CN114895251A - 基于多变量优化的ofdm雷达通信一体化信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达通信技术领域。本发明首先进行信息相关性优化，并对优化后的信息进行OFDM多载波调制处理，得到发射脉冲信号的数据块部分；再构建多变量优化模型；接着采用基于权重分配的粒子群优化算法求解多变量优化模型；最后将每个OFDM符号对应的码元序列填充到保护间隔中，得到完整的一体化信号。本发明获得的信息序列不仅具有较好的抗干扰性能，更具有较好的自相关和互相关特性，对一体化信号模糊函数的副瓣具有较好的抑制作用；还避免了循环前缀和导频引起的较高副瓣电平，而且节省了频谱资源，可以提高系统的传输效率，同时根据该码元序列能够较好的实现通信同步和信道估计。

Description

基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法

技术领域

本发明涉及雷达通信技术领域，具体涉及基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法。

背景技术

随着电子信息技术的发展，单一电子设备或多台电子设备的简单叠加已经无法应对敌方的综合性作战平台，难以确保实施可靠的侦察、通信、监测等。长期以来，雷达系统和通信系统各自独立的、纵向的发展，而独立的双功能系统存在体积庞大、操作复杂等问题。基于此，雷达和通信一体化系统引起了广泛关注，其优点是减少了雷达和通信系统的干扰，节约了硬件资源，并提升了整个系统的频谱效率，特别是在智能运输系统中，同时需要检测和跟踪汽车、障碍物，以及在同一网络中设备之间的传输信息。因此，同时实现探测和信息传输等功能的一体化波形已经成为目前国内外研究的重点。

雷达通信一体化信号的设计应综合考虑雷达与通信波形各自的特点和需求。对于通信波形，主要目标是要获得良好的带宽效率和功率效率，因为带宽效率越高，通信传输速率越高，而功率效率越高可以获得更高的信噪比，从而获得更低的误码率。对于雷达波形，主要考虑雷达体制的需要，常用的脉冲体制雷达的距离分辨率和多普勒分辨率均可由波形的模糊函数来度量。因此，雷达通信一体化系统应把带有通信信息的模糊函数特性作为一体化波形设计的基本评价准则，尽量降低信息随机性对雷达系统的影响。

正交频分复用(OFDM,orthogonal frequency division multiplexing)信号具有子载波调制灵活，高的频谱利用率，便于同步和均衡等优点，在实际通信中得到了广泛应用，而且在未来车对车(Car-to-Car,C2C)和车对基础设施(Car-to-Infrastructure,C2I)通信中具有重要的应用价值。在雷达应用中，具有大时宽带宽积，且信号编码方式灵活，通过不同的波形设计准则，能够自适应调整信号子载频的系数，具备了认知雷达系统的基本特点。

然而，雷达通信一体化信号需要携带通信信息，而通信信息的不确定性或随时间的可变性造成了雷达模糊函数随通信信息变化，这可能会严重恶化雷达性能。另外，在通信应用中，为了对抗符号间干扰以及实现通信同步，需要设置循环前缀和导频信息，而这些信息在雷达应用中都将产生较高的峰值副瓣电平，从而在多目标环境下产生严重的遮蔽问题，一定程度上限制了OFDM雷达通信一体化信号在实际中的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法，包括以下步骤：

步骤1，进行信息相关性优化，并对优化后的信息进行OFDM多载波调制处理，得到发射脉冲信号的数据块部分；

步骤2，构建多变量优化模型；

步骤3，采用基于权重分配的粒子群优化算法求解多变量优化模型；

步骤4，将每个OFDM符号对应的码元序列填充到保护间隔中，得到完整的一体化信号：

其中，N_p为为保护间隔数据中码元的个数，T_in为一个保护间隔持续时间，T_c为一个码元的持续时间，T_d为一个OFDM数据块持续时间，T_all为一个完整OFDM符号的持续时间，T_all＝T_in+T_d。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)通过Walsh函数正交码和m序列构造一种复合正交序列，并利用该序列进行信息相关性优化，使得获得的信息序列不仅具有较好的抗干扰性能，更具有较好的自相关和互相关特性，对一体化信号模糊函数的副瓣具有较好的抑制作用。

(2)根据一体化信号和保护间隔序列的模糊函数影响因素作为变量选择依据，构建多变量优化模型，并采用基于权重分配的粒子群优化算法获取信息序列作为OFDM信号的保护间隔，不仅避免了循环前缀和导频引起的较高副瓣电平，而且节省了频谱资源，可以提高系统的传输效率，同时根据该码元序列能够较好的实现通信同步和信道估计。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法的流程图；

图2(a)是本发明实施例中复合正交序列的自相关函数结果图；图2(b)是本发明实施例中复合正交序列的互相关函数结果图；

图3(a)为本发明实施例中通过传统方法设计的完整一体化信号的相参积累结果图；图3(b)为本发明实施例中通过本发明方法设计的完整一体化信号的相参积累结果图；

图4是本发明中利用基于权重分配的粒子群优化算法求解多变量优化模型的整体流程图；

图5是本发明方法实施例中通过本发明方法设计的完整的OFDM一体化信号的时频域图；

图6是本发明方法实施例中设定的任意一个单目标的距离和速度联合估计仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

分析通信调制信息对OFDM一体化信号模糊函数的影响因素：

在一个脉冲内，构造一个不含保护间隔、只有OFDM数据块的发射脉冲信号，信号形式为：

其中，N_s为OFDM符号个数，N_c为一个OFDM符号的子载波个数，c(m,n)为第n个OFDM符号的第m个子载波调制的通信信息，f_m为第m个子载波对应的频率，T_s为一个OFDM符号持续时间，rect(g)是矩形窗函数；

根据上述信号模型，其模糊函数可表示为：

其中，τ为时间延迟，ξ为多普勒频移，

为s_data(t)的共轭，针对上述模糊函数，设一个脉冲持续时间为T_p，当|τ|≥T_p时，χ(τ,ξ)＝0，则分别在-T_p＜τ＜0和0≤τ＜T_p下进行讨论，具体如下：

当-T_p＜τ＜0时，

其中，

和

分别为时间延迟为正数和负数情况下两个不同OFDM符号之间的互模糊函数，

表示取x的整数部分，如果不考虑多普勒频移，即ξ＝0时，上式可得：

当0≤τ＜T_p时，

同样，不考虑多普勒频移时，上式可得：

针对上述两种情况，为了使χ(τ,0)的旁瓣尽量较小，需要两种情况下的

和

尽可能的小，假设主瓣宽度为B，当-T_p＜τ＜0时，分别对互模糊函数

和

进行推导分析，可得：

因此，由上述推导结果进一步分析可知，当-T_p＜τ＜0时，为了使两种互模糊函数的旁瓣较小，需要每个OFDM符号所调制的通信信息具有较好的非周期自相关性，并且不同OFDM符号所调制的通信信息具有较好的非周期互相关性，同样地，当0≤τ＜T_p时，也有相同的结论。

参考图1，基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法，包括以下步骤：

步骤1，进行信息相关性优化，并对优化后的信息进行OFDM多载波调制处理，得到发射脉冲信号的数据块部分；

子步骤1.1，产生通信码元信息a(m,n)，并采用高阶QAM实现初始调制，得到通信调制数据b(m,n)；

子步骤1.2，定义Walsh_i为由Hadamard矩阵产生的K个Walsh函数正交码，其中i＝1,2,…,K；产生一个m序列表示为M；则构造的第n个复合正交序列C_n＝M[Walsh₁,Walsh₂,…,Walsh_K]，其中，n＝1,2,…,N_s；

子步骤1.3，得到同一个脉冲下不同OFDM符号对应的复合正交序列矩阵

子步骤1.4，利用复合正交序列矩阵R对通信调制数据b(m,n)进行信息相关性优化处理，得到优化信息c′(m,n)＝b(m,n)R_n；

子步骤1.5，对优化信息c′(m,n)进行OFDM多载波调制处理，得到发射脉冲信号的数据块部分，表示如下：

其中，N_s为OFDM符号个数，N_c为一个OFDM符号的子载波个数，f_m为第m个子载波对应的频率，T_s为一个OFDM符号持续时间，rect(g)是矩形窗函数。

步骤2，构建多变量优化模型；

子步骤2.1，一个完整的一体化信号脉冲的包络可表示为：

s_{ofdm_all}(t)＝s_protect(t)+s_{ofdm_data}(t)

其中，s_protect(t)表示保护间隔数据，s_{ofdm_data}(t)表示OFDM数据段；

则一个完整的一体化信号的模糊函数χ_s(τ,ξ)如式(1)所示：

χ_s(τ,ξ)＝χ_p,p(τ,ξ)+χ_d,d(τ,ξ)+χ_p,d(τ,ξ)+χ_d,p(τ,ξ) (1)

其中，χ_p,p(τ,ξ)为保护间隔数据的自模糊函数，χ_d,d(τ,ξ)为OFDM数据段的自模糊函数，χ_p,d(τ,ξ)保护间隔数据的互模糊函数，χ_d,p(τ,ξ)为OFDM数据段的互模糊函数；

由于保护间隔数据的码元为常量，而通信调制数据为随机变量，取期望有E[χ_p,d(τ,ξ)]＝E[χ_d,p(τ,ξ)]＝0，则对式(1)两边取期望可得：

E[χ_s(τ,ξ)]＝E[χ_p,p(τ,ξ)]+E[χ_d,d(τ,ξ)]

子步骤2.2，将所有的保护间隔数据的非周期自相关函数作为第一个优化参数，设一个OFDM符号的保护间隔长度为L，则第n个保护间隔数据的自相关函数表示为

为了一体化信号模糊函数旁瓣较小，将添加了保护间隔数据后完整的一体化信号的自相关函数均值作为第二个优化参数，设完整的一体化信号的自相关函数均值为E[|χ_s(p,0)|]；

子步骤2.3，根据分析，无论是保护间隔数据的非周期自相关函数，还是完整的一体化信号的自相关函数，都希望它们越小越好，因此构建多变量优化模型为：

为了优化模型计算的便捷性，设

将两种优化参数按比例进行分配，则多变量优化模型可以进一步转化为：

步骤3，参考图4，采用基于权重分配的粒子群优化算法求解多变量优化模型；

子步骤3.1，设粒子数为n，在搜索空间中随机初始化粒子群；对于二维搜索空间，则第i个粒子的位置为X_i＝(x_i,y_i)，第i个粒子的速度为V_i＝(v_xi,v_yi)；

子步骤3.2，根据初始值计算对应的优化参数值，设定权矢量ω的变化间隔，并初始化权矢量；

子步骤3.3，根据多变量优化模型的目标函数，计算每个粒子的适应函数值f_i，获得粒子i最优位置P_i和群体的全局最优位置G_i，然后进行位置和速度更新，第k次迭代的更新公式如下：

其中，c₁和c₂为学习因子，r₁和r₂为两个随机函数，取值范围为[0,1]，ω₁为惯性权重，非负数；

子步骤3.4，当满足全局最优结果，则输出最优解，得到一个OFDM符号最合适的权矢量分配结果；

子步骤3.5，在不同权矢量条件下进行全局最优统计，从而获得一个脉冲信号中每个OFDM符号最合适的权矢量分配结果。

步骤4，将每个OFDM符号对应的码元序列填充到保护间隔中，得到完整的一体化信号：

其中，N_p为为保护间隔数据中码元的个数，T_in为一个保护间隔持续时间，T_c为一个码元的持续时间，T_d为一个OFDM数据块持续时间，T_all为一个完整OFDM符号的持续时间，T_all＝T_in+T_d。

仿真试验

图2(a)是本发明实施例中复合正交序列的自相关函数结果图；图2(b)是本发明实施例中复合正交序列的互相关函数结果图；

参考图3a图3b，可以看出，通过本发明方法设计的的完整一体化信号的相参积累结果相较于传统方法设计的的完整一体化信号的相参积累结果更好；其中，传统方法指相较于本发明方法，没有经过通信信息的相关性优化处理，并且直接利用循环前缀代替保护间隔的方法。

图5是本发明方法实施例中通过本发明方法设计的完整的一体化信号的时频域图；

参考图6，可以看出，使用本发明方法设计的雷达通讯一体化信号能够对任意一个单目标的距离和速度进行较好的估计。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进行信息相关性优化，并对优化后的信息进行OFDM多载波调制处理，得到发射脉冲信号的数据块部分；

步骤2，构建多变量优化模型；

步骤3，采用基于权重分配的粒子群优化算法求解多变量优化模型；

步骤4，将每个OFDM符号对应的码元序列填充到保护间隔中，得到完整的一体化信号：

其中，N_p为为保护间隔数据中码元的个数，T_in为一个保护间隔持续时间，T_c为一个码元的持续时间，T_d为一个OFDM数据块持续时间，T_all为一个完整OFDM符号的持续时间，T_all＝T_in+T_d。

2.根据权利要求1所述的基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤1的子步骤如下：

子步骤1.1，产生通信码元信息a(m,n)，并采用高阶QAM实现初始调制，得到通信调制数据b(m,n)；

子步骤1.2，定义Walsh_i为由Hadamard矩阵产生的K个Walsh函数正交码，其中i＝1,2,…,K；产生一个m序列表示为M；则构造的第n个复合正交序列C_n＝M·[Walsh₁,Walsh₂,…,Walsh_K]，其中，n＝1,2,…,N_s；

子步骤1.3，得到同一个脉冲下不同OFDM符号对应的复合正交序列矩阵

子步骤1.4，利用复合正交序列矩阵R对通信调制数据b(m,n)进行信息相关性优化处理，得到优化信息c′(m,n)＝b(m,n)R_n；

子步骤1.5，对优化信息c′(m,n)进行OFDM多载波调制处理，得到发射脉冲信号的数据块部分，表示如下：

其中，N_s为OFDM符号个数，N_c为一个OFDM符号的子载波个数，f_m为第m个子载波对应的频率，T_s为一个OFDM符号持续时间，rect(g)是矩形窗函数。

3.根据权利要求1所述的基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤2的子步骤如下：

子步骤2.1，一个完整的一体化信号脉冲的包络可表示为：

s_{ofdm_all}(t)＝s_protect(t)+s_{ofdm_data}(t)

其中，s_protect(t)表示保护间隔数据，s_{ofdm_data}(t)表示OFDM数据段；

则一个完整的一体化信号的模糊函数χ_s(τ,ξ)如式(1)所示：

χ_s(τ,ξ)＝χ_p,p(τ,ξ)+χ_d,d(τ,ξ)+χ_p,d(τ,ξ)+χ_d,p(τ,ξ) (1)

其中，χ_p,p(τ,ξ)为保护间隔数据的自模糊函数，χ_d,d(τ,ξ)为OFDM数据段的自模糊函数，χ_p,d(τ,ξ)保护间隔数据的互模糊函数，χ_d,p(τ,ξ)为OFDM数据段的互模糊函数；

取期望有E[χ_p,d(τ,ξ)]＝E[χ_d,p(τ,ξ)]＝0，则对式(1)两边取期望可得：

E[χ_s(τ,ξ)]＝E[χ_p,p(τ,ξ)]+E[χ_d,d(τ,ξ)]

子步骤2.2，设一个OFDM符号的保护间隔长度为L，则第n个保护间隔数据的自相关函数表示为

设完整的一体化信号的自相关函数均值为E[|χ_s(p,0)|]；

子步骤2.3，构建多变量优化模型为：

设

将两种优化参数按比例进行分配，则多变量优化模型转化为：

4.根据权利要求1所述的基于多变量优化的OFDM雷达通信一体化信号设计方法，其特征在于，步骤3的子步骤如下：

子步骤3.1，设粒子数为n，在搜索空间中随机初始化粒子群；对于二维搜索空间，则第i个粒子的位置为X_i＝(x_i,y_i)，第i个粒子的速度为V_i＝(v_xi,v_yi)；

子步骤3.2，根据初始值计算对应的优化参数值，设定权矢量ω的变化间隔，并初始化权矢量；

子步骤3.3，根据多变量优化模型的目标函数，计算每个粒子的适应函数值f_i，获得粒子i最优位置P_i和群体的全局最优位置G_i，然后进行位置和速度更新，第k次迭代的更新公式如下：

其中，c₁和c₂为学习因子，r₁和r₂为两个随机函数，取值范围为[0,1]，ω₁为惯性权重，非负数；

子步骤3.4，当满足全局最优结果，则输出最优解，得到一个OFDM符号最合适的权矢量分配结果；

子步骤3.5，在不同权矢量条件下进行全局最优统计，从而获得一个脉冲信号中每个OFDM符号最合适的权矢量分配结果。

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