本发明属于近场通信和通信感知一体化领域，具体涉及一种基于近场半无源ris辅助的isac方法。
背景技术：
1、随着无线移动通信技术的发展，无线移动终端设备的数量也迎来了爆炸式增长，对移动服务有了更大的需求，给未来6g移动通信带来了巨大的挑战，这同时也促进了各种通信技术的不断发展和进步，如通信感知一体化(integrated sens ing andcommunication，isac)技术。
2、作为6g的关键技术之一，isac技术受到了学术界和工业界的广泛关注。isac相较于现有的频分通信和感知技术具有更好的性能，但单一技术带来的提升终归是有限的，所以，智能超表面(reconfigurable intel l igent surface，ris)作为一种补完技术进入了研究者的视野。
3、ris与isac的结合给通信系统带来了很大的提升，然而，现有的研究工作都是基于远场通信的。在传统的通信场景中，天线阵列的规模较小，导致近场通信的范围较小。但随着ris和mimo的发展，阵列孔径和波长的不断变小，导致bs的近场区域范围迅速增长，增加了在近场进行感知和通信的可能性。
4、对于近场环境，远场中的平面波假设是无效的，电磁波(electromagnet ic，em)在近场通道中的传播形式更类似于球形波。这使得传统的信道建模方法不再适用，给现有的工作带来了挑战。由于电磁波的传播模型在近场的独特性，近场信道同时包含了用户的角度和距离信息，因此无论是感知还是通信，在近场情况下的性能都将有很大的提高。特别是近场通信的兴起也为isac的发展带来了更多的机遇。
5、与被动ris相比，使用半无源ris辅助isac系统可以得到更多的性能提升，通过半无源ris在减少路径损耗方面的优点，可以很好地提高传感结果的精度。而如何在近场球面波的信道假设下实现半无源ris辅助的isac系统的性能提升，是现有技术中还未研究的部分。
技术实现思路
1、本发明的目的是提出一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，实现在保证基站与用户通信前提下，提高近场isac系统中的感知性能。
2、本发明通过以下技术方案实现：
3、一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，包括如下步骤：
4、步骤s1、建立近场下的半无源ris辅助的isac系统模型，系统模型中，基站通过半无源ris辅助服务于多个用户，依据该系统模型获取主动波束赋形的协方差矩阵，当不考虑角度的先验信息时，利用基站收到的回波信号得到目标所在位置的费舍尔信息矩阵，并进入步骤s2，当考虑角度的先验信息时，利用该先验信息与基站收到的回波信号得到目标所在位置的具有先验信息的费舍尔信息矩阵，并进入步骤s3；
5、步骤s2、构建满足恒模约束的被动波束赋形矩阵，依据所述系统模型和费舍尔信息矩阵，基于半定松弛的优化方法对主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵进行交替迭代优化，以得到主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵的局部最优解，从而最小化半无源ris与目标之间的雷达信道系数、距离参数和角度参数的克拉美罗界；
6、步骤s3、构建满足恒模约束的被动波束赋形矩阵，依据所述系统模型和具有先验信息的费舍尔信息矩阵，基于半定松弛的优化方法对主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵进行交替迭代优化，以得到主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵的局部最优解，从而最小化半无源ris与目标之间的雷达信道系数、距离参数和角度参数的克拉美罗界。
7、进一步的，所述步骤s1中，所述isac系统模型的基站具有nbs根天线，各用户为单天线用户，半无源ris为由l＝lylz个元素构成的矩形平面，该矩形平面的上的元素形成ly行和lz列，l个元素中的n个元素为反射单元，m个元素为感知单元，所述主动波束赋形的协方差矩阵为其中，为基站的发射信号，wk(t)表示t时刻用户k传输信息流的传输波束赋形矢量，表示用于用户k传输信息流的传输波束赋形矢量，s(t)表示实现目标传感全自由度的专用传感信号，ck(t)表示通信信号，其为均值为零、单位方差的高斯随机信号。
8、进一步的，所述步骤s1中，当角度的先验信息无法获取时，利用基站收到的回波信号得到目标所在位置的费舍尔信息矩阵，具体包括如下步骤：
9、步骤s11、根据所述系统模型得到第k个用户处接收的信号流为其中，表示半无源ris和第k个用户之间的近场信道向量，表示反射单元的相位，h表示基站与半无源ris间的远场莱斯信道，nk(t)表示第k个用户处服从复高斯分布的加性高斯白噪声；
10、步骤s12、根据第k个用户处接收的信号流得到第k个用户处的传输速率为其中，表示噪声的方差；
11、步骤s13、根据基站的发射信号，将基站接收到的回波信号表示为ys(t)＝gθnhxk(t)+ns(t)，其中，表示半无源ris和目标之间的雷达回波信道，βs表示半无源ris与目标之间的雷达信道系数，asm(rs,θs)表示感知的近场阵列相应向量，asn(rs,θs)表示反射的近场阵列响应向量，rs表示半无源ris到目标的距离，θs表示目标相对于半无源ris的角度，ns(t)服从均值为0m，方差为σ2im的复高斯分布。
12、步骤s14、根据该回波信号，设置包含雷达信道系数、距离参数和角度参数的未知量为则目标所在位置的费舍尔信息矩阵被表示为其中，表示βs的实部，表示βs的虚部，
13、
14、q∈{rs,θs}，和表示asm(rs,θs)和asn(rs,θs)关于rs的导数，和表示asm(rs,θs)和asn(rs,θs)关于θs的导数，t表示采样数量，表示感知时产生噪声的方差。
15、进一步的，所述步骤s2具体包括如下步骤：
16、步骤s21、对主动波束赋形矩阵优化子问题表示为其中，pmax表示发射机功率，γmin表示保证用户通信的速率的下界，fk表示第k个用户通信波束的协方差矩阵；
17、步骤s22、根据第k个用户处的速率表达式和费舍尔信息矩阵f，将步骤s1中的优化子问题重新表达为对该重新表达的问题进行求解，即可得到最优rx，其中，约束c1表示为tr(rx)≤pmax，c2表示为
18、q为被动波束赋形矩阵，
19、步骤s23、基于步骤s23中得到的最优rx，被动波束赋形矩阵优化子问题表示为通过忽略秩一约束，使该优化子问题转化为凸问题形式并进行求解；
20、步骤s24、对步骤s22和步骤s23进行循环迭代求解，直至收敛，得到的rx、q即为局部最优解，对于被动波束赋形的矩阵q，它不一定满足秩一约束，故采用奇异值分解的方式来还原出一个秩一解。
21、进一步的，所述步骤s1中，所述具有先验信息的费舍尔信息矩阵表示为其中，
22、
23、i2表示维度为2的单位对角矩阵
24、p(θs)为角度的先验信息的概率密度函数，其服从高斯混合分布并表示为表示第j个高斯概率密度函数的均值，表示对应的方差，pj∈[0,1]表示第j个高斯概率密度函数的权重并满足对于未知量ζ，可得到
25、其中，表示第j1个高斯概率密度函数的权重，表示第j2个高斯概率密度函数的权重，表示第j1个高斯概率密度函数的均值，表示对应的方差，表示第j2个高斯概率密度函数的均值，表示对应的方差，j表示高斯概率密度函数的个数，pk∈[0,1]表示第k个高斯概率密度函数的权重并满足
26、进一步的，所述步骤s3具体包括如下步骤：
27、步骤s31、对主动波束赋形矩阵优化子问题表示为对该优化子问题进行求解，可得到最优rx，其中，u-1为引入的变量，q为被动波束赋形矩阵，约束c1,p中矩阵的每一个元素可以被重新表示为：
28、
29、其中，
30、
31、
32、步骤s32、基于步骤s31中得到的最优rx，被动波束赋形矩阵优化子问题题表示为通过通过忽略秩一约束，使该问题转化为凸问题形式并可以进行求解；
33、步骤s33、对步骤s31和步骤s32进行循环迭代求解，直至收敛，得到的rx、q即为局部最优解，对于被动波束赋形的矩阵q，它不一定满足秩一约束，故采用奇异值分解的方式来还原出一个秩一解。
34、本发明具有如下有益效果：
35、1、本发明首先建立近场下的半无源ris辅助的isac系统模型，基于该模型得到费舍尔信息矩阵，并基于半定松弛的优化方法对主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵进行交替迭代优化，以得到主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵的局部最优解，从而最小化半无源ris与目标之间的雷达信道系数、距离参数和角度参数的克拉美罗界，从而实现基站在满足服务用户通信的条件下，即在满足用户信噪比约束和发射机功率约束的情况下，提高近场isac系统的感知性能。
36、2、本发明在考虑角度的先验信息情况下，基于近场下的半无源ris辅助的isac系统模型得到具有先验信息的费舍尔信息矩阵，进而得到主动波束赋形矩阵和被动波束赋形矩阵的局部最优解，从而最小化半无源ris与目标之间的雷达信道系数、距离参数和角度参数的克拉美罗界，通过加入角度先验信息，对近场isac系统的感知性能进行了进一步的提升。
1.一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述isac系统模型的基站具有nbs根天线，各用户为单天线用户，半无源ris为由l＝lylz个元素构成的矩形平面，该矩形平面的上的元素形成ly行和lz列，l个元素中的n个元素为反射单元，m个元素为感知单元，所述主动波束赋形的协方差矩阵为其中，为基站的发射信号，wk(t)表示t时刻用户k传输信息流的传输波束赋形矢量，表示用于用户k传输信息流的传输波束赋形矢量，s(t)表示实现目标传感全自由度的专用传感信号，ck(t)表示通信信号，其为均值为零、单位方差的高斯随机信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，其特征在于：所述步骤s1中，当角度的先验信息无法获取时，利用基站收到的回波信号得到目标所在位置的费舍尔信息矩阵，具体包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，其特征在于：所述步骤s2具体包括如下步骤：
5.根据权利要求2所述的一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述具有先验信息的费舍尔信息矩阵表示为其中，i2表示维度为2的单位对角矩阵p(θs)为角度的先验信息的概率密度函数，其服从高斯混合分布并表示为表示第j个高斯概率密度函数的均值，表示对应的方差，pj∈[0,1]表示第j个高斯概率密度函数的权重并满足对于未知量ζ，可得到fp为其他元素，
6.根据权利要求5所述的一种基于近场半无源ris辅助的isac方法，其特征在于：所述步骤s3具体包括如下步骤：
