对于点目标和扩展目标情况，帕累托边界点描述问题可以写作：和和其中为了符号表示上的方便，本发明省略了常系数和。
30.s3、对上述优化问题的求解，以及最优性能权衡区域的刻画；这两个问题都是凸的，因此可以通过使用matlab等软件中的标准cvx求解器来高效求解。
31.令表示问题在约束和下的最优值，对于点目标和扩展目标情况，传感、通信和能量传输的最优性能权衡区域，即c-r-e区域的帕累托边界，可以分别表示为。
32.s4、最优性能权衡区域在实际mimo系统中的应用：根据传感感知、通信和能量传输三者不同的性能需求，找到c-r-e区域的帕累托边界上的不同crb-速率-能量对，求解出相应的传输协方差矩阵；在不同的实际mimo系统中，可以根据针对传感、通信和能量传输三者的不同性能需求，找到c-r-e区域的帕累托边界上的不同crb-速率-能量对，以及求解出相应的传输协方差矩阵。通过采用不同的传输策略，以满足6g物联网时代多样的应用需求。
33.进一步地，本发明考虑一个仿真场景，其中参数为学界常用设定。将传输持续时间设为个符号。h-ap配备了数量为和的发射和接收天线，其中相邻天线之间的间距为半波长。对于传感信道，本发明假设由天线阵列导向矢量和
组成，其中。此外，id接收机和eh接收机分别配备数量为和的接收天线。假设id信道和eh信道都存在瑞利衰落，使得和为具有零均值和单位方差的cscg随机矩阵。同时，本发明将传感接收机和id接收机的噪声协方差和单位化。
34.如图3和图4所示，对于点目标和扩展目标情况，分别对(p1)和(p2)进行最优求解，得到的c-r-e区域的pareto边界，其中发射功率预算为。对于这两种情况，可以观察到传输速率随着crb约束的增加和eh约束的减少而增加。注意到，对于c-r的权衡，在爬过一个“转角”后，继续增加对增加传输速率仅有轻微的影响。这意味着在设计集成系统的性能时，本发明可以首先找到一个“转角”之上的值，然后再主要考虑r-e的权衡。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。