CN110493811A - 基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，包括以下步骤：S1：获取雷达通信一体化系统与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ω_rad、雷达通信一体化系统与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ω_com；S2：在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下，分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美‑罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式；S3：根据克拉美‑罗下界阈值δ_rad和通信数据速率阈值δ_com建立基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型；S4：对雷达通信一体化系统稳健资源分配模型进行求解。本发明有效提升系统的射频隐身性能。

Description

基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法

技术领域

本发明涉及雷达通信一体化技术，特别是涉及基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法。

背景技术

随着无线通信需求以及战场无线传感器数量的急剧增长，频谱资源已成为稀缺的信息化战场重要资源之一，对频谱资源的竞争也日益严峻。雷达通信一体化技术正是在这种环境下应运而生的，它不仅能够更加有效地利用日益稀缺的频谱资源，而且通过资源共享，可以减少电子设备的数量、提高信息融合度。正交频分复用波形采用宽带体制，具有良好的数据率和鲁棒性，且其信号阵列方式易于雷达目标参数估计以及目标信息提取，是良好的雷达通信一体化候选波形，近年来受到国内外学者与研究机构的广泛关注。

目前，已有的研究成果虽然涉及雷达通信一体化系统资源分配问题，通过优化分配一体化正交频分复用子载波与各子载波上的发射功率，最大化目标参数估计精度和通信数据速率，在一定程度上提升了系统的目标参数估计性能和通信服务质量，然而，已有研究成果均未考虑基于射频隐身的雷达通信一体化系统资源分配问题，且未考虑不同信道频率响应的不确定性对系统射频隐身性能的影响，具有一定的局限性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，能够解决现有技术中存在的“未考虑基于射频隐身的雷达通信一体化系统资源分配问题，且未考虑不同信道频率响应的不确定性对系统射频隐身性能的影响”的技术问题。

技术方案：本发明所述的基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，包括以下步骤：

S1：获取雷达通信一体化系统与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ω_rad、雷达通信一体化系统与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ω_com；

S2：在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下，分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式；

S3：根据克拉美-罗下界阈值δ_rad和通信数据速率阈值δ_com建立基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型；

S4：对雷达通信一体化系统稳健资源分配模型进行求解。

进一步，所述步骤S1中，Ω_rad和Ω_com通过式(1)得到：

式(1)中，h_rad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应，h_com[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应，N_s表示正交频分复用子载波总数目，L_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界，U_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的上界，L_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，U_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的上界。

进一步，所述步骤S2中，表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式如式(2)所示：

CRLB_IRCS(τ_t)＝J_IRCS(τ_t)^-1 (2)

式(2)中，CRLB_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的克拉美-罗下界，τ_t为从雷达到目标的双程时延；J_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的费舍尔信息，通过式(3)得到；

式(3)中，N_s表示正交频分复用子载波总数目，Δf为相邻子载波频率间隔，σ²为雷达接收机噪声功率；为雷达子载波二元分配变量，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；L_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界，|L_rad[k]|²表示第k个子载波上最差情况下的目标探测信道功率，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率。

进一步，所述步骤S2中，表征通信服务质量的通信数据速率表达式如式(4)所示：

式(4)中，R_com为表征通信服务质量的通信数据速率，N_s表示正交频分复用子载波总数目；θ[k]为通信子载波二元分配变量，θ[k]＝1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输，θ[k]＝0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输；L_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，|L_com[k]|²表示第k个子载波上最差情况下的通信信道功率，σ²为雷达接收机噪声功率，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率。

进一步，所述步骤S3中，基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型如式(5)所示：

式(5)中，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率；为雷达子载波二元分配变量，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；θ[k]为通信子载波二元分配变量，θ[k]＝1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输，θ[k]＝0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输；N_s表示正交频分复用子载波总数目；CRLB_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的克拉美-罗下界，τ_t为从雷达到目标的双程时延；J_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的费舍尔信息；R_com为表征通信服务质量的通信数据速率；P_max[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统发射功率的上限；为N_s个正交频分复用子载波所构成的集合；为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合；为分配给通信波形用于数据传输的子载波集合。

进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：按照以下情形对子载波进行分配：

当θ[k]＝0时，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，而不分配给通信波形用于数据传输，则将子载波索引k存入集合中；

当θ[k]＝1时，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计，而分配给通信波形用于数据传输，则将子载波索引k存入集合中；

S42：将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型；

将式(6)转化为式(8)，式(7)转化为式(9)：

其中，r_k＝|R[k]|²，

S43：对于式(8)，采用线性规划算法进行求解，得到雷达通信一体化系统第k个子载波上用于目标参数估计的最优发射功率

S44：对于式(9)，引入拉格朗日乘子ψ_1,k≥0，ψ_2,k≥0和ψ₃≥0，构建如下所示的拉格朗日乘子式：

分别对r_k，ψ_1,k，ψ_2,k和ψ₃求偏导，得到如式(11)所示的卡罗需-库恩-塔克必要条件；

式(11)中，所有带“*”上标的分别表示相应参数的最优解；

通过求解式(11)，获取雷达通信一体化系统第k个子载波上用于通信的最优发射功率表达式为：

式(12)中，通过将式(12)代入下式进行迭代求得：

有益效果：本发明公开了一种基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，以满足一定目标时延参数估计精度克拉美-罗下界阈值和通信数据速率阈值为约束条件，以最小化雷达通信一体化系统的总发射功率为目标，建立基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型并求解，对正交频分复用子载波与各子载波上的发射功率进行联合优化，这样既满足了给定的目标时延参数估计精度和通信数据速率需求，而且在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下，确保雷达通信一体化系统具有射频隐身性能的最优下界，最小化雷达通信一体化系统的总发射功率，从而有效提升系统的射频隐身性能。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，包括以下步骤：

S1：获取雷达通信一体化系统与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ω_rad、雷达通信一体化系统与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ω_com；

S2：在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下，分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式；

S3：根据克拉美-罗下界阈值δ_rad和通信数据速率阈值δ_com建立基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型；

S4：对雷达通信一体化系统稳健资源分配模型进行求解。

步骤S1中，Ω_rad和Ω_com通过式(1)得到：

式(1)中，h_rad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应，h_com[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应，N_s表示正交频分复用子载波总数目，

L_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界，U_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的上界，L_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，U_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的上界。

步骤S2中，表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式如式(2)所示：

CRLB_IRCS(τ_t)＝J_IRCS(τ_t)^-1 (2)

式(2)中，CRLB_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的克拉美-罗下界，τ_t为从雷达到目标的双程时延；J_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的费舍尔信息，通过式(3)得到；

式(3)中，N_s表示正交频分复用子载波总数目，Δf为相邻子载波频率间隔，σ²为雷达接收机噪声功率；为雷达子载波二元分配变量，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；L_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界，|L_rad[k]|²表示第k个子载波上最差情况下的目标探测信道功率，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率。

步骤S2中，表征通信服务质量的通信数据速率表达式如式(4)所示：

式(4)中，R_com为表征通信服务质量的通信数据速率，N_s表示正交频分复用子载波总数目；θ[k]为通信子载波二元分配变量，θ[k]＝1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输，θ[k]＝0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输；L_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，|L_com[k]|²表示第k个子载波上最差情况下的通信信道功率，σ2为雷达接收机噪声功率，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率。

步骤S3中，基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型如式(5)所示：

式(5)中，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率；为雷达子载波二元分配变量，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；θ[k]为通信子载波二元分配变量，θ[k]＝1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输，θ[k]＝0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输；N_s表示正交频分复用子载波总数目；CRLB_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的克拉美-罗下界，τ_t为从雷达到目标的双程时延；J_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的费舍尔信息；R_com为表征通信服务质量的通信数据速率；P_max[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统发射功率的上限；为N_s个正交频分复用子载波所构成的集合；为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合；为分配给通信波形用于数据传输的子载波集合。

步骤S4具体包括以下步骤：

S41：按照以下情形对子载波进行分配：

当θ[k]＝0时，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，而不分配给通信波形用于数据传输，则将子载波索引k存入集合中；

当θ[k]＝1时，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计，而分配给通信波形用于数据传输，则将子载波索引k存入集合中；

S42：将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型；

将式(6)转化为式(8)，式(7)转化为式(9)：

其中，r_k＝|R[k]|²，

S43：对于式(8)，采用线性规划算法进行求解，得到雷达通信一体化系统第k个子载波上用于目标参数估计的最优发射功率

S44：对于式(9)，引入拉格朗日乘子ψ_1,k≥0，ψ_2,k≥0和ψ₃≥0，构建如下所示的拉格朗日乘子式：

分别对r_k，ψ_1,k，ψ_2,k和ψ₃求偏导，得到如式(11)所示的卡罗需-库恩-塔克必要条件；

式(11)中，所有带“*”上标的分别表示相应参数的最优解；

通过求解式(11)，获取雷达通信一体化系统第k个子载波上用于通信的最优发射功率表达式为：

式(12)中，通过将式(12)代入下式进行迭代求得：

本具体实施方式以满足一定目标时延参数估计精度克拉美-罗下界阈值和通信数据速率阈值为约束条件，以最小化雷达通信一体化系统的总发射功率为目标，建立基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型并求解，对正交频分复用子载波与各子载波上的发射功率进行联合优化，这样既满足了给定的目标时延参数估计精度和通信数据速率需求，而且在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下，确保雷达通信一体化系统具有射频隐身性能的最优下界，最小化雷达通信一体化系统的总发射功率，从而有效提升系统的射频隐身性能。

Claims (6)

1.基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取雷达通信一体化系统与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ω_rad、雷达通信一体化系统与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ω_com；

S2：在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下，分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式；

S3：根据克拉美-罗下界阈值δ_rad和通信数据速率阈值δ_com建立基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型；

S4：对雷达通信一体化系统稳健资源分配模型进行求解。

2.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，其特征在于：所述步骤S1中，Ω_rad和Ω_com通过式(1)得到：

式(1)中，h_rad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应，h_com[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应，N_s表示正交频分复用子载波总数目，L_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界，U_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的上界，L_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，U_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的上界。

3.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，其特征在于：所述步骤S2中，表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式如式(2)所示：

CRLB_IRCS(τ_t)＝J_IRCS(τ_t)^-1 (2)

式(2)中，CRLB_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的克拉美-罗下界，τ_t为从雷达到目标的双程时延；J_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的费舍尔信息，通过式(3)得到；

式(3)中，N_s表示正交频分复用子载波总数目，Δf为相邻子载波频率间隔，σ²为雷达接收机噪声功率；为雷达子载波二元分配变量，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；L_rad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界，|L_rad[k]|²表示第k个子载波上最差情况下的目标探测信道功率，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率。

4.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，其特征在于：所述步骤S2中，表征通信服务质量的通信数据速率表达式如式(4)所示：

式(4)中，R_com为表征通信服务质量的通信数据速率，N_s表示正交频分复用子载波总数目；θ[k]为通信子载波二元分配变量，θ[k]＝1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输，θ[k]＝0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输；L_com[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，|L_com[k]|²表示第k个子载波上最差情况下的通信信道功率，σ²为雷达接收机噪声功率，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率。

5.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，其特征在于：所述步骤S3中，基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配模型如式(5)所示：

式(5)中，R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射波形，|R[k]|²表示第k个子载波上雷达通信一体化系统的发射功率；为雷达子载波二元分配变量，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；θ[k]为通信子载波二元分配变量，θ[k]＝1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输，θ[k]＝0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输；N_s表示正交频分复用子载波总数目；CRLB_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的克拉美-罗下界，τ_t为从雷达到目标的双程时延；J_IRCS(τ_t)为雷达通信一体化系统关于τ_t估计的费舍尔信息；R_com为表征通信服务质量的通信数据速率；P_max[k]为第k个子载波上雷达通信一体化系统发射功率的上限；为N_s个正交频分复用子载波所构成的集合；为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合；为分配给通信波形用于数据传输的子载波集合。

6.根据权利要求5所述的基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41：按照以下情形对子载波进行分配：

当时，表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，而不分配给通信波形用于数据传输，则将子载波索引k存入集合中；

当时，表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计，而分配给通信波形用于数据传输，则将子载波索引k存入集合中；

S42：将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型；

将式(6)转化为式(8)，式(7)转化为式(9)：

其中，r_k＝|R[k]|²，

S43：对于式(8)，采用线性规划算法进行求解，得到雷达通信一体化系统第k个子载波上用于目标参数估计的最优发射功率

S44：对于式(9)，引入拉格朗日乘子ψ_1,k≥0，ψ_2,k≥0和ψ₃≥0，构建如下所示的拉格朗日乘子式：

分别对r_k，ψ_1,k，ψ_2,k和ψ₃求偏导，得到如式(11)所示的卡罗需-库恩-塔克必要条件；

式(11)中，所有带“*”上标的分别表示相应参数的最优解；

通过求解式(11)，获取雷达通信一体化系统第k个子载波上用于通信的最优发射功率表达式为：

式(12)中，通过将式(12)代入下式进行迭代求得：