CN114866124A - 基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法 - Google Patents

基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，包括：根据通信用户的信道脉冲响应，获取通信用户信道的时延可分辨路径数目、各路径时延和增益向量，并根据角度搜索，获得感知目标的角度信息；在相干时间内，发送端根据通信用户信道的各路径时延，引入相应的时延预补偿，并将生成的数据流保存，用于雷达感知；发送端根据通信用户各路径信道增益向量和感知目标角度，对每条路径设计通信感知一体化发送波束赋形向量，并将结果保存用于雷达感知。通过逐径迫零波束成形的方法消除通信用户的码间串扰，最大化通信信噪比，并使特定角度的感知目标回波信噪比大于信噪比阈值。本发明实现单载波低峰均比无码间串扰通信和高效感知。

Description

基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法
技术领域
本发明属于6G无线接入网演进以及通信感知一体化信号设计和波束赋形领域，尤其涉及基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法。
背景技术
随着无线通信的发展，越来越多的无线接入设备使得频谱资源日渐紧缺。通信感知一体化(integrated sensing and communication,ISAC)逐渐成为未来无线网络发展的一个重要趋势和研究热点。该技术可以高效地利用无线资源，实现通信和感知的互惠，并利用几乎无处不在的通信网络进行感知，构建物理世界和数字世界的桥梁。对于ISAC研究，其中一个关键问题是如何设计同时适用于通信和感知的信号以及波束赋形方法，以同时获得较好的通信和感知性能。
为了达到这一目标，早期的研究主要聚焦在以雷达为中心的方法，其中通信功能作为雷达感知的补充，在不影响其感知性能的前提下，通过在雷达波形中插入通信符号，实现通信。然而，此类方法的通信速率较低，且基于雷达波形调制的通信符号，不能良好适用于复杂多径环境下的通信。另一种研究思路是基于通信信号实现感知，其中典型的方法是基于OFDM(orthogonal frequency division multiplexing,正交频分复用)的ISAC。一方面，OFDM广泛应用于通信标准中，具有良好的抗多径衰落和码间串扰的能力，是宽带通信的主流传输技术。另一方面，基于OFDM的雷达感知可利用FFT(fast Fourier transform，快速傅里叶变换)及其反变换，实现低复杂度的雷达感知信号处理。然而，OFDM信号具有高PAPR(peak-to-average-power ratio,峰均功率比)，相位噪声敏感，以及抗多普勒能力差的问题，该问题一定程度上影响了OFDM的通信和感知性能，特别是远距离和高速移动场景下的ISAC。为了解决OFDM面临的上述问题，研究者们提出了SC-FDMA(single-carrierfrequency division multiple access，单载波频分多址)和OTFS(orthogonal timefrequency space，正交时频空)等调制技术。然而，此类技术需要通信接收端进行复杂的信道均衡，或要求收发端进行复杂的信号处理，增加了信号处理的开销。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法,以解决多径环境下通信感知一体化系统中，信号峰均功率过高或需要复杂通信信道均衡的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，包括以下步骤：
步骤1、根据通信用户信道脉冲响应，获取通信用户信道的时延可分辨路径数目L、各路径时延和增益向量，并根据雷达角度搜索，获取感知目标的角度信息；
步骤2、在一个相干时间内，发送端根据通信用户信道的各路径时延，对待发送的数据流引入相应的时延预补偿，并将生成的L路数据流保存，用于雷达感知；
步骤3、发送端根据通信用户各路径信道增益向量和感知目标角度，对每条路径设计通信感知一体化发送波束赋形向量，并将结果保存用于雷达感知；具体包括以下步骤：利用逐径迫零波束成形的方法消除通信用户的码间串扰，最大化通信信噪比，同时保证特定感知目标角度上的回波信噪比大于感知所需的信噪比阈值；
步骤4、根据步骤2中生成的数据流和步骤3中生成的发送波束赋形向量，生成时延对齐调制信号并发送；
步骤5、通信用户接收信号，利用低复杂度的单载波通信信号处理方法，解调通信符号；
步骤6、雷达接收机根据步骤2中生成的数据流和步骤3中生成的发送波束赋形向量，对各个时延和多普勒区间生成二维匹配滤波器；
步骤7、雷达接收机根据步骤6中生成的匹配滤波器，对接收到的一个相干时间内的回波信号进行二维匹配滤波，并对响应结果进行最大值搜索，找出其峰值对应的时延和多普勒频率，最终得到目标的距离和速度。
进一步的，步骤1中，每条时延可分辨路径包含多个不同离开角的子路径。对于感知，通信信道中散射体的回波信号通过雷达接收端的杂波消除技术进行抑制。
进一步的，步骤3中，所述使用逐径迫零的波束成形方法具体包括以下步骤：要求每条路径的波束赋形向量位于其他路径构成的零空间内，并且需要满足感知目标角度上的最低信噪比要求。
进一步的，步骤4中，对发送信号在每个信道相干时间块内设置一个保护间隔，以避免不同相干时间块之间的干扰，保护间隔的时长设置需同时考虑通信和感知的要求，取所有信道相干时间块的最大时延和最远感知目标回波时延的最大值。
进一步的，步骤6中，对目标可能存在的时延多普勒频率区间，按时延和多普勒频率分辨率划分子区间，并且对每个子区间，根据存入的L路数据流和发送波束赋形向量生成二维匹配滤波器。
进一步的，步骤7中，对于每个相干时间，雷达接收机收到回波信号，进行如下处理：首先去掉保护间隔长度内的回波信号，以避免不同相干时间块回波信号之间的干扰，对剩下的回波信号按步骤6中生成的二维匹配滤波器进行二维匹配滤波，并进行最大值搜索，找出峰值对应的时延和多普勒频率，进而确定目标的距离和速度。
本发明的一种基于时延对齐调制的通信感知一体化信号设计与波束赋形方法，具有以下优点：
1、本方法充分利用信道的稀疏性和大规模天线阵列的空间自由度，通过发送端时延预补偿和逐径迫零波束赋形的方法，能实现多径环境中单载波无码间串扰通信，同时在设计发送波束赋形向量时，充分考虑雷达感知性能，保证了感知目标角度上的信噪比大于感知所需的信噪比阈值。
2、本方法基于时延对齐调制，能实现复杂多径环境中的单载波通信感知一体化，极大地降低了信号的PAPR，提高了系统抗多普勒频偏的能力，使其在远距离和高速场景中也能获得较好的通信和感知性能。
3、本方法基于时延对齐调制，在每个信道相干时间内只需要插入一个保护间隔以避免不同相干时间块之间的干扰，与OFDM传输相比，本方法降低了通信的开销，提高了通信的频谱效率，另一方面，由于本方法中保护间隔数目远小于OFDM，本方法可获得更高的感知信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多径环境下单站通信感知一体化系统示意图；
图2为本发明实施例提供的通信感知一体化发送端信号处理流程示意图；
图3是本发明实施例提供的雷达接收机接收信号处理流程示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于时延对齐调制的通信感知一体化信号设计与波束赋形方法做进一步详细的描述。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1是根据实施例示出的多径环境下的单站通信感知一体化的场景，其中通信感知一体化发送机和雷达接收机集成在一个设备上，有多个发送天线单元和一个接收天线单元，可以同时发送信号，并接收目标反射的回波。另一方面，散射体的回波可以通过雷达杂波消除技术进行抑制，从而不影响目标感知。
图2是根据实施例示出的基于时延对齐调制的发送端信号处理流程和面向通信感知一体化的波束赋形方法。根据通信用户信道各路径的信道增益向量和感知目标角度，对每条路径设计通信感知一体化发送波束赋形向量，并将结果保存用于雷达感知。具体是，利用逐径迫零波束成形方法消除通信接收端的码间串扰，最大化通信信噪比，同时保证特定感知目标角度上的回波信噪比大于感知所需的信噪比阈值。
图3是根据实施例示出的雷达接收机接收信号处理流程示意图。雷达接收机根据存入的L路数据流和发送波束赋形向量，对各个时延和多普勒区间生成二维匹配滤波器。对于一个相干时间内，雷达接收机收到回波信号后，进行如下处理：首先去掉保护间隔长度内的回波信号，以避免不同相干时间内回波信号之间的干扰，对剩下的回波信号进行二维匹配滤波，并进行最大值搜索，找出峰值对应的时延和多普勒频率，进而确定目标的距离和速度。
基于以上定义，实施例的具体实现步骤可概括为如下：
步骤1、参数初始化。根据通信用户的信道脉冲响应，获取信道的时延可分辨路径数目L、各路径时延
Figure BDA0003621326180000041
和信道增益向量
Figure BDA0003621326180000042
并根据雷达角度搜索，获取感知目标的角度信息θ。
步骤2、计算信道的最大时延
Figure BDA0003621326180000043
对计算各路径的时延预补偿κl＝nmax-nl,l＝1,…,L；对待发送的数据流引入相应的时延预补偿，生成L路数据流构成的矩阵
Figure BDA0003621326180000051
其中
Figure BDA0003621326180000052
N为发送信号长度，并将该矩阵保存用于雷达感知；
步骤3、根据通信用户信道增益向量
Figure BDA0003621326180000053
计算各路信道的零空间投影矩阵
Figure BDA0003621326180000054
其中
Figure BDA0003621326180000055
IM为M阶单位阵，M为发送天线数目。初始化待设计的波束赋形向量
Figure BDA0003621326180000056
并设定感知信噪比阈值γth。在不大于发送信号平均功率P的情况下，最大化通信信噪比，同时满足感知信噪比不低于γth，求解最优波束赋形向量，如下式所示
Figure BDA0003621326180000057
Figure BDA0003621326180000058
其中
Figure BDA0003621326180000059
Figure BDA00036213261800000510
为发送天线在感知目标角度上的方向向量。根据上式中求出的
Figure BDA00036213261800000511
生成发送波束赋形矩阵
Figure BDA00036213261800000512
其中fl＝Qlbl,l＝1,…,L，并将其保存用于雷达感知接收。
步骤4、根据步骤2生成的时延数据流
Figure BDA00036213261800000513
和步骤3中生成的发送波束赋形矩阵F，生成时延对齐调制信号
Figure BDA00036213261800000514
并发送。
步骤5、通信用户接收信号，利用简单的单载波通信信号处理方法，解调通信符号。
步骤6、雷达接收机根据步骤2和步骤3中生成的数据流
Figure BDA00036213261800000515
和发送波束赋形矩阵F，对各个时延和多普勒区间生成二维匹配滤波器，如下式所示
Figure BDA00036213261800000516
其中P为时延区间的数目，Q为多普勒区间的数目，(np,fq),p＝0,…P-1,q＝0,…,Q-1分别为第p个时延区间和第q个多普勒区间对应的时延和多普勒频率，
Figure BDA00036213261800000517
为多普勒频率估计向量。
步骤7、对于每个相干时间内，雷达接收机收到回波信号后，进行如下处理：首先去掉保护间隔长度内的回波信号，以避免不同相干时间内回波信号之间的干扰，对剩下的回波信号按步骤6中设计的二维匹配滤波器进行二维匹配滤波，并进行最大值搜索，找出峰值对应的时延
Figure BDA0003621326180000061
和多普勒频率
Figure BDA0003621326180000062
即
Figure BDA0003621326180000063
其中
Figure BDA0003621326180000064
为二维匹配滤波器的响应输出，
Figure BDA0003621326180000065
为接收到的回波信号，进而估计出目标的距离和速度。
上述方法利用信道的稀疏性和大规模天线阵列的空间自由度，通过发送端时延预补偿和逐径迫零波束赋形的方法(步骤2和步骤3)，能实现多径环境下的单载波无码间串扰通信，同时在设计发送波束赋形向量时，充分考虑雷达感知性能，保证了感知目标角度上的信噪比大于感知所需的信噪比阈值(步骤3)。特别的，本方法基于时延对齐调制，只需在每个信道相干时间内插入一个保护间隔以避免不同相干时间块之间的干扰，与OFDM传输相比，本方法降低了通信的开销，提高了通信的频谱效率，另一方面，由于本方法的保护间隔数目远小于OFDM，本方法可获得更高的感知信噪比(步骤7)。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据通信用户信道脉冲响应，获取通信用户信道的时延可分辨路径数目L、各路径时延和增益向量，并根据雷达角度搜索，获取感知目标的角度信息；
步骤2、在一个相干时间内，发送端根据通信用户信道的各路径时延，对待发送的数据流引入相应的时延预补偿，并将生成的L路数据流保存，用于雷达感知；
步骤3、发送端根据通信用户各路径信道增益向量和感知目标角度，对每条路径设计通信感知一体化发送波束赋形向量，并将结果保存用于雷达感知；具体包括以下步骤：利用逐径迫零波束成形的方法消除通信用户的码间串扰，最大化通信信噪比，同时保证特定感知目标角度上的回波信噪比大于感知所需的信噪比阈值；
步骤4、根据步骤2中生成的数据流和步骤3中生成的发送波束赋形向量，生成时延对齐调制信号并发送；
步骤5、通信用户接收信号，利用低复杂度的单载波通信信号处理方法，解调通信符号；
步骤6、雷达接收机根据步骤2中生成的数据流和步骤3中生成的发送波束赋形向量，对各个时延和多普勒区间生成二维匹配滤波器；
步骤7、雷达接收机根据步骤6中生成的匹配滤波器，对接收到的一个相干时间内的回波信号进行二维匹配滤波，并对响应结果进行最大值搜索，找出其峰值对应的时延和多普勒频率，最终得到目标的距离和速度。
2.根据权利要求1所述的基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，其特征在于，步骤1中，每条时延可分辨路径包含多个不同离开角的子路径。对于感知，通信信道中散射体的回波信号通过雷达接收端的杂波消除技术进行抑制。
3.根据权利要求1所述的基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，其特征在于，步骤3中，所述使用逐径迫零的波束成形方法具体包括以下步骤：要求每条路径的波束赋形向量位于其他路径构成的零空间内，并且需要满足感知目标角度上的最低信噪比要求。
4.根据权利要求1所述的基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，其特征在于，步骤4中，对发送信号在每个信道相干时间块内设置一个保护间隔，以避免不同相干时间块之间的干扰，保护间隔的时长设置需同时考虑通信和感知的要求，取所有信道相干时间块的最大时延和最远感知目标回波时延的最大值。
5.根据权利要求1所述的基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，其特征在于，步骤6中，对预定感知的时延多普勒频率区间，按时延和多普勒频率分辨率划分子区间，并且对每个子区间，根据存入的L路数据流和发送波束赋形向量生成二维匹配滤波器。
6.根据权利要求1所述的基于时延对齐调制的通感一体化信号设计与波束赋形方法，其特征在于，步骤7中，对于每个相干时间，雷达接收机收到回波信号，进行如下处理：首先去掉保护间隔长度内的回波信号，以避免不同相干时间块回波信号之间的干扰，对剩下的回波信号按步骤6中生成的二维匹配滤波器进行二维匹配滤波，并进行最大值搜索，找出峰值对应的时延和多普勒频率，进而确定目标的距离和速度。
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WO2024082633A1 (zh) * 2022-10-17 2024-04-25 大唐移动通信设备有限公司 一种利用感知信号进行感知处理的方法和装置及设备

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