本发明涉及基于正交频分复用的通信感知一体化，具体涉及在云接入网中，通过智能反射面辅助系统，在保证用户通信速率的同时，使远端射频头的通信感知一体化波束赋形接近所需的频率空间波束方向。
背景技术：
1、无线通信发展需要更高频段和更宽带宽，会导致频谱资源短缺，同时引起无线与雷达系统之间的干扰问题，因此，通信感知一体化(isac)受到了广泛关注。在移动通信网络结构中，云无线接入网(c-ran)对于isac具有固有的优势。在c-ran中，信号处理功能可以集中在基带处理单元(bbu)池中。因此，通常在多个分布式远程无线电头(rrh)之间进行协同通信和雷达感知。
2、智能反射面(irs)是一种具有潜力的新技术，由许多低成本的反射元件组成。通过调整反射面的相位，irs可以改善无线环境的性能。它可以用于优化信号传输、减少信号衰减和抑制多径干扰等方面，从而显著改善无线通信的可靠性和覆盖范围。在遮挡物很多的环境中，可以将irs引入isac系统，创建虚拟可视链路来增强无线通信和雷达性能。将irs和宽带ofdm相结合，能够提高通信可达率和雷达目标检测精度。
3、irs辅助云无线接入网下雷达通信一体化的相关研究较少，由此可见，对于云接入网中可重构智能表面辅助多载波通信感知系统的前端压缩和波束赋形的联合设计值得深入研究。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是研究在云无线接入网络中智能反射面辅助的基于正交频分复用的通信感知波束赋形设计。在满足多天线基带处理单元池和分布式远程无线电头之间前传链路容量的约束下，最小化远端射频头isac波束的空间频谱匹配误差。
2、本发明的技术方案如下：
3、c-ran中irs辅助ofdm通信感知波束赋形方法，在云无线接入网中，rrh产生ofdm-isac波束进行联合通信和感知，同时部署irs来提高系统的通信速率，改善通信感知折中。通过智能反射面辅助宽带正交频分复用联合通信感知一体化系统，在保证用户通信速率和满足bbu池与rrh之间的前传容量约束的同时，对rrh波束赋形、前传压缩和irs波束赋形进行联合优化，
4、具体包括如下步骤：
5、1.1)在c-ran网络中智能反射面辅助的ofdm-isac系统中，包含bbu池，l个rrh池，u个单天线用户和i个智能反射面；bbu池和rrh通过有线前端链路连接；该系统有k个子载波，信道的总带宽为b；每个rrh都配备了nr根天线的均匀线阵ula；每个rrh具有通信感知功能，而m个元件的智能反射面来辅助通信，分别令和表示rrh、ue、irs、irs的反射单元和子载波的集合，表示x×y维复矩阵空间，diag(.)表示矩阵的对角元素或由向量构成对角矩阵。
6、1.2)对于子载波k，bbu池在第k个子载波上将产生l个rrh的信号向量为：
7、
8、其中向量是第k个子载波上需要传递的信号，包含u个数据符号，表示该向量服从均值为0，方差为1的循环对称复高斯分布。向量xr,k＝[xr,k,1，...，xr,k,l]t为保证全自由度的单个随机信号，其中ωr，k是由ωr,k,l，l＝1，...，l组成的块对角阵；是第k个子载波上的波束赋形矩阵，是针对第u个用户的波束赋形向量，是用于第l个rrh传输的信号。
9、1.3)由于前传链路的容量有限，所生成的信号xk,l应该在被传输到rrh之前被量化和压缩；压缩信号写成：
10、
11、其中矩阵代表对于第l个rrh的波束赋形截取矩阵，在对应第l个rrh部分的[(l-1)nr+1，lnr]行构成一个维度为nr×nr的单位矩阵，其余部分都为零，表示独立于xk,l的量化噪声，qk＝[qk，1，...，qk，l]t为跨越所有rrh的量化噪声向量，其中ωk是量化噪声协方差矩阵，用于由ωk,l，l＝1，...，l组成的块对角阵。
12、1.4)bbu池的压缩机输出速率不能超过前传容量；考虑点对点压缩相应的前传约束由下式给出：
13、
14、其中，cl为bbu池到第l个rrh的前传容量，上式中互信息导出为：
15、
16、1.5)每个rrh转发来自bbu池的信号；发射功率pl约束为：
17、
18、其中，表示矩阵的迹。
19、1.6)每个通信用户直接从rrh和与irs相关联的反射链路接收信号；用户u在子载波k上接收到的信号为：
20、
21、其中：表示子载波k上的三个信道矩阵，分别对应在子载波k处rrh到用户u的直连信道矩阵和第i个irs到用户u的信道状态矩阵，rrh到第i个irs的信道状态矩阵；表示用户u在子载波k上的加性高斯白噪声，为噪声方差；θi＝diag(θi，1，…，θi,m)表示irs相移矩阵，且
22、进一步的，云接入网中的智能反射面辅助的基于正交频分复用的通信感知系统，将宽带雷达发射能量集中特定的频域空间范围内，以保证检测性能，将rrh发射的波束方向图和期望的波束方向图dl(fk，νp)之间的空间和频谱匹配误差(ssme)最小化作为设计目标，具体步骤如下：
23、2.1)对于第l个rrh，ssmel表示为：
24、
25、其中ll(fk，νp，vk，ωk，ωr，k)为rrh发射的波束方向图和期望的波束方向图之间的均方误差，λl为比例因子，fk为子载波k的频率，νp为采样角度栅格，p为离散空间点的个数；pl(fk，νp，vk，ωk，ωr，k)为第l个rrh在角度νp处的波束方向图，表示为：
26、
27、其中为方向向量，j为虚部单位，即j2＝-1，fc是中心频率，c为光速，天线间距为δ。
28、2.2)用户u在子载波k上的传输速率为：
29、
30、2.3)为了保证通信性能，引入了每个用户u的最小速率γu约束：
31、
32、2.4)在保证最小用户速率的同时最小化ssme；问题的表述如下：
33、(p1)
34、s.t.
35、
36、
37、
38、ωk≥0，ωr，k≥0
39、2.5)对问题(p1)进行转化后再求解；
40、2.5.1)对于问题(p1)的任意解{ωk，ωr，k}，{ωk+ωr，k，0}也是达到相同目标值的解；因此，在优化中，设置ωr，k为0，而不会损失最优性；
41、2.5.2)根据其中σupp(·)表示矩阵特征值的上界，而bk，p是b(fk，vp)的缩写，推导出目标函数的上界为：
42、
43、其中μ表示一个与vk和ωk无关的常数，优化中可忽略，矩阵为辅助变量，其定义为：
44、
45、其中，当设计的波束接近期望时，是负定的，用泰勒展开式来处理它，引入以下矩阵：
46、
47、
48、上式中，re(·)表示复矩阵的实部，im(·)表示复矩阵的虚部。
49、2.5.3)然后用的泰勒展开式，得：
50、
51、2.5.4)处理式(1)中qk，l，引入辅助半正定矩阵rk，u替换qk，l中的
52、
53、2.5.5)将问题(p1)的目标转化为：
54、
55、2.5.6)将用户速率改写为：
56、
57、其中，表示用户u在子载波k上与线性估计量的均方误差：
58、
59、上式中，e{·}表示统计期望，uk，u表示子载波k上用户u的线性接收器。
60、2.5.7)将式(2)改写为：
61、
62、其中，wk，u为辅助变量，式(3)的解为：
63、
64、
65、2.5.8)对于式(3)，约束近似为：
66、
67、2.5.9)考虑非凸约束可以近似为：
68、
69、其中，∑k，l为辅助半正定矩阵，且
70、2.5.10)综上所述，在固定的辅助变量wk，u，uk，u和∑k，l下，将原问题(p1)转化为：
71、(p2)
72、
73、
74、
75、
76、
77、rk，u≥0，ωk≥0 (4f)
78、2.6)下面将问题(p2)分解为两个子问题来交替求解；
79、2.6.1)vk，rk，u和ωk的优化：考虑在固定的下优化ωk，rk，u和vk：
80、(p3)
81、
82、
83、
84、
85、rk，u≥0，ωk≥0 (5e)
86、上式中，约束(5b)不是凸的，将等式(5b)变为而不会损失最优性，变更约束后问题(p3)是凸的；
87、2.6.2)对的优化：在固定的vk，rk，u和ωk下，对进行优化；由于问题(p2)中的目标与无关，引入一个优化目标，即在不违反速率约束的情况下提高用户速率(4d)；通过引入非负变量tu，将约束(4d)改写为：
88、
89、然后，制定如下问题来优化
90、(p4)
91、s.t.(4b)，(6)，
92、
93、2.6.3)为了解决约束(6)，重写变量
94、
95、其中，
96、使则约束(6)等价于：
97、
98、现在，问题(p4)写成：
99、(p5)
100、
101、
102、其中，只有约束是非凸的，因此，采用半定松弛sdr方法来解决该问题，忽略了秩一约束。
103、2.7)重复2.6.1)-2.6.3)中的步骤至收敛。
104、本发明的有益效果如下：
105、通过优化基于irs的ofdm-isac系统中的波束赋形设计，实现联合前传压缩，最小化远端射频头isac波束的空间频率匹配误差，同时利用irs实现期望的用户速率。本发明建立了从rrh到感测目标的最佳波束赋形模式，能够很好地控制rrh反射波束方向图与期望波束方向图的匹配。
1.c-ran中irs辅助ofdm通信感知波束赋形方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的c-ran中irs辅助ofdm通信感知波束赋形方法，其特征在于：c-ran网络中智能反射面辅助的ofdm-isac系统将宽带雷达发射能量集中在预定的频域空间范围内，以保证检测性能，将rrh发射的波束方向图和期望的波束方向图dl(fk,vp)之间的空间和频谱匹配误差ssme最小化作为设计目标，具体步骤如下：
