本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的多頻通信感知一體化信道建模方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代蜂窩系統(tǒng)越來越依賴于在多個不連續(xù)頻帶中同時通信，以實現(xiàn)宏分集和增加的帶寬。多頻通信在毫米波和太赫茲頻率中尤為重要，因為這些頻段通常與較低的頻率耦合以保持魯棒性。由于毫米波和太赫茲系統(tǒng)以非常高的帶寬和高度定向的波束運(yùn)行，統(tǒng)計模型必須捕捉信道的全部雙向特性，即所有路徑的到達(dá)和離開的角度、延遲和增益。影響傳播的因素(例如傳輸和反射損耗)在不同頻率上變化很大，這些參數(shù)可能具有復(fù)雜的關(guān)系。

2、中國發(fā)明專利cn113381828b公布了一種基于條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)的稀疏碼多址接入隨機(jī)信道建模方法，該方案利用了cgan的良好捕獲和分布功能。cgan用于對信道分布進(jìn)行建模以表示信道效應(yīng)。所接收的與導(dǎo)頻符號相對應(yīng)的dnn-scma信號被用作條件信息的組成部分，該方法使用無模型學(xué)習(xí)方法來準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)不同類型的隨機(jī)信道模型，在實際通信場景中實現(xiàn)對動態(tài)信道信息的有效獲取?，F(xiàn)有通信系統(tǒng)中僅建模信號發(fā)射端與接收端間的單向多徑信道，然而，在通感一體化系統(tǒng)中，由于感知需要基于目標(biāo)反射信號進(jìn)行，因此需要構(gòu)建雙向多徑信道。機(jī)器學(xué)習(xí)方法是一種可以從大量歷史數(shù)據(jù)中挖掘出隱含規(guī)律并進(jìn)行預(yù)測或分類的算法,它通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式而不需要一個嚴(yán)格定義的模型來表示，并且能夠以端到端的方式對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。無線信道建模中的許多關(guān)鍵問題可以被視為機(jī)器學(xué)習(xí)中的回歸、聚類和分類問題；無線信道建模的這些特點與機(jī)器學(xué)習(xí)方法的能力相互契合，因此，利用信道參數(shù)數(shù)據(jù)集通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練來學(xué)習(xí)信道傳播特性和隱含規(guī)律，可以更智能地構(gòu)建信道模型以適應(yīng)各種場景并達(dá)到更好的表現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)所提出的問題，本發(fā)明的目的是：旨在提供一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的多頻通信感知一體化信道建模方法，利用信道參數(shù)數(shù)據(jù)集通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練來學(xué)習(xí)信道傳播特性和隱含規(guī)律，可以更智能地構(gòu)建信道模型以適應(yīng)各種場景并達(dá)到更好的表現(xiàn)。

2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的多頻通信感知一體化信道建模方法，包括發(fā)射機(jī)到接收機(jī)，還包括發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的信道、基站、移動用戶設(shè)備和聚類數(shù)據(jù)，所述基站和移動用戶設(shè)備分布在一個城市宏區(qū)域內(nèi)，所述聚類數(shù)據(jù)包括聚類的角度和延遲，以及隨機(jī)接收功率、角度和延遲在不同頻率下傳播的向量，還包括如下步驟：

4、步驟一：構(gòu)建一個多頻率通信感知一體化信道模型，即從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的信道，基站和移動用戶設(shè)備分布在一個城市宏區(qū)域內(nèi)；

5、步驟二：對步驟一中建立的模型進(jìn)行簡化；

6、步驟三：所述基站和移動用戶設(shè)備進(jìn)行部署模型假設(shè)，按照不同的基站間距和密度隨機(jī)放置于一處環(huán)境中，之后生成基站和移動用戶設(shè)備之間的路徑參數(shù)，通過路徑參數(shù)確定mimo信道；

7、步驟四：還包括射線追蹤模擬，應(yīng)用射線追蹤模擬生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)；

8、步驟五：對收集的路徑進(jìn)行聚類，射線追蹤產(chǎn)生每個頻率的光線通過預(yù)處理以識別聚類并確定聚類參數(shù)；

9、步驟六：通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成隨機(jī)聚類向量x。

10、進(jìn)一步限定，所述基站和移動用戶設(shè)備之間具有互易性，因此所述基站和移動用戶設(shè)備之間可以互換。

11、進(jìn)一步限定，根據(jù)步驟一所述多頻率通信感知一體化信道模型，通過一組公共的l個聚類在m個頻率上的信道進(jìn)行建模，其中每個聚類由參數(shù)向量描述：

12、

13、其中是聚類內(nèi)的最小路徑延遲，分別是平均聚類內(nèi)的到達(dá)傾斜角和方位角，分別是平均聚類內(nèi)的離開傾斜角和方位角；

14、其中，參數(shù)m＝1,…,m是由頻率相關(guān)分量給出：

15、

16、其中是到達(dá)均方根傾斜角和方位角，為離開均方根傾斜角和方位角，為均方根延遲傳播，為總接收功率；其中，多頻信道可以用l個聚類的集合來描述：x＝[x(1),…x(l)]，所述x為聚類向量。

17、進(jìn)一步限定，所述步驟二中的簡化方法為：將聚類的數(shù)量固定為l＝10，當(dāng)在某一頻率上有少于l個聚類時，若l0＜l，即頻率m的所有聚類設(shè)置總接收功率若一個路徑的聚類中存在于一個頻率m但不存在于另一個頻率m′，則取總接收功率和

18、所述模型x(l)的每個聚類有6+6m個參數(shù)，一共有l(wèi)個聚類，因此聚類向量x中總共有(6+6m)l個參數(shù)。

19、進(jìn)一步限定，包括鏈路，還包括每個鏈路中設(shè)置的條件向量u，因此發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的三維距離矢量表示為：

20、u＝(dx,dy,dz)

21、所述條件向量u還可添加其他參數(shù)，包括天線高度或者基站類型。

22、進(jìn)一步限定，根據(jù)步驟3所述，將聚類向量x的分布建模為鏈路條件p(x|u)的函數(shù)，即對條件概率分布p(x|u)進(jìn)行建模，其中條件分布表示為映射x＝g(u,z)，所述z是具有已知分布的隨機(jī)向量，x＝g(u,z)是蜂窩區(qū)域評估的基礎(chǔ)，基站和移動用戶設(shè)備按照部署模型假設(shè)隨機(jī)放置在一個環(huán)境中，部署即決定了各基站與移動用戶設(shè)備之間的鏈路條件u，通過x＝g(u,z)隨機(jī)生成所有基站和移動用戶設(shè)備之間的路徑參數(shù)，通過路徑參數(shù)與預(yù)設(shè)在基站兩側(cè)的天線陣列假設(shè)結(jié)合，即確定蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的所有mimo信道，并計算出信噪比或功率分布。

23、進(jìn)一步限定，所述步驟四中應(yīng)用射線追蹤生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)的步驟包括選取毫米波頻段f1＝28ghz和太赫茲頻段f2＝140ghz，在wireless?insite中導(dǎo)入一塊550×380平方米的區(qū)域，在10m高的建筑物外部手動放置100個地面接收基站，并將發(fā)射設(shè)備終端放置在1.5m街道上的320個位置，部署結(jié)果為100×320＝32000個鏈路，再對這兩個頻率運(yùn)行獨立的射線追蹤模擬，將最大反射次數(shù)設(shè)置為6，最大衍射次數(shù)設(shè)置為1，并將鏈路的最大路徑數(shù)限制為20，此外，射線追蹤收集功率至少為-250db的路徑。

24、進(jìn)一步限定，所述步驟五的聚類過程包括對到達(dá)的傾斜角和方位角、出發(fā)的傾斜角和方位角以及該組每個鏈路的延遲使用k-means聚類過程，采用輪廓系數(shù)確定每個鏈路的最佳聚類數(shù)量，在識別出每個聚類后，確定每個聚類中的角度和延遲傳播以及功率，用于生成每個鏈路的聚類向量x。

25、進(jìn)一步限定，所述步驟六使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成隨機(jī)聚類向量x的過程，使用了具有梯度懲罰的條件式wasserstein生成對抗網(wǎng)絡(luò)cwgan-gp，cwgan-gp包括生成器g和判別器c，所述生成器g接受條件向量u和隨機(jī)輸入z～p(z)，并生成一個隨機(jī)路徑數(shù)據(jù)向量x＝g(u,z)，向量z為潛在向量，所述p(z)為單位方差高斯向量，還包括潛在維度，所述潛在維度設(shè)為20，通過訓(xùn)練判別器c確保生成器g與數(shù)據(jù)分布相匹配，所述判別器c用于區(qū)分生成的樣本和真實樣本；

26、所述判別器c和生成器g網(wǎng)絡(luò)通過損失函數(shù)訓(xùn)練表示為：

27、

28、其中pg是由隱式定義的生成器分布，pr是數(shù)據(jù)點的分布。

29、本發(fā)明的有益效果：

30、1.本發(fā)明提供的一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的多頻通信感知一體化信道建模方法，本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案方法的統(tǒng)計假設(shè)最少，能夠?qū)W習(xí)變量之間復(fù)雜的統(tǒng)計關(guān)系。

31、2.該模型以一種緊湊的方式表示信道，可以捕獲不同頻率之間的關(guān)鍵共性和差異。具體來說，信道由一組聚類來表示，這些聚類的到達(dá)、離開和延遲的平均角度在頻率中是共同的，這反映了宏觀層面的傳播路徑不依賴于頻率；另一方面，功率、角度傳播和延遲傳播被建模為頻率依賴，以捕獲在頻率上散射和傳輸損失的變化，這對于在毫米波和太赫茲頻段中建模尤其重要。