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多用户多目标场景下的通信感知一体化加权优化波束形成算法

高玉龙 姜力僮 时统志 王钢

高玉龙, 姜力僮, 时统志, 王钢. 多用户多目标场景下的通信感知一体化加权优化波束形成算法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240644
引用本文: 高玉龙, 姜力僮, 时统志, 王钢. 多用户多目标场景下的通信感知一体化加权优化波束形成算法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240644
GAO Yulong, JIANG Litong, WANG Gang, SHI Tongzhi. Weighted Optimization Beamforming Algorithm for Integrated Sensing and Communication in Multi-User Multi-Target Scenarios[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240644
Citation: GAO Yulong, JIANG Litong, WANG Gang, SHI Tongzhi. Weighted Optimization Beamforming Algorithm for Integrated Sensing and Communication in Multi-User Multi-Target Scenarios[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240644

多用户多目标场景下的通信感知一体化加权优化波束形成算法

doi: 10.11999/JEIT240644
基金项目: 国家自然科学基金(62171163),航空科学基金(2024M038077001)
详细信息
    作者简介:

    高玉龙:男,教授,博士生导师,研究方向为智能信号处理和智能通信

    姜力僮:女,2000年生,硕士生,研究方向为通信感知一体化

    时统志:男,1996年生,博士生,研究方向为通信感知一体化、无人机通信与网络

    王钢:男,1962年生,教授,博士生导师,研究方向为数据通信和移动通信

    通讯作者:

    高玉龙 ylgao@hit.edu.cn

  • 中图分类号: TN929.5

Weighted Optimization Beamforming Algorithm for Integrated Sensing and Communication in Multi-User Multi-Target Scenarios

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62171163), Aeronautical Science Foundation (2024M038077001)
  • 摘要: 无论在军事领域的战术通信和目标探测,还是在无人驾驶技术中实现高效的通信和高精度的环境感知,通信感知一体化都可以显著提升系统性能并大幅提高频谱资源利用率。然而,通信和感知资源分配不均衡问题成为该项技术应用的巨大挑战。针对多目标探测和多用户通信场景,该文提出一种基于Pareto优化框架的发射波束形成设计方法。该方法首先将通感资源优化问题建模为一个非凸优化问题,采用通信性能与雷达性能的加权和作为优化目标,以提高系统的灵活性。为了求解该问题,该文提出改进的加权最小均方误差算法将其转化成一个易于求解的凸问题,通过调整Pareto权重因子权衡通信信干噪比与雷达发射波束图误差,实现在功率约束条件下通感性能的最优化设计,同时通过采用MIMO雷达的方式提高了雷达的自由度。仿真结果验证了所提出波束形成方法的有效性和优越性。
  • 图  1  通信感知一体化系统

    图  2  MIMO雷达发射波束方向图

    图  3  不同方案通信性能对比

    图  4  雷达探测误差与发射功率的关系

    图  5  分离部署下不同功率的波束方向图

    图  6  WSR与发射功率的关系

    图  7  雷达探测误差与雷达探测目标数量的关系

    图  8  雷达探测目标数量不同时所提方案的波束方向图

    图  9  雷达探测目标数量不同时分离部署方案的波束方向图

    图  10  设置雷达探测目标在不同位置时的波束方向图

    图  11  算法的收敛性

    图  12  通信性能与雷达性能权衡

    1  多目标联合优化发射波束形成设计

     (1) 设置迭代次数$r = 0$
     (2) 对${{\boldsymbol{W}}^{\left[ 0 \right]}}$进行初始化
     (3) 对于给定的${{\boldsymbol{W}}^{\left[ t \right]}}$,根据式(15)计算$U_k^{[t]}$
     (4) 对于步骤(3)所求的$U_k^{[t]}$,根据式(21)和式(22)计算${\boldsymbol{A}}_k^{[t]}$和
     ${\boldsymbol{B}}_k^{[t]}$
     (5) 对优化问题${\text{P}}4$进行求解,得到最优的${\boldsymbol{T}}_k^*$
     (6) 通过特征值分解或高斯随机化得到近似解${\boldsymbol{\tilde w}}_k^*$
     (7) 更新$t = t + 1$
     (8) 重复步骤(3-7)直到$\left| {{\text{WS}}{{\text{R}}^{[t - 1]}} - {\text{WS}}{{\text{R}}^{[t]}}} \right| \le \varepsilon $
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出版历程
  • 修回日期:  2025-02-11
  • 录用日期:  2025-02-19
  • 网络出版日期:  2025-02-19

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