CN110493811B - 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

基于射频隐身的雷达通信一体化系统稳健资源分配方法 Download PDF

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CN110493811B CN201910753078.3A CN201910753078A CN110493811B CN 110493811 B CN110493811 B CN 110493811B CN 201910753078 A CN201910753078 A CN 201910753078A CN 110493811 B CN110493811 B CN 110493811B
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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Ωrad、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Ωcom；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δrad和通信数据速率阈值δcom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Ωrad、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Ωcom；
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δrad和通信数据速率阈值δcom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，Ωrad和Ωcom通过式(1)得到：
Figure BDA0002167852390000021
式(1)中，hrad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应，hcom[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应，Ns表示正交频分复用子载波总数目，Lrad[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，Urad[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，Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，Ucom[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：
CRLBIRCS(τt)＝JIRCS(τt)-1 (2)
式(2)中，CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的克拉美-罗下界，τt为从雷达到目标的双程时延；JIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的费舍尔信息，通过式(3)得到；
Figure BDA0002167852390000022
式(3)中，Ns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；
Figure BDA0002167852390000023
为雷达子载波二元分配变量，
Figure BDA0002167852390000024
表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，
Figure BDA0002167852390000025
表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；Lrad[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，|Lrad[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：
Figure BDA0002167852390000031
式(4)中，Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率，Ns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；Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，|Lcom[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：
Figure BDA0002167852390000033
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；
Figure BDA0002167852390000034
为雷达子载波二元分配变量，
Figure BDA0002167852390000041
表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，
Figure BDA0002167852390000042
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；Ns表示正交频分复用子载波总数目；CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的克拉美-罗下界，τt为从雷达到目标的双程时延；JIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的费舍尔信息；Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率；Pmax[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；
Figure BDA0002167852390000043
为Ns个正交频分复用子载波所构成的集合；
Figure BDA0002167852390000044
为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合；
Figure BDA0002167852390000045
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
Figure BDA0002167852390000046
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
Figure BDA0002167852390000047
中；
当
Figure BDA0002167852390000048
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
Figure BDA0002167852390000049
中；
S42：将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型；
Figure BDA00021678523900000410
Figure BDA0002167852390000051
将式(6)转化为式(8)，式(7)转化为式(9)：
Figure BDA0002167852390000052
Figure BDA0002167852390000053
其中，rk＝|R[k]|2，
Figure BDA0002167852390000054
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
Figure BDA0002167852390000055
S44：对于式(9)，引入拉格朗日乘子ψ1,k≥0，ψ2,k≥0和ψ3≥0，构建如下所示的拉格朗日乘子式：
Figure BDA0002167852390000056
分别对rk，ψ1,k，ψ2,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；
Figure BDA0002167852390000061
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
Figure BDA0002167852390000062
表达式为：
Figure BDA0002167852390000063
式(12)中，
Figure BDA0002167852390000064
通过将式(12)代入下式进行迭代求得：
Figure BDA0002167852390000065
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Ωrad、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Ωcom；
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δrad和通信数据速率阈值δcom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，Ωrad和Ωcom通过式(1)得到：
Figure BDA0002167852390000071
式(1)中，hrad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应，hcom[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应，Ns表示正交频分复用子载波总数目，
Lrad[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，Urad[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，Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，Ucom[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：
CRLBIRCS(τt)＝JIRCS(τt)-1 (2)
式(2)中，CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的克拉美-罗下界，τt为从雷达到目标的双程时延；JIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的费舍尔信息，通过式(3)得到；
Figure BDA0002167852390000072
式(3)中，Ns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；
Figure BDA0002167852390000081
为雷达子载波二元分配变量，
Figure BDA0002167852390000082
表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，
Figure BDA0002167852390000083
表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；Lrad[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，|Lrad[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：
Figure BDA0002167852390000084
式(4)中，Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率，Ns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；Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，|Lcom[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：
Figure BDA0002167852390000085
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；
Figure BDA0002167852390000091
为雷达子载波二元分配变量，
Figure BDA0002167852390000092
表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，
Figure BDA0002167852390000093
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；Ns表示正交频分复用子载波总数目；CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的克拉美-罗下界，τt为从雷达到目标的双程时延；JIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的费舍尔信息；Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率；Pmax[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；
Figure BDA0002167852390000094
为Ns个正交频分复用子载波所构成的集合；
Figure BDA0002167852390000095
为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合；
Figure BDA0002167852390000096
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
Figure BDA0002167852390000097
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
Figure BDA0002167852390000098
中；
当
Figure BDA0002167852390000099
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
Figure BDA00021678523900000910
中；
S42：将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型；
Figure BDA00021678523900000911
Figure BDA0002167852390000101
将式(6)转化为式(8)，式(7)转化为式(9)：
Figure BDA0002167852390000102
Figure BDA0002167852390000103
其中，rk＝|R[k]|2，
Figure BDA0002167852390000104
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
Figure BDA0002167852390000105
S44：对于式(9)，引入拉格朗日乘子ψ1,k≥0，ψ2,k≥0和ψ3≥0，构建如下所示的拉格朗日乘子式：
Figure BDA0002167852390000106
分别对rk，ψ1,k，ψ2,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；
Figure BDA0002167852390000111
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
Figure BDA0002167852390000112
表达式为：
Figure BDA0002167852390000113
式(12)中，
Figure BDA0002167852390000114
通过将式(12)代入下式进行迭代求得：
Figure BDA0002167852390000115
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Ωrad、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Ωcom；
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δrad和通信数据速率阈值δcom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，Ωrad和Ωcom通过式(1)得到：
Figure FDA0003096601340000011
式(1)中，hrad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应，hcom[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应，Ns表示正交频分复用子载波总数目，Lrad[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，Urad[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，Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，Ucom[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2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：
CRLBIRCS(τt)＝JIRCS(τt)-1 (2)
式(2)中，CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的克拉美-罗下界，τt为从雷达到目标的双程时延；JIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的费舍尔信息，通过式(3)得到；
Figure FDA0003096601340000021
式(3)中，Ns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；
Figure FDA0003096601340000022
为雷达子载波二元分配变量，
Figure FDA0003096601340000023
表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，
Figure FDA0003096601340000024
表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计；Lrad[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，|Lrad[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：
Figure FDA0003096601340000025
式(4)中，Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率，Ns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；Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界，|Lcom[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3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：
Figure FDA0003096601340000031
Figure FDA0003096601340000032
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；
Figure FDA0003096601340000033
为雷达子载波二元分配变量，
Figure FDA0003096601340000034
表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计，
Figure FDA0003096601340000035
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；Ns表示正交频分复用子载波总数目；CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的克拉美-罗下界，τt为从雷达到目标的双程时延；JIRCS(τt)为雷达通信一体化系统关于τt估计的费舍尔信息；Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率；Pmax[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；
Figure FDA0003096601340000036
为Ns个正交频分复用子载波所构成的集合；
Figure FDA0003096601340000037
为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合；
Figure FDA0003096601340000038
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
Figure FDA0003096601340000039
Figure FDA00030966013400000310
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
Figure FDA00030966013400000311
中；
当
Figure FDA0003096601340000041
Figure FDA0003096601340000042
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
Figure FDA0003096601340000043
中；
S42：将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型；
Figure FDA0003096601340000044
Figure FDA0003096601340000045
将式(6)转化为式(8)，式(7)转化为式(9)：
Figure FDA0003096601340000046
Figure FDA0003096601340000047
其中，rk＝|R[k]|2，
Figure FDA0003096601340000048
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
Figure FDA0003096601340000049
S44：对于式(9)，引入拉格朗日乘子ψ1,k≥0，ψ2,k≥0和ψ3≥0，构建如下所示的拉格朗日乘子式：
Figure FDA0003096601340000051
分别对rk，ψ1,k，ψ2,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；
Figure FDA0003096601340000052
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
Figure FDA0003096601340000053
表达式为：
Figure FDA0003096601340000054
式(12)中，
Figure FDA0003096601340000055
通过将式(12)代入下式进行迭代求得：
Figure FDA0003096601340000056
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