一种基于STAR-RIS的通信感知一体化系统与方法
本发明属于无线通信，尤其是涉及一种基于star-ris的通信感知一体化系统与方法。
背景技术：
1、作为第六代移动通信系统(6th generation mobile networks，6g)的六大应用场景之一，通信感知一体化技术利用同一频段在单一硬件平台上同时执行无线通信和感知进程，有效地缓解了日益突出的频谱拥塞问题，为6g中出现的新兴应用提供了更高的通信速率与感知精度。
2、可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface，ris)是实现6g的又一重要技术。ris一方面能够动态调整其无源波束成形，以增强通信性能；另一方面，ris还可以与目标建立视距链路，以促进感知性能。同时，为实现360°全空间覆盖，同时透射反射智能表面(simultaneous transmitting and reflecting surface reconfigurableintelligent surface，star-ris)被引入，其能够提供新的自由度，以增强感知和通信性能。
3、此外，由于无线通信信道的时变特性和star-ris结构的低复杂度无源特性，在star-ris辅助的通信感知一体化系统中获取瞬时信道状态信息尤为困难，因此在star-ris辅助的通信感知一体化系统中进行基于统计信道状态信息的研究更具现实意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种基于star-ris的通信感知一体化系统与方法，仅利用通信用户与感知目标统计信道状态信息，其中部署多天线的双功能基站发射包含通信信号与感知信号的联合信号通过star-ris为通信用户提供下行通信服务，同时通过star-ris进行目标感知，以在满足感知信杂噪比要求下最大化系统可达遍历速率。
2、为实现上述目的，本发明提供一种基于star-ris的通信感知一体化系统，包括通过无线连接的star-ris、部署多天线的双功能基站、通信用户和感知目标；
3、通过通信用户与感知目标统计信道状态信息；部署多天线的双功能基站发射包含通信信号与感知信号的联合信号通过star-ris为通信用户提供下行通信服务；通过star-ris进行目标感知。
4、优选的，采用感知信杂噪比作为目标感知的性能指标，采用渐近可达遍历速率作为通信用户的性能指标。
5、本发明还提供了一种基于star-ris的通信感知一体化方法，在部署多天线的双功能基站与多天线通信用户、点状感知目标间的直连路径被阻断的情况下，且仅能通过部署多天线的双功能基站至star-ris至通信用户这一路径完成通信进程，通过部署多天线的双功能基站至star-ris至感知目标这一路径完成感知进程；具体包括以下步骤：
6、步骤1、基于统计信道状态信息求解通信信号发射协方差矩阵；
7、步骤2、基于统计信道状态信息求解感知信号发射协方差矩阵；
8、步骤3、基于统计信道状态信息求解star-ris的反射相移矩阵与透射相移矩阵；
9、步骤4、基于统计信道状态信息对部署多天线的双功能基站发射的通信信号与感知信号进行功率分配；
10、步骤5、重复执行步骤1至步骤4，直至迭代求解获得的渐近可达遍历速率收敛。
11、优选的，部署多天线的双功能基站至star-ris的信道h1以及star-ris至通信用户的信道h2表示为：
12、
13、其中，hiid,1与hiid,2分别表征信道h1与信道h2中的随机成分，r1,t1,r2,t2表征信道空间相关性，与分别表征信道h1与信道h2中视距路径成分，通过导向矢量建模得到，star-ris至感知目标的信道仅包含视距路径，通过导向矢量建模得到。
14、优选的，步骤1中的通信信号发射协方差矩阵qc利用统计信道状态信息通过注水算法得到，具体计算表达式如下：
15、
16、其中，与为辅助因子，通过对进行奇异值分解得到，ω1＝λ1in-ψ1-μ1ξ1,ω1±0，λ1,μ1,ψ1分别表示与发射功率、感知信杂噪比及半正定相关的拉格朗日算子，ξ1为渐近感知信杂噪比对通信信号发射协方差矩阵求偏导得到的结果，in表示维度为n的单位矩阵，为通信信号发射协方差矩阵求解过程中的辅助矩阵，具体表达式如下：
17、
18、其中pc,pr分别为通信信号与感知信号对应的功率分配因子，f1为与通信用户统计信道状态信息相关的辅助矩阵，通过大维随机矩阵理论分析得到，qr表示感知信号发射协方差矩阵。
19、优选的，步骤2中的感知信号发射协方差矩阵qr利用统计信道状态信息通过注水算法以及结合在给定的感知信号发射协方差矩阵初始值处的泰勒展开得到，具体计算表达式如下：
20、
21、其中与为辅助因子，通过对中间变量进行奇异值分解得到，ω2为辅助变量，λ2,μ2分别表示与发射功率、感知信杂噪比相关的拉格朗日算子，ξ2为渐近感知信杂噪比对感知信号发射协方差矩阵求偏导得到的结果，f2为与感知目标统计信道状态信息相关的辅助矩阵，通过大维随机矩阵理论分析得到，为感知信号发射协方差矩阵求解过程中的辅助矩阵，具体表达式如下：
22、
23、其中，qc表示通信信号发射协方差矩阵。
24、优选的，步骤3中基于统计信道状态信息求解star-ris的反射相移矩阵θc与透射相移矩阵θr的具体表达式如下：
25、
26、其中，bc与br分别为star-ris的反射、透射幅值响应，均通过系统感知信杂噪比约束得到；与分别为反射相移向量、透射相移向量，均通过投影梯度下降算法迭代求解，具体计算表达式如下：
27、
28、其中，δ1与δ2分别为反射相移向量与透射相移向量对应的梯度下降的步长，与分别为第t-1次迭代中反射相移向量与透射相移向量的梯度方向。
29、优选的，通信信号与感知信号对应的功率分配因子pc,pr均通过二分法得到。
30、因此，本发明采用上述一种基于star-ris的通信感知一体化系统与方法，利用通信用户与感知目标统计信道状态信息在满足感知性能要求下最大化系统可达遍历速率，显著降低了获取信道状态信息的计算复杂度与系统开销，以及频繁的star-ris相移矩阵重构需求，同时显著提升了系统可达遍历速率，具有显著的实用价值。
31、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
技术特征：
1.一种基于star-ris的通信感知一体化系统，其特征在于：包括通过无线连接的star-ris、部署多天线的双功能基站、通信用户和感知目标；
2.根据权利要求1所述的一种基于star-ris的通信感知一体化系统，其特征在于：采用感知信杂噪比作为目标感知的性能指标，采用渐近可达遍历速率作为通信用户的性能指标。
3.一种基于star-ris的通信感知一体化方法，其特征在于：在部署多天线的双功能基站与多天线通信用户、点状感知目标间的直连路径被阻断的情况下，且仅能通过部署多天线的双功能基站至star-ris至通信用户这一路径完成通信进程，通过部署多天线的双功能基站至star-ris至感知目标这一路径完成感知进程；具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于star-ris的通信感知一体化方法，其特征在于：部署多天线的双功能基站至star-ris的信道h1以及star-ris至通信用户的信道h2表示为：
5.根据权利要求4所述的一种基于star-ris的通信感知一体化方法，其特征在于：步骤1中的通信信号发射协方差矩阵qc利用统计信道状态信息通过注水算法得到，具体计算表达式如下：
6.根据权利要求5所述的一种基于star-ris的通信感知一体化方法，其特征在于：步骤2中的感知信号发射协方差矩阵qr利用统计信道状态信息通过注水算法以及结合在给定的感知信号发射协方差矩阵初始值处的泰勒展开得到，具体计算表达式如下：
7.根据权利要求6所述的一种基于star-ris的通信感知一体化方法，其特征在于：步骤3中基于统计信道状态信息求解star-ris的反射相移矩阵θc与透射相移矩阵θr的具体表达式如下：
8.根据权利要求7所述的一种基于star-ris的通信感知一体化方法，其特征在于：通信信号与感知信号对应的功率分配因子pc,pr均通过二分法得到。
技术总结
本发明公开了一种基于STAR‑RIS的通信感知一体化系统与方法，属于无线通信技术领域，包括通过无线连接的STAR‑RIS、部署多天线的双功能基站、通信用户和感知目标；通过通信用户与感知目标统计信道状态信息；部署多天线的双功能基站发射包含通信信号与感知信号的联合信号通过STAR‑RIS为通信用户提供下行通信服务；通过STAR‑RIS进行目标感知；通过交替优化通信信号发射协方差矩阵、感知信号发射协方差矩阵、STAR‑RIS的反射相移矩阵与透射相移矩阵以及联合发射信号功率分配因子，在满足感知性能要求下最大化系统可达遍历速率；本发明显著降低了获取信道状态信息的计算复杂度与系统开销，以及频繁的STAR‑RIS相移矩阵重构需求，同时提升了系统可达遍历速率，具有显著的实用价值。
技术研发人员：倪艺洋,王玉玺,刘娅璇,夏晏雯,陈书文,王颖,周近,罗玙榕,魏丽丽
受保护的技术使用者：江苏第二师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5