本發(fā)明涉及通感一體化，特別是指一種基于周期掃描參考信號的通感一體化方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、在5g及未來網(wǎng)絡(luò)中，通信與感知一體化將賦予通信網(wǎng)絡(luò)全域感知能力，實現(xiàn)“一網(wǎng)兩用”，有效支撐智慧交通、自動駕駛等創(chuàng)新應(yīng)用。

2、然而，感知距離受限和目標主動發(fā)現(xiàn)能力弱一直是制約5g通感一體化發(fā)展的一大難題。一方面，由于感知功能的實現(xiàn)依賴于目標反射的回波信號，相較于單程的通信信號具有更大的損耗，尤其是毫米波、太赫茲等高頻段通信技術(shù)的應(yīng)用將進一步加大信號的傳播損耗，這嚴重限制了感知的距離。另一方面，5g等通信系統(tǒng)通常利用mimo（multiple?inputmultiple?output，多輸入多輸出）技術(shù)產(chǎn)生高定向波束，以增加信號的有效傳播距離、降低用戶間干擾。但是，定向波束的寬度較窄，無法像mimo雷達中的全向波束一般實現(xiàn)廣角度覆蓋，不具備全方向的目標主動發(fā)現(xiàn)能力，這對智慧交通、自動駕駛等應(yīng)用是極為不利的。

3、現(xiàn)有5g網(wǎng)絡(luò)支持基于信號tdoa（time?difference?of?arrival,到達時間差）、rtt（round-trip?time,?往返時間）、aoa（angle?of?arrival,?到達角）測量等多種目標定位技術(shù)。為進一步提升5g網(wǎng)絡(luò)的目標定位能力，r16標準引入了prs（positioning?referencesignal，定位參考信號），并在r17標準中進行了完善。相比于ss（synchronization?signal,同步信號）、csi-rs（channel?state?information-reference?signal,?信道狀態(tài)信息參考信號）、srs（sounding?reference?signal,?信道探測參考信號）等，prs具備更豐富的時頻資源，同等條件下能夠得到更精確的定位信息。

4、然而，上述5g定位技術(shù)普遍采用請求-響應(yīng)模式，即用戶發(fā)起定位服務(wù)請求后，系統(tǒng)根據(jù)已知的用戶位置信息（如波束方向）進行配置，并發(fā)送定向波束來感知用戶。這種模式依賴于用戶位置的先驗知識，來獲取波束方向，而不是通過廣角度范圍的波束掃描主動發(fā)現(xiàn)目標用戶。因此，當用戶位置不確定或快速移動時，系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性受到限制。由于需要用戶的請求觸發(fā)，系統(tǒng)無法自主探測和定位廣角度范圍內(nèi)的目標，難以滿足未來車聯(lián)網(wǎng)、智能交通等應(yīng)用場景中實時、主動感知周圍環(huán)境的需求。此外，請求-響應(yīng)模式可能導(dǎo)致響應(yīng)延遲和資源占用增加，尤其是在高密度用戶環(huán)境中。因此，現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)對未來智能化需求時存在明顯不足，亟需一種更加靈活、低延遲且具備主動發(fā)現(xiàn)能力的解決方案。

5、現(xiàn)有技術(shù)為了降低通信與感知功能之間的相互干擾，通常采用波束復(fù)用策略。具體而言，不同的波束被分別分配給通信和感知功能，以確保二者能夠獨立操作。為了實現(xiàn)廣角度范圍的目標探測，感知波束會周期性地進行掃描。

6、雖然這種基于波束復(fù)用的通感一體化技術(shù)能夠在一定程度上獨立保障通信和感知的性能，但是需要占用額外的無線資源，并且會增加系統(tǒng)的功耗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有通信與感知一體化技術(shù)存在的廣角度范圍目標主動發(fā)現(xiàn)能力不足的技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供了一種基于周期掃描參考信號的通感一體化方法及裝置。所述技術(shù)方案如下：

2、一方面，提供了一種基于周期掃描參考信號的通感一體化方法，該方法由通感一體化設(shè)備實現(xiàn)，該方法包括：

3、s1、基于不同的波束寬度以及不同的觀測周期數(shù)生成具備周期性掃描能力的參考信號，根據(jù)參考信號對待感知的目標進行多次觀測，生成多個周期的接收信號。

4、s2、根據(jù)多個周期的接收信號，構(gòu)建基于接收信號進行目標角度估計的完全統(tǒng)計量。

5、s3、根據(jù)完全統(tǒng)計量，推導(dǎo)出fisher信息矩陣的跡。

6、其中，fisher信息矩陣的跡與波束寬度和觀測周期數(shù)之間的關(guān)系表達式，如下式（1）所示：

7、（1）

8、式中，表示fisher信息矩陣的跡的期望，表示fisher信息矩陣的跡，表示由子矩陣沿對角線排列構(gòu)成的分塊對角矩陣即，表示觀測周期數(shù)，表示檢測的目標數(shù)量，表示參考信號單次波束持續(xù)期包含的符號期數(shù)量，表示接收天線陣列的陣元數(shù)，表示發(fā)送天線陣列的陣元數(shù)，系數(shù)，，表示發(fā)射功率，表示目標的雷達截面積，表示接收天線的有效孔徑，表示噪聲功率，表示波束寬度，表示發(fā)射天線距離地面的高度，表示任一目標到發(fā)射天線地面投影的距離，表示任一目標的角度，表示波束方向，表示目標位置的概率密度函數(shù)。

9、s4、構(gòu)建通信信道的相關(guān)時間。

10、s5、在通信信道的相關(guān)時間的約束下，最大化fisher信息矩陣的跡，得到優(yōu)化后的波束寬度和觀測周期數(shù)，實現(xiàn)通信以及目標感知。

11、可選地，s2中的根據(jù)多個周期的接收信號，構(gòu)建基于接收信號進行目標角度估計的完全統(tǒng)計量，包括：

12、s21、構(gòu)建在第個觀測周期接收到的來自第個目標的接收信號，如下式（2）所示：

13、（2）

14、式中，表示在第個觀測周期的第個符號期的接收信號，表示第個觀測周期的第個目標的有效雷達信道增益，表示目標的接收陣列響應(yīng)，表示第個目標在第個觀測周期的角度，表示目標的發(fā)送陣列響應(yīng)，表示轉(zhuǎn)置運算，表示第個符號期的發(fā)送信號向量，表示噪聲分量。

15、s22、根據(jù)完全統(tǒng)計量理論以及接收信號，構(gòu)建基于接收信號進行目標角度估計的完全統(tǒng)計量，如下式（3）所示：

16、（3）

17、式中，表示完全統(tǒng)計量，表示任一目標的發(fā)送陣列響應(yīng)，表示發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣，表示共軛運算，表示噪聲項。

18、s23、對完全統(tǒng)計量進行簡化，得到簡化后的完全統(tǒng)計量，如下式（4）所示：

19、（4）

20、式中，表示簡化后的完全統(tǒng)計量。

21、可選地，s3中的根據(jù)完全統(tǒng)計量，推導(dǎo)出fisher信息矩陣的跡，包括：

22、s31、構(gòu)建fisher信息矩陣對角線元素的值。

23、s32、設(shè)定目標位置的分布是隨機的，構(gòu)建fisher信息矩陣的跡的期望。

24、s33、根據(jù)目標位置的概率密度函數(shù)，將fisher信息矩陣對角線元素的值代入到fisher信息矩陣的跡的期望，得到fisher信息矩陣的跡與波束寬度和觀測周期數(shù)之間的關(guān)系表達式。

25、可選地，s31中的構(gòu)建fisher信息矩陣對角線元素的值，包括：

26、fisher信息矩陣的第個對角線元素的值由子矩陣的第個對角線元素的值得到，如下式（5）所示：

27、（5）

28、式中，表示fisher信息矩陣的第個對角線元素的值，表示子矩陣的第個對角線元素的值，其中，，表示取模運算，表示第個觀測周期目標到發(fā)射天線的距離，表示第個目標在第個觀測周期的角度。

29、可選地，s32中的fisher信息矩陣的跡的期望，如下式（6）所示：

30、（6）

31、式中，表示fisher信息矩陣的跡的期望。

32、可選地，s4中的構(gòu)建通信信道的相關(guān)時間，包括：

33、s41、定義歸一化的信道相關(guān)系數(shù)為時間間隔內(nèi)信道沖擊響應(yīng)的歸一化互相關(guān)系數(shù)。

34、其中，歸一化的信道相關(guān)系數(shù)，如下式（7）所示：

35、（7）

36、式中，表示在隨機變量下求期望，表示任一目標的位置，表示時刻時的通信信道沖擊響應(yīng)，表示時刻通信信道沖擊響應(yīng)，表示時間間隔，表示共軛運算，表示取模運算。

37、s42、根據(jù)歸一化的信道相關(guān)系數(shù)，定義歸一化的信道相關(guān)系數(shù)下降到預(yù)設(shè)閾值時的時間間隔為通信信道的相關(guān)時間。

38、其中，通信信道的相關(guān)時間，如下式（8）所示：

39、（8）

40、式中，表示通信信道的相關(guān)時間。

41、可選地，s5中的在通信信道的相關(guān)時間的約束下，最大化fisher信息矩陣的跡，如下式（9）所示：

42、（9）

43、式中，表示通信信道的相關(guān)時間，表示符號時長，約束條件表示信道相關(guān)時間必須大于單次波束持續(xù)時長，約束條件表示波束寬度只能從系統(tǒng)預(yù)設(shè)的集合中取值，約束表示周期數(shù)不能超過最大值。

44、另一方面，提供了一種基于周期掃描參考信號的通感一體化裝置，該裝置應(yīng)用于基于周期掃描參考信號的通感一體化方法，該裝置包括：

45、參考信號模塊，用于基于不同的波束寬度以及不同的觀測周期數(shù)生成具備周期性掃描能力的參考信號，根據(jù)參考信號對待感知的目標進行多次觀測，生成多個周期的接收信號。

46、信號接收與處理模塊，用于根據(jù)多個周期的接收信號，構(gòu)建基于接收信號進行目標角度估計的完全統(tǒng)計量。

47、推導(dǎo)模塊，用于根據(jù)完全統(tǒng)計量，推導(dǎo)出fisher信息矩陣的跡。

48、其中，fisher信息矩陣的跡與波束寬度和觀測周期數(shù)之間的關(guān)系表達式，如下式（1）所示：

49、（1）

50、式中，表示fisher信息矩陣的跡的期望，表示fisher信息矩陣的跡，表示由子矩陣沿對角線排列構(gòu)成的分塊對角矩陣即，表示觀測周期數(shù)，表示檢測的目標數(shù)量，表示參考信號單次波束持續(xù)期包含的符號期數(shù)量，表示接收天線陣列的陣元數(shù)，表示發(fā)送天線陣列的陣元數(shù)，系數(shù)，，表示發(fā)射功率，表示目標的雷達截面積，表示接收天線的有效孔徑，表示噪聲功率，表示波束寬度，表示發(fā)射天線距離地面的高度，表示任一目標到發(fā)射天線地面投影的距離，表示任一目標的角度，表示波束方向，表示目標位置的概率密度函數(shù)。

51、構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建通信信道的相關(guān)時間。

52、優(yōu)化與決策模塊，用于在通信信道的相關(guān)時間的約束下，最大化fisher信息矩陣的跡，得到優(yōu)化后的波束寬度和觀測周期數(shù)，實現(xiàn)通信以及目標感知。

53、可選地，信號接收與處理模塊，進一步用于：

54、s21、構(gòu)建在第個觀測周期接收到的來自第個目標的接收信號，如下式（2）所示：

55、（2）

56、式中，表示在第個觀測周期的第個符號期的接收信號，表示第個觀測周期的第個目標的有效雷達信道增益，表示目標的接收陣列響應(yīng)，表示第個目標在第個觀測周期的角度，表示目標的發(fā)送陣列響應(yīng)，表示轉(zhuǎn)置運算，表示第個符號期的發(fā)送信號向量，表示噪聲分量。

57、s22、根據(jù)完全統(tǒng)計量理論以及接收信號，構(gòu)建基于接收信號進行目標角度估計的完全統(tǒng)計量，如下式（3）所示：

58、（3）

59、式中，表示完全統(tǒng)計量，表示任一目標的發(fā)送陣列響應(yīng)，表示發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣，表示共軛運算，表示噪聲項。

60、s23、對完全統(tǒng)計量進行簡化，得到簡化后的完全統(tǒng)計量，如下式（4）所示：

61、（4）

62、式中，表示簡化后的完全統(tǒng)計量。

63、可選地，推導(dǎo)模塊，進一步用于：

64、s31、構(gòu)建fisher信息矩陣的對角線元素的值。

65、s32、設(shè)定目標位置的分布是隨機的，構(gòu)建fisher信息矩陣的跡的期望。

66、s33、根據(jù)目標位置的概率密度函數(shù)，將fisher信息矩陣的對角線元素的值代入到fisher信息矩陣的跡的期望，得到fisher信息矩陣的跡與波束寬度和觀測周期數(shù)之間的關(guān)系表達式。

67、可選地，構(gòu)建fisher信息矩陣對角線元素的值，包括：

68、fisher信息矩陣的第個對角線元素的值由子矩陣的第個對角線元素的值得到，如下式（5）所示：

69、（5）

70、式中，表示fisher信息矩陣的第個對角線元素的值，表示子矩陣的第個對角線元素的值，其中，，表示取模運算，表示第個觀測周期目標到發(fā)射天線的距離，表示第個目標在第個觀測周期的角度。

71、可選地，fisher信息矩陣的跡的期望，如下式（6）所示：

72、（6）

73、式中，表示fisher信息矩陣的跡的期望。

74、可選地，構(gòu)建模塊，進一步用于：

75、s41、定義歸一化的信道相關(guān)系數(shù)為時間間隔內(nèi)信道沖擊響應(yīng)的歸一化互相關(guān)系數(shù)。

76、其中，歸一化的信道相關(guān)系數(shù)，如下式（7）所示：

77、（7）

78、式中，表示在隨機變量下求期望，表示任一目標的位置，表示時刻時的通信信道沖擊響應(yīng)，表示時刻通信信道沖擊響應(yīng)，表示時間間隔，表示共軛運算，表示取模運算。

79、s42、根據(jù)歸一化的信道相關(guān)系數(shù)，定義歸一化的信道相關(guān)系數(shù)下降到預(yù)設(shè)閾值時的時間間隔為通信信道的相關(guān)時間。

80、其中，通信信道的相關(guān)時間，如下式（8）所示：

81、（8）

82、式中，表示通信信道的相關(guān)時間。

83、可選地，優(yōu)化與決策模塊，進一步用于：

84、（9）

85、式中，表示通信信道的相關(guān)時間，表示符號時長，約束條件表示信道相關(guān)時間必須大于單次波束持續(xù)時長，約束條件表示波束寬度只能從系統(tǒng)預(yù)設(shè)的集合中取值，約束表示周期數(shù)不能超過最大值。

86、另一方面，提供一種通感一體化設(shè)備，所述通感一體化設(shè)備包括：處理器；存儲器，所述存儲器上存儲有計算機可讀指令，所述計算機可讀指令被所述處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)如上述基于周期掃描參考信號的通感一體化方法中的任一項方法。

87、另一方面，提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)中存儲有至少一條指令，所述至少一條指令由處理器加載并執(zhí)行以實現(xiàn)上述基于周期掃描參考信號的通感一體化方法中的任一項方法。

88、本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果至少包括：

89、本發(fā)明中，提出了一種波束寬度和觀測周期數(shù)聯(lián)合優(yōu)化方法，能夠在保障用戶通信性能的基礎(chǔ)上，最大化系統(tǒng)的目標感知性能。具體而言，通過構(gòu)建基于接收信號進行目標角度估計的完全統(tǒng)計量，推導(dǎo)出fisher信息矩陣的跡與波束寬度和觀測周期數(shù)之間的關(guān)系表達式。在此基礎(chǔ)上，在通信信道相關(guān)時間（與波束寬度相關(guān)）的約束下，最大化fisher信息矩陣的跡，從而在保障用戶通信性能的前提下，最大化系統(tǒng)的目標感知性能。相較于現(xiàn)有5g定位方法，本發(fā)明所提方法能夠通過波束掃描、聯(lián)合多周期信號等實現(xiàn)廣角度范圍的目標主動發(fā)現(xiàn)和感知。相較于基于波束復(fù)用的通感一體化方法，本發(fā)明所提方法能夠在不增加系統(tǒng)資源開銷的前提下，利用系統(tǒng)已有參考信號，實現(xiàn)通信與感知一體化。