本發(fā)明涉及機場無線通信，具體涉及一種5g?aeromacs基站通信定位一體化方法。

背景技術(shù)：

1、5g?aeromacs是航空5g機場場面寬帶移動通信系統(tǒng)。近年來，以波束賦形為代表的5g陣列通信技術(shù)實現(xiàn)了接收端信號強度的顯著提升，提升了通信服務(wù)質(zhì)量。同時，在機場場面系統(tǒng)中，由于通信終端的快速移動和環(huán)境的復(fù)雜多變，系統(tǒng)需要在保證通信質(zhì)量的同時，實時準(zhǔn)確地感知目標(biāo)的位置和運動狀態(tài)。由此，精準(zhǔn)的導(dǎo)航服務(wù)是保障機場場面高效運行的基礎(chǔ)能力

2、通導(dǎo)一體化技術(shù)是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的前沿技術(shù)，在機場場面系統(tǒng)中，同時實現(xiàn)通信和導(dǎo)航功能，能夠顯著提高系統(tǒng)的整體性能和資源利用率。然而，通導(dǎo)一體技術(shù)的難點在于如何在高動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)高精度的實時導(dǎo)航和高效通信。相關(guān)技術(shù)研究的主要問題體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，由于機場中的不同終端用戶對于通信和引導(dǎo)的需求不同，5gaeromacs基站在有限功率和功能條件下，需要對通信終端的信道容量和估計目標(biāo)未知參數(shù)的精度之間進(jìn)行權(quán)衡。另一方面，機場終端用戶的快速移動和環(huán)境的復(fù)雜變化要求系統(tǒng)具備極高的實時處理能力，以確保導(dǎo)航和通信的同步進(jìn)行。這對算法的計算復(fù)雜度和處理效率提出了極高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種5g?aeromacs基站通信定位一體化方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中難以高效監(jiān)測和追蹤機場場面上的高動態(tài)終端的位置和運動狀態(tài)的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提供了一種5g?aeromacs基站通信定位一體化方法，包括以下步驟：

3、步驟s1、建立機場場面通信導(dǎo)航一體化系統(tǒng)，包括5g?aeromacs多天線基站、多個單天線通信終端和多個待定位移動終端；所述5g?aeromacs多天線基站分別與所述單天線通信終端和所述待定位移動終端實時通信；

4、步驟s2、所述5g?aeromacs多天線基站接收所述待定位移動終端發(fā)送的回波信號；根據(jù)所述回波信號獲取所述待定位移動終端的感知定位參數(shù)估計量；所述感知定位參數(shù)包括復(fù)信道增益系數(shù)和角度；

5、步驟s3、基于所述感知定位參數(shù)估計量構(gòu)建fisher信息矩陣，由所述fisher信息矩陣獲取感知定位參數(shù)的估計誤差下界；

6、步驟s4、基于所述5g?aeromacs多天線基站與所述單天線通信終端之間通信的信道特性，對所述估計誤差下界進(jìn)行最小化優(yōu)化，得到最優(yōu)的波束形成參數(shù)；

7、步驟s5、采用所述最優(yōu)的波束形成參數(shù)控制所述5g?aeromacs多天線基站發(fā)送信號，完成5g?aeromacs基站與終端的通信與定位。

8、優(yōu)選地，步驟s2具體包括：

9、步驟s2-1、所述5g?aeromacs多天線基站從回波信道接收所述待定位移動終端發(fā)送的回波信號；

10、步驟s2-2、基于capon波束形成功率譜，確定所述感知定位參數(shù)的初始值；基于所述感知定位參數(shù)的初始值，確定似然函數(shù)；

11、步驟s2-3、通過梯度下降對所述似然函數(shù)進(jìn)行最大化優(yōu)化，得到最優(yōu)感知定位參數(shù)參數(shù)，作為感知定位參數(shù)的估計量。

12、優(yōu)選地，步驟s2-1中，所述回波信號表達(dá)式為：

13、

14、其中，為5g?aeromacs多天線基站接收的第個信號，為5g?aeromacs多天線基站發(fā)射的第個信號，為符號索引，，為通信符號周期的總符號數(shù)，為5g?aeromacs多天線基站與待定位移動終端之間的回波信道增益，為待定位移動終端的索，，為所述待定位移動終端總數(shù)，為第個信號的加性高斯白噪聲。

15、優(yōu)選地，步驟s2-2具體包括：對于每一個可能的目標(biāo)角度，計算capon功率譜，capon功率譜的峰值對應(yīng)的角度作為初始角度，同時選擇初始復(fù)信道系數(shù)；

16、基于和，根據(jù)以下表達(dá)式計算似然函數(shù)：

17、

18、其中，表示下觀測接收信號的似然函數(shù)，表示待定位移動終端的復(fù)信道增益系數(shù)，和分別是5g?aeromacs多天線基站天線處的發(fā)射和接收導(dǎo)向矢量，為的共軛轉(zhuǎn)置，為待定位移動終端的角度，表示計算自然常數(shù)e的指數(shù)，為l2范數(shù)，為接收天線處的噪聲方差。

19、優(yōu)選地，步驟s2-3具體包括：使用以下表達(dá)式進(jìn)行梯度下降，迭代更新感知定位參數(shù)：

20、

21、

22、

23、

24、其中，，分別為第次迭代的和，為待定位移動終端的角度，，分別為第次迭代的和，為待定位移動終端的復(fù)信道增益系數(shù)，，分別為第次迭代的和，和分別是和的迭代步長，表示計算實部，表示對求偏導(dǎo)；

25、在迭代過程中，若感知定位參數(shù)更新的變化小于預(yù)設(shè)閾值時，則輸出感知定位參數(shù)的估計量。

26、優(yōu)選地，步驟s3具體包括：基于所述感知定位參數(shù)的估計量，計算出目標(biāo)的復(fù)信道增益系數(shù)和角度對應(yīng)的fisher信息矩陣，表達(dá)式如下：

27、

28、其中，和分別為天線發(fā)射和接收導(dǎo)向矩陣，為的復(fù)共軛矩陣，為的共軛轉(zhuǎn)置，為發(fā)送信號矩陣，為復(fù)信道增益系數(shù)矩陣，為和構(gòu)成的待估參數(shù)矩陣，為待估參數(shù)的fisher信息矩陣第i行第j列元素的值，i，j為矩陣索引，表示計算矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，，分別為矩陣的第i行和第j列；表示計算實部；表示將矩陣向量化；

29、則感知定位參數(shù)的估計誤差下界表達(dá)式為：

30、

31、其中，發(fā)射協(xié)方差矩陣，為計算估計誤差下界，表示矩陣的跡，為fisher信息矩陣的逆矩陣。

32、優(yōu)選地，步驟s4具體包括：

33、步驟s4-1、確定對所述估計誤差下界進(jìn)行最小化優(yōu)化的約束條件；

34、步驟s4-2、基于半正定松弛和高斯隨機化方法，確定滿足最大化組播速率的預(yù)編碼矢量初始點；

35、步驟s4-3、基于所述約束條件，對所述預(yù)編碼矢量初始點進(jìn)行迭代更新；當(dāng)滿足迭代結(jié)束條件時，結(jié)束迭代，將迭代完成的預(yù)編碼矢量作為所述最優(yōu)的波束形成參數(shù)。

36、優(yōu)選地，步驟s4-1具體包括：確定對所述估計誤差下界進(jìn)行最小化優(yōu)化的約束條件的表達(dá)式：

37、

38、

39、

40、

41、其中，表示任意取值的條件下優(yōu)化為最小值，為的逆矩陣，表示受約束的條件，為5g?aeromacs多天線基站的預(yù)編碼矢量，為的共軛轉(zhuǎn)置，為發(fā)射功率最大值，為單天線通信終端的信道增益，為的共軛轉(zhuǎn)置，為單天線通信終端索引，，為所述單天線通信終端的數(shù)量，為次迭代的預(yù)編碼矢量，為的共軛轉(zhuǎn)置，，為單天線通信終端處的噪聲方差，為單天線通信終端的最低通信速率，表示任取。

42、優(yōu)選地，步驟s4-2具體包括：通過半正定松弛方法對最小化優(yōu)化的約束條件處理得到的半正定矩陣，對所述半正定矩陣進(jìn)行特征分解，選擇使其滿足，其中，是通過半正定松弛方法得到的特征向量矩陣，是隨機向量，的元素在復(fù)平面的單位圓上均勻分布；對于，尋找其滿足發(fā)送通信波束形成以實現(xiàn)最大化組播速率的向量，將實現(xiàn)最大化組播速率的預(yù)編碼矢量作為初始點。

43、優(yōu)選地，步驟s4-3具體包括：采用數(shù)值優(yōu)化工具cvx對所述約束條件進(jìn)行迭代優(yōu)化，以作為初始點，進(jìn)行多次迭代，表示第次迭代中優(yōu)化問題的預(yù)編碼矢量的解，當(dāng)與的變化小于預(yù)設(shè)閾值時，結(jié)束迭代，得到的最優(yōu)預(yù)編碼矢量作為最優(yōu)的波束形成參數(shù)。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

45、（1）本發(fā)明的提供的方法通過多目標(biāo)感知定位估計誤差下界crb與信息多播信道容量之間的權(quán)衡，能夠在保證多目標(biāo)感知精度的同時，確保信息多播的最低速率要求。這種權(quán)衡機制使系統(tǒng)在機場基站的感知定位和通信兩個方面都能達(dá)到較優(yōu)的性能。

46、（2）本發(fā)明提供的方法通過最小化多目標(biāo)參數(shù)的總crb，使得系統(tǒng)能夠在所有目標(biāo)上達(dá)到最優(yōu)的感知精度，顯著降低了感知誤差，提高了目標(biāo)參數(shù)的估計精度。提高了在復(fù)雜的機場場面這種需要精確定位的場景中系統(tǒng)的可靠性和有效性。

47、（3）本發(fā)明對于優(yōu)化問題中涉及的非凸二次約束條件，采用了sca方法，將復(fù)雜的非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為更易處理的凸函數(shù)形式，簡化了問題的求解過程同時還確保了優(yōu)化算法的收斂性和穩(wěn)定性。在求解的過程中使用sca技術(shù)可以快速收斂得到高可靠性的波束形成解，保證在實際應(yīng)用中的可操作性，同時提高了計算效率。在保證通信終端的總通信速率的同時，通過最小化多目標(biāo)crb，提高了對多目標(biāo)未知參數(shù)的估計精度。

48、（4）本發(fā)明提供的caml方法通過結(jié)合mle優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)的估計，使得caml在多目標(biāo)環(huán)境中能夠精確區(qū)分目標(biāo)方向，即使目標(biāo)之間的角度非常接近。同時最大似然估計具有統(tǒng)計最優(yōu)性，能夠在已知噪聲模型的情況下提供最小方差無偏估計，確保了在給定測量回波數(shù)據(jù)下估計的可靠性和準(zhǔn)確性。