基于感知互信息的RIS辅助MIMO通感一体化波束赋形的方法

本发明属于无线通信物理层，涉及通信感知一体化技术，mimo波束赋形技术，智能可重构超表面覆盖增强技术，尤其涉及一种基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形的方法。

背景技术：

1、具有高精度感知和高质量通信的下一代无线通信技术(6g)在许多应用中发挥着重要作用，例如环境监测、智能家居、车联网和工业物联网。在6g现有文献中，协同设计感知与通信系统有两个方向：雷达通信共存系统和通感一体化系统。雷达通信共存系统可以适当地为感知和通信系统分配频谱资源，实现频谱共存，减少相互干扰。相比之下，通感一体化系统，可以获得集成和协调增益，因为它希望创建一个具有共享频谱、能量和硬件架构的统一系统，以进一步提高系统效率。如今，多天线技术相比传统相控阵雷达能够大幅提升感知性能，缓解5g中毫米波的高路径损耗和衰减，其被广泛应用于通感一体化系统。然而，配备射频模块的多天线阵列的能耗和硬件复杂性会随着天线数量的增加而增加。相比之下，具有无源反射元件的可重构智能表面被认为是6g中另一种有前景的技术，它具有与多天线相同的一些优点，但在功耗和硬件成本方面更胜一筹。现有的通感一体化系统仅考虑直达径，但ris的部署可大大提升通感系统的性能。具体的，在通信系统中，ris通过创建除直达链路之外的反射链路，可以极大地提高通信性能。同时，在拥挤的环境中，即基站与感知目标之间的直达链路被大量障碍物阻挡，ris还可以通过反射链路辅助感知任务。因此，ris可用于进一步提高多天线通感一体化系统的性能。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形的方法,该方法一方面能满足通信用户传输速率的需求，另一方面最大化感知互信息，以此提升感知性能，以解决目前基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形的方法，采用交替优化技术，所述方法包括以下步骤：

4、步骤1、随机初始化ris端波束赋形矩阵e(0)以及基站段波束赋形矩阵w(0)，最大迭代次数以及迭代误差∈2，令外层迭代次数n＝0；

5、步骤2、令内层迭代次数l＝0，给定ris端波束赋形矩阵e(n)，令w(n,l)＝w(n)，构建ris辅助通感一体化的基站端波束赋形子问题p1，采用最小化最大化技术求解子问题p1得到基站端波束赋形矩阵w(n+1)；

6、步骤3、给定w(n+1)，构建ris辅助通感一体化的ris端波束赋形子问题p2，采用cvx工具包求解没有秩1约束的子问题p2得到ris端波束赋形矩阵接着采用高斯随机化构造满足秩1约束的ris端波束赋形矩阵e(n+1)；

7、步骤4、计算迭代目标函数的误差，若小于迭代误差∈2，停止迭代；否则，返回步骤2。

8、进一步的，基站端波束赋形矩阵子问题p1构建为：

9、(p1)

10、

11、

12、

13、|em|2＝1,m＝1,l,m；

14、其中，共轭转置为h，转置为t，共轭为*，det代表矩阵行列式，

15、表示通感一体化波束成形矩阵，其中表示通信波束赋形矩阵，表示感知波束赋形矩阵，n表示基站配备的发射以及接收天线数量，ris有m个反射元件且反射系数矩阵表示为其中em表示第m个反射元件的系数，其恒模约束为|em|2＝1，这里diag代表对角矩阵，|em|2代表em的模的平方，代表矩阵f范数的平方，p0为基站最大发射功率，是k个用户的传输速率，rk为第k个用户最小速率需求，其中其中，hk代表ris辅助的通信等效信道，为基站和ris之间的信道；为ris与第k个用户之间的信道；为基站与第k个用户之间的信道，为噪声功率；目标响应矩阵的协方差矩阵表示为其中nr是散射体的个数，是目标散射体的反射系数的平方，是相对于ris的第p个目标散射体的到达角以及离开角，是ris的导向矢量；干扰响应矩阵的协方差矩阵表示为其中nc是散射体的个数，是干扰散射体反射系数的平方，是相对于ris的第q个干扰散射体的到达角以及离开角；

16、此外，表示矩阵的克罗内克积。

17、进一步的，采用最小化最大化技术转化子问题p1，具体步骤包括：

18、步骤3.1、将子问题p1转化为ris辅助通感一体化的基站端波束赋形近似子问题p3：

19、(p3)

20、

21、

22、其中，vec代表矩阵向量化操作，re代表取复数实部，

23、

24、ik是单位阵ik+n的第k列，kn(k+n)是置换矩阵，ci＝unvecn,n(ci),i＝1,l,nn,ci是单位阵in2的第i列，unvec表示向量矩阵化操作；

25、步骤3.2、给定w(n,l)，采用cvx工具包求解近似子问题p3，得到w(n,l+1),令l＝l+1；

26、步骤3.3、计算迭代目标函数的误差，若小于迭代误差∈2，停止迭代，且令w(n+1)＝w(n,l)；否则，返回步骤3.2。

27、进一步的，ris端波束赋形矩阵子问题p2构建为：

28、(p2)

29、

30、

31、

32、其中，

33、其中表示取矩阵的前1到m行以及1到m列；

34、舍弃秩1约束，p2为凸问题，通过cvx工具包求解，最后通过高斯随机化求解满足秩1约束的ris端波束赋形矩阵e(n+1)。

35、进一步的，采用高斯随机化构造满足秩1约束的ris端波束赋形矩阵e(n+1)的具体步骤包括以下步骤：

36、步骤5.1、将由子问题p2解得的ris端波束赋形矩阵特征值分解矩阵u的每一列为矩阵的特征向量，σ是对角矩阵，其对角元素为矩阵的特征值；

37、步骤5.2、随机产生5000个候选向量其中∠表示取复数的角度，exp代表指数操作，也就是服从复高斯分布的向量；

38、步骤5.3、选取秩1矩阵满足子问题p2所有约束，并且最大化子问题p2的目标函数，作为最优解e(n+1)；若感知互信息降低，返回步骤8.3；否则，输出最优的ris端波束赋形矩阵e(n+1)。

39、进一步的，若不存在雷达杂波干扰，即rc＝0，且基站和ris间为视距信道，采用交替优化技术，所述方法还包括以下步骤：

40、步骤5、随机初始化ris端波束赋形矩阵e(0)，最大迭代次数τmax以及迭代误差∈o，令外层迭代次数κ＝0；

41、步骤6、给定ris端波束赋形矩阵e(κ)，构建ris辅助通感一体化的基站端波束赋形子问题p4，求解子问题p4得到基站端波束赋形矩阵w(κ+1)；

42、步骤7、令内层迭代次数τ＝0，给定w(κ+1)，构建ris辅助通感一体化的ris端波束赋形子问题p5，采用最小最大化技术，特征值分解，凸凹转化技术以及罚函数技术，求解子问题p5获得内层循环的收敛解e(τ),其中τ代表第τ次内层迭代，故ris端波束赋形矩阵e(κ+1)＝diag(e(τ),*)，其中e(τ),*代表e(τ)的共轭；然后令κ＝κ+1；

43、步骤8、计算迭代目标函数的误差，若小于迭代误差∈o，停止迭代；否则，返回步骤6。

44、进一步的，步骤6中子问题p4构建为：

45、(p4)

46、

47、tr(cx)≤p0,

48、

49、其中，优化变量为cx,w1,…,wk，s.t.是服从于的简写；这里优化变量之间有如下关系cx＝wwh,其中令其中，ωk代表中间变换值；θb是目标相对于ris的到达角以及离开角，是基站的发射阵列导向矢量，其中，λ是波长，是天线之间的间距；

50、通过秩1投影的方法得到满足秩1约束的具体方法为令子问题p4解得最优解为构造满足秩1约束的最优解其中接着，利用特征值分解求得最优的故得到最优的通感一体化波束成形矩阵为

51、进一步的，步骤7子问题p5构建为：

52、(p5)

53、

54、|em|2＝1,m＝1,…,m

55、其中，是ris的接收阵列导向矢量，其中，λ1是波长，是反射元素之间的间距，θi是ris的到达角。

56、进一步的，采用最小最大化技术，特征值分解，凸凹转化技术以及罚函数技术，转化ris端波束赋形子问题p5具体步骤包括：

57、步骤7.1、将子问题p5转化为ris辅助通感一体化的基站端波束赋形近似子问题p6：

58、(p6)

59、

60、|em|2≤1+fm+m,m＝1,l,m,

61、

62、fi≥0,i＝1,l,2m

63、其中z1＝-tr(-m1)，

64、

65、

66、

67、

68、

69、

70、f＝[f1,f2,l,f2m]t为非负的松弛变量，ρ为惩罚系数；

71、步骤7.2、初始化外迭代次数κ＝0以及内迭代次数τ＝0，最大迭代次数τmax，随机初始化e(0)，令g(w(κ+1),e(τ+1))表示近似子问题p6的目标函数；

72、步骤7.3、给定e(τ)，采用cvx工具包求解近似子问题p6，得到e(τ+1)；

73、步骤7.4、更新惩罚系数ρ＝min(μρ,ρmax)，令τ＝τ+1；

74、步骤7.5、若‖e(τ+1)-e(τ)‖2≤∈d，‖f‖1≤∈d这三个条件满足或者τ＞τmax，停止迭代，其中‖·‖2表示2范数，‖·‖1表示1范数，i,d为容差；否则，返回步骤7.3。

75、本发明的基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形的方法具有以下优点：与现有技术相比，本发明求解了ris辅助下mimo通感一体化系统在基站发射功率，多用户通信速率以及反射元素恒模限制条件下的感知互信息最大化问题。我们提供了一种通用的基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形方法，此外若不存在雷达杂波干扰，且基站和ris间为视距信道，我们还提供了另一种的基于感知互信息的ris辅助mimo通感一体化波束赋形方法，这两种方法简单，结果准确，相较于现有的基于波束方向图以及信噪比的ris辅助mimo通感一体化系统，本发明的波束赋形方法可以极大提升感知互信息，感知波束图，在确保通信服务的需求下，进一步改善感知性能。