基于通信速率最大化的船基海上通信感知一体化基站部署设计方法

：本发明涉及海事通信，具体的说是一种通过优化船载isac的轨迹和功率分配，成功地提高了通信速率和传感性能，进一步提高了海上作业的效率和安全性的基于通信速率最大化的船基海上通信感知一体化基站部署设计方法。

背景技术

0、背景技术：

1、通信感知一体化(integrated sensing and communication,isac)技术正在无线通信领域引发一场革命。这种技术通过在同一频谱资源和硬件平台上实现无线通信和感知功能，旨在提高频谱效率和系统性能。isac技术被认为是6g移动通信网络的关键技术之一，其在军事、智能交通、环境监测等领域具有广泛的应用前景。传统的isac研究主要集中在陆地环境，海洋领域的研究相对较少。然而，随着旅游业、水产养殖业和海底勘探等海事活动的加强，对先进海事通信技术的需求也在不断增加。海洋环境固有的复杂性和多变性，以及标准化通信协议的缺失，导致海事通信技术落后，难以满足行业的多样化需求。弥补这一差距至关重要。建立一个强大的海事通信网络对于促进海事经济增长、提高运营效率、确保安全和提高应急响应能力至关重要。这样一个网络不仅能支持海事部门日益增长的需求，还能帮助其赶上并利用陆基通信技术的进步。

2、与陆地不同的是在海上感知领域的主要影响因素来自海杂波，海杂波是指对海感知系统接收到的海洋的后向散射回波。研究海杂波的特性是为了探索海杂波背景下的目标检测技术，并且随着对海杂波特性认识的不断深入，相关目标检测技术也在不断发展。不同功能的雷达系统接收到的海杂波可能呈现出不同的特征，这些特征与雷达的工作参数、几何状态(如发射频率、极化方式、脉冲宽度、掠射角等)以及海面环境的自然因素(如海浪、潮汐、风速等)密切相关。只有深入研究了解海杂波的特性，根据海杂波和目标回波的特性差异，才能设计出性能良好的目标检测方法。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明针对海上错综复杂的通信环境和独特的感知相关因素，重点关注海上多用户场景中的船基辅助通信，提出了一种旨在优化船基基站的轨迹和发射功率，以实现最有效的服务交付，从而提高海事通信网络的整体性能和可靠性的基于通信速率最大化的船基海上通信感知一体化基站部署设计方法。

2、本发明通过以下措施达到：

3、一种基于通信速率最大化的船基海上通信感知一体化基站部署设计方法，其特征在于，首先建立一个船基通信感知一体化系统模型，并建立海上通信感知一体化优化问题，此后求解所述还上通信感知一体化优化问题，其中，所述船基通信感知一体化系统模型包括沿海岸航行的船基一体化基站，还有n个位置固定的近海通信用户和在船基基站探测范围内的近海感知目标，在船基一体化基站沿海航行的过程中，将为系统中的n个用户提供通信服务，并且还需要对感知目标进行探测；模型使用双射线路径损耗模型近似近海环境的通信信道，所以在第i个时隙时船基基站与第n个用户之间的大尺度衰落用下式表示：

4、

5、hn为第n个用户天线高度；

6、假设船基基站总的发射功率为pt，此在第i个时隙时，船基基站分配给第n个用户的功率为pi,n，因此第n用户在总时间t内的平均可达速率如下式，单位：mbps：

7、σ2为噪声功率谱密度(w/hz)。

8、本发明中所述海上通信感知一体化优化问题建立具体为：想要模型中所有的用户得到最好的通信服务，就要最大化用户的最小平均可达速率，对船基基站的航行轨迹和发射功率进行优化，优化问题用下式表示：

9、

10、s.t.c1:pi,n≥0

11、

12、

13、c6:|vi-vi-1|≤amax

14、c7:scnr≥scnr0(30)，其中，约束c1和c2是船基基站发射功率约束，约束c3～c6是船基基站的物理运动约束，约束c7是船基基站的scnr阈值约束。

15、本发明为了更好地求解非凸优化问题(30)，引入一个新的辅助变量π，用来表示最小的用户平均可达速率，并且增加一条新的约束，即每个用户的平均可达速率都要大于等于π，那么原问题(30)转换为下式：

16、

17、问题(31)仍然是一个非凸优化问题，其求解困难的主要原因是需要优化两个没有线性关系的变量：船基基站的航行轨迹[xi,yi]和发射功率pi,n，而当把船基基站的发射功率pi,n设置成定值时，可以得到辅助变量π的一个下界，因此可以把船基基站的航行轨迹与发射功率分离后，再单独进行优化：

18、首先，给定船基基站的发射功率pi,n，优化航行轨迹，得到在给定发射功率下的最优航迹；随后再根据优化后的航迹[xi,yi]去优化发射功率，当把船基基站给每个用户的发射功率设置成定值后，就可以将问题(31)转换成关于船基基站航行轨迹优化的一个子问题，其表达式如下：

19、

20、问题(32)中的约束c6是非凸的，为了能够求解这个非凸优化问题，需要将它转换成一个近似的非凸问题，因此引入每个时隙时船基基站的位置增量{δxi,δyi}来进行迭代计算：假设第k次迭代后船基基站的航行轨迹为第k+1次迭代后船基基站的航行轨迹为那么可以得到：其中和分别为第k次迭代时船基基站航行轨迹横坐标和纵坐标的增量，由此可以推导出，在第k+1次迭代后船基基站的天线在第i个时隙时与第n个用户之间的距离如下式(33)所示：

21、

22、这里最终第$k+1$次迭代后第n个用户的平均可达速率如下式(单位：mbps)：

23、

24、这里，令c＝2πhhn，得到简化后的式子：

25、

26、把公式(35)代入问题(32)中可以得到，当进行第k+1次迭代时，问题(32)的约束c6中船基基站的发射功率pi,n是一个定值，而是上一次迭代记录下的结果，也是已知的，那么公式(35)中的a，b和c就都是常数，只存在η这一个变量，想要最大化rn的最小值，就只需要把公式(35)在η＝c2-b处进行泰勒展开，得到不等式如下：

27、

28、这里,是的泰勒展开省略掉后面高阶展开的近似下界，并且与π成线性关系，因此非凸优化问题(35)就可以转换成一个近似的凸优化问题进行求解，该凸优化问题表达式如下：

29、

30、问题(37)是一个标准的凸优化问题，可以使用凸优化方法进行求解。

31、本发明进一步将问题(31)分解成一个关于船基基站发射功率分配的优化问题，其表达如式(38)：

32、

33、在第k次迭代时，给定船基基站发射功率pi,n的值，求解问题(37)得到的最优解，就可以得到船基基站的最佳航行轨迹然后把优化后的最佳航迹作为已知条件，求解问题(38)，来得到全局次优的发射功率以及航行轨迹。

34、本发明与现有技术相比，能够提高通信速率和传感性能，从而进一步提高海上行动的效率和安全性，不仅对海洋科学与技术的发展具有重要意义，也为海上通信网络的进一步研究和实际应用奠定了坚实的基础。