CN112866168A - 用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于太赫兹通信的SI‑DFT‑s‑OFDM系统，包括：通信感知发送端、与通信感知发送端通过太赫兹无线通信信道相连的通信接收端以及与通信感知发送端通过感知信道相连的感知接收端，其中：通信感知发送端将通信数据调制并发射太赫兹无线信号，感知接收端接收到的目标反射的太赫兹无线信号，经参数估计并输出目标的距离和速度，通信接收端根据接收到的太赫兹无线信号进行数字解调并输出通信数据。本发明通过将感知的功能集成到DFT‑s‑OFDM系统中，充分利用了太赫兹信道特性，同时减少了发射信号的峰均功率比。

Description

用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统
技术领域
本发明涉及的是一种太赫兹通信领域的技术，具体是一种用于太赫兹通信的感知集成离散傅里叶变换正交频分复用(SI-DFT-s-OFDM)系统。
背景技术
太赫兹通信感知一体化(THz joint communication and sensing)技术集成了通信和感知的同时，提供包括雷达感知、定位、成像和频谱图服务。但由于自由空间的传播损耗和反射损耗在THz频段变得更强，因此通信链路的有效射线数目减少。定向天线用于提供较高的天线增益并补偿严重的路径损耗，从而增加了通信信道的相干带宽。其次，较高频率下的发射机的功率放大器(PA)效率对发射信号的峰均功率比(PAPR)更为敏感。
为了提高太赫兹通信感知的能量效率，应考虑降低峰均功率比。现有技术通过基于正交频分复用(OFDM)的通信感知一体化，其频谱效率高并且实现了良好的感知精度。但是，OFDM具有较高的PAPR，可能不适用于THz系统。相比之下，纯粹的单载波波形通过使用具有良好自相关特性的编码序列来实现距离估计，但是这会极大地牺牲数据速率。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统，将感知的功能集成到DFT-s-OFDM系统中，充分利用了太赫兹信道特性，同时减少了发射信号的峰均功率比。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统，包括：通信感知发送端、与通信感知发送端通过太赫兹无线通信信道相连的通信接收端以及与通信感知发送端通过感知信道相连的感知接收端，其中：通信感知发送端将通信数据调制并发射太赫兹无线信号，感知接收端接收到的目标反射的太赫兹无线信号，经参数估计并输出目标的距离和速度，通信接收端根据接收到的太赫兹无线信号进行数字解调并输出通信数据。
技术效果
与现有技术相比，本发明利用了太赫兹频段的信道特性，即通信信道的时延扩展远小于感知信道的最大探测时延扩展。比起OFDM系统能够降低大约3dB左右的峰均功率比，比起DFT-s-OFDM系统能提高18％的数据速率，同时能实现毫米级的距离估计精度。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明帧结构示意图；
图3为通信感知发送端示意图；
图4为通信接收端示意图；
图5-图7为实施例效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统，包括：通信感知发送端以及感知接收端和通信接收端，其中：通信感知发送端根据发射数据源的通信信息进行数字调制、数模转换(DAC)处理并输出SI-DFT-s-OFDM调制射频信号，感知接收端根据目标反射信号进行模数转换(ADC)、数字解调、参数估计处理并输出目标距离和速度估计结果，通信接收端根据接收信号进行模数转换、数字解调处理并输出通信信息。
所述的参数估计处理具体步骤包括：
步骤1、根据接收到的频域参考块信号以及发射参考块信号进行信道估计，获得信道频率响应。
步骤2、根据估计出的信道频率响应，通过基于DFT的周期图方法估计出目标距离和速度。
所述的基于DFT的周期图方法，采用但不限于C.Sturm et al.于文献“Waveformdesign and signal processing aspects for fusion of wireless communicationsand radar sensing,”(Proc.IEEE,vol.99,no.7,pp.1236–1259,July 2011.)中记载的方式实现。
本实施例涉及一种基于上述系统的通信方法，包括基于参考块的感知(RBS)算法和频域均衡(FDE)方法，具体步骤包括：
步骤1、通信感知发送端通过离散傅里叶变换扩展的正交频分复用调制(DFT-s-OFDM)方式生成由数据块、参考块和混合块组成的发射波形。
将MDB个数据块、MRB个参考块、MHB个混合块组成为一个数据帧，得到发射波形中包含的数据帧信息为：
Figure BDA0002962680180000021
其中：
Figure BDA0002962680180000022
为参考块频域信号，
Figure BDA0002962680180000023
为混合块频域信号，
Figure BDA0002962680180000024
为数据块频域信号，m表示块编号，Sr为邻近的两个参考块的间隔长度，Sh表示邻近的两个混合块的间隔长度，qm为第m个块之前的参考块和混合块的个数。
如图3所示，所述的正交频分复用调制包括：星座图映射、离散傅里叶变换(DFT)、插入导频序列、子载波映射、离散傅里叶变换的逆变换(IDFT)以及添加循环前缀，其中：星座图映射将通信数据调制为数字码元并生成数据块以及混合块，DFT将数据块变换为频域信号，DFT将混合快变换为频域信号，同时，将导频参考码元插入到频域信号中，子载波映射将频域信号映射到多个子载波上，IDFT将频域码元块变换为时域码元块，添加循环前缀操作将码元块的部分码元复制作为块前缀，输出发射数字信号。
步骤2、感知接收端对接收到的目标反射信号进行正交频分复用解调处理，并通过参数估计处理得到感知目标距离以及速度；通信接收端对接收到的无线信号进行相应的数字解调处理得到通信数据。
如图4所示，所述的参数估计处理包括：将接收到的数字信号的块前缀部分丢弃后，通过DFT将数字时域信号转换为频域信号，并进行子载波解映射得到发射频域码元块，最后根据发射频域码元块、接收频域码元块通过基于DFT的周期图方法得到目标距离以及速度。
所述的数字解调处理包括：将接收到的数字信号的块前缀部分丢弃后，通过DFT将接收到的无线信号转换为频域信号，并进行子载波解映射得到频域码元块，通过频域均衡补偿信道多径衰落并估计出发射频域码元块，再通过IDFT将发射频域码元块变换为时域码元块，最后通过星座图解映射得到通信数据。
如图5所示，为本发明(SI-DFT-s-OFDM)方法与OFDM的峰均功率比(PAPR)的比较，如图可见，本发明方法具有更低的峰均功率比。
如图6所示，为本发明(SI-DFT-s-OFDM)系统基于参考块的感知算法与OFDM系统基于数据块的感知算法性能比较，性能指标为距离均方根误差，如图可见，本发明方法具有更低的距离均方根误差(Range RMSE)。
如图7所示，为本发明(SI-DFT-s-OFDM)系统子帧1与子帧2的误码率(BER)以及数据吞吐量(Throughput)比较，如图可见，比起子帧1，子帧2的引入能够降低误码率，提高数据吞吐量。
经过具体实际实验，在MATLAB的仿真环境设置下，以0.3THz的载波频率、5MHz的子载波间隔、256个子载波、块长度256、4-QAM的调制方式、目标距离20m、目标速度10m/s等参数进行仿真，本发明数据块的峰均功率比小于8dB，在太赫兹频段的距离感知精度达到毫米级，误码率能够达到10-4以下。
综上，本发明通过通信感知技术，并在数据帧插入了三种资源块，即数据块、参考块、混合块。比起OFDM波形峰均功率比降低大约3.2dB，比起微波频段能够将距离估计精度由厘米级提升到毫米级，混合块的导频插入方式能够比参考块增加18％的数据吞吐量。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统，其特征在于，包括：通信感知发送端、与通信感知发送端通过太赫兹无线通信信道相连的通信接收端以及与通信感知发送端通过感知信道相连的感知接收端，其中：通信感知发送端将通信数据调制并发射太赫兹无线信号，感知接收端接收到的目标反射的太赫兹无线信号，经参数估计并输出目标的距离和速度，通信接收端根据接收到的太赫兹无线信号进行数字解调并输出通信数据。
2.根据权利要求1所述的用于太赫兹通信的SI-DFT-s-OFDM系统，其特征是，所述的参数估计处理具体步骤包括：
步骤1、根据接收到的频域参考块信号以及发射参考块信号进行信道估计，获得信道频率响应；
步骤2、根据估计出的信道频率响应，通过基于DFT的周期图方法估计出目标距离和速度。
3.一种基于权利要求1或2所述系统的通信方法，其特征在于，包括基于参考块的感知算法和频域均衡方法，具体步骤包括：
步骤1、通信感知发送端通过离散傅里叶变换扩展的正交频分复用调制方式生成由数据块、参考块和混合块组成的发射波形，其中：数据块由星座图映射后的码元组成；参考块的参考码元由恒包络Zadoff-Chu序列生成；混合块由数据码元以及等间隔分布的参考码元混合组成；
步骤2、感知接收端对接收到的目标反射信号进行正交频分复用解调处理，并通过参数估计处理得到感知目标距离以及速度；通信接收端对接收到的无线信号进行相应的数字解调处理得到通信数据。
4.根据权利要求3所述的通信方法，其特征是，所述的正交频分复用调制包括：星座图映射、离散傅里叶变换(DFT)、插入导频序列、子载波映射、离散傅里叶变换的逆变换(IDFT)以及添加循环前缀，其中：星座图映射将通信数据调制为数字码元并生成数据块以及混合块，DFT将数据块变换为频域信号，DFT将混合快变换为频域信号，同时，将导频参考码元插入到频域信号中，子载波映射将频域信号映射到多个子载波上，IDFT将频域码元块变换为时域码元块，添加循环前缀操作将码元块的部分码元复制作为块前缀，输出发射数字信号。
5.根据权利要求3所述的通信方法，其特征是，所述的参数估计处理包括：将接收到的数字信号的块前缀部分丢弃后，通过DFT将数字时域信号转换为频域信号，并进行子载波解映射得到发射频域码元块，最后根据发射频域码元块、接收频域码元块通过基于DFT的周期图方法得到目标距离以及速度。
6.根据权利要求3所述的通信方法，其特征是，所述的数字解调处理包括：将接收到的数字信号的块前缀部分丢弃后，通过DFT将接收到的无线信号转换为频域信号，并进行子载波解映射得到频域码元块，通过频域均衡补偿信道多径衰落并估计出发射频域码元块，再通过IDFT将发射频域码元块变换为时域码元块，最后通过星座图解映射得到通信数据。
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