CN115314940B - 基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统 - Google Patents

基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115314940B
CN115314940B CN202211195097.7A CN202211195097A CN115314940B CN 115314940 B CN115314940 B CN 115314940B CN 202211195097 A CN202211195097 A CN 202211195097A CN 115314940 B CN115314940 B CN 115314940B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frame structure
radar
communication
doppler
delay
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211195097.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115314940A (zh
Inventor
王千里
杨子堃
刘刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202211195097.7A priority Critical patent/CN115314940B/zh
Publication of CN115314940A publication Critical patent/CN115314940A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115314940B publication Critical patent/CN115314940B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W28/00—Network traffic management; Network resource management
    • H04W28/02—Traffic management, e.g. flow control or congestion control
    • H04W28/06—Optimizing the usage of the radio link, e.g. header compression, information sizing, discarding information
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0202—Channel estimation
    • H04L25/0224—Channel estimation using sounding signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法及系统，涉及通信和雷达技术领域；通过自适应OTFS帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信；引入了动态调整帧结构的功能，不再局限于一种固定的帧结构，而是根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整设计，来满足一体化系统在不同场景中对通信和雷达性能的要求；这种设计使得一体化波形能够在系统对通信性能和雷达性能的要求下达到折衷和调整。

Description

基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法及系统
技术领域
本发明涉及通信和雷达技术领域，具体涉及基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法及系统。
背景技术
目前来看，雷达和通信作为两个独立的系统分别按照各自的功能用途在不同的频段上独立设计，但随着通信载波的频率不断向高频搬移，通信设备和雷达设备共享频段逐渐成为发展趋势，随着这种趋势的不断推进，实现雷达通信一体化的愿景已经成为可能，其技术的关键在于设计出能够同时满足通信和雷达功能的信号波形。
现有的基于通信系统的雷达通信一体化技术方案，典型如主流的OFDM的雷达通信一体化系统，尽管在通信上具有高频谱利用率，在雷达上具有高分辨，但是OFDM雷达通信一体化信号的性能依赖于子载波间的正交性，在检测高速运动的物体时，易受到多普勒频偏的影响导致严重的码间干扰，同时它的峰值平均功率比较高；为解决OFDM一体化系统带来的问题，通过OTFS调制技术实现在时延-多普勒域上调制信息，将传输的信号遍布整个时频域资源，利用全分集增益进行雷达处理，能够在高多普勒环境下与高速移动物体进行通信，减小了载波间干扰，实现更大的多普勒频率估计；但目前对于OTFS雷达通信一体化的研究主要集中在雷达探测目标的参数估计和通信雷达波形的复用技术上，并没有对OTFS信号的帧结构进行过多的考虑。
现有的雷达通信一体化方案介绍了OTFS技术的基本实现原理，并将其与OFDM技术相比较，通过仿真验证其相比于OFDM技术而言能够有效克服高速运动时带来的多普勒平移，克服通信系统中存在的挑战，增加通信系统的鲁棒性，同时通过类比不同的导频序列和信道估计来改善OTFS系统的误码率性能和估计性能。但实际上信道估计算法中不同导频序列的使用会降低频带利用率，造成频谱资源的浪费，同时OTFS系统相比于OFDM调制系统，可能会遭受更大的延迟和多普勒平移，另外OTFS信号在高密度通信的情况下会存在载波间的相互干扰的问题，系统鲁棒性降低，使得通信和性能下降。
同时在现有的雷达通信一体化采用时分复用的方法为雷达探测和通信传输分配工作时隙并插入保护带来实现通信雷达一体化系统多样化的功能需求。但实际上这种雷达通信一体化实现方式的不足之处在于其不能实现雷达和通信同时工作，会降低雷达通信一体化的信息传输效率，无法在通信的同时做到雷达定位；同时，其帧结构较为固定且插入的保护带无法自适应系统对雷达分辨率和通信数据量的要求会对OTFS一体化信号的性能带来影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统的雷达通信一体化实现方式实现雷达和通信同时工作效果不佳，信号的帧结构较为固定不便于调整，难以同时兼顾雷达分辨率和通信数据量；本发明目的在于提供基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法及系统，通过自适应OTFS帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信，解决上述技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，包括步骤：
步骤一：对通信数据流进行OTFS调制得到雷达通信一体化信号；
步骤二：对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理；
根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，优化过程包括调整每个帧结构中的中导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；
步骤三：基站向用户端发送自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端向基站发送通信信号并反射雷达回波信号；
步骤四：基站通信接收通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
本方案工作原理：传统的雷达通信一体化实现方式实现雷达和通信同时工作效果不佳，信号的帧结构较为固定不便于调整，难以同时兼顾雷达分辨率和通信数据量；本方案提供基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，通过自适应OTFS帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信；引入了动态调整帧结构的功能，不再局限于一种固定的帧结构，而是根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整设计，来满足一体化系统在不同场景中对通信和雷达性能的要求。这种设计使得一体化波形能够在系统对通信性能和雷达性能的要求下达到折衷和调整；有效解决上述技术问题。
进一步优化方案为，步骤一包括以下子步骤：
S1：将串行通信数据流先进行信源压缩编码，再进行数字信号调制得到相对应的数据符号x[k，l]；k表示多普勒域的索引，l表示时延域的索引；
S2：对调制好的数据符号
Figure 858700DEST_PATH_IMAGE001
进行OTFS调制；其中数据符号
Figure 713524DEST_PATH_IMAGE002
在时延多普勒平面中，时延方向上以
Figure 40731DEST_PATH_IMAGE003
为间隔，多普勒频移方向上以1/(NT)为间隔；M代表频域上的子载波数量，N代表时域上的OTFS符号数量，
Figure 373623DEST_PATH_IMAGE004
示通信数据流在时延多普勒域中时延方向的周期，1/T表示通信数据流在时延多普勒域中多普勒方向的周期。
进一步优化方案为，S2包括以下子步骤：
S21：定义时延多普勒平面数据网格为
Figure 391258DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 820578DEST_PATH_IMAGE006
满足：
Figure 228556DEST_PATH_IMAGE007
；
S22：将时延多普勒域中的数据符号
Figure 896298DEST_PATH_IMAGE008
中MN个数据信息符号摆放至时延多普勒域信号网格中，对数据信息符号进行辛有限逆傅里叶变换，将数据符号
Figure 34018DEST_PATH_IMAGE009
由在时延多普勒域上的二维正交基函数扩展为时频域上的符号
Figure 230644DEST_PATH_IMAGE010
，m表示多普勒域的索引，n表示时延域的索引；映射过程满足：
Figure 391498DEST_PATH_IMAGE011
，
其中M代表频域上的子载波数量，N代表时域上的OTFS符号数量，j表示虚数单位；
定义时频域的平面网格为
Figure 66193DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 807489DEST_PATH_IMAGE013
满足：
Figure 440596DEST_PATH_IMAGE014
S23：通过海森堡变换将时频域中的符号
Figure 151063DEST_PATH_IMAGE015
转化为连续的时域发送信号x(t)，时域发送信号x(t)为雷达通信一体化信号，变换公式如下：
Figure 629449DEST_PATH_IMAGE016
，
式中
Figure 476182DEST_PATH_IMAGE017
代表发送脉冲/波形，t代表时间。
进一步优化方案为，步骤二包括以下子步骤：
T1：构建典型的帧结构模型；
T2：根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于典型的帧结构模型实时对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整，以保证所有通信性能参数和雷达性能参数均在阈值范围内；
调整的范围包括：每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的分组、位置和数量。
进一步优化方案为，典型的帧结构模型包括：
第一典型帧结构模型，表达式为：
Figure 14611DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 212374DEST_PATH_IMAGE019
为导频符号，0为保护符号，
Figure 760030DEST_PATH_IMAGE020
分别表示时延多普勒平面数据网格
Figure 461270DEST_PATH_IMAGE005
中的一个格子的多普勒轴上的坐标和时延轴上的坐标；
第二典型帧结构模型，表达式为：
Figure 701758DEST_PATH_IMAGE021
；
其中
Figure 121238DEST_PATH_IMAGE022
表示数据符号，
Figure 738164DEST_PATH_IMAGE023
表示当导频符号和任意数据符号之间的保护间隔≥最大多普勒频移和时延时，一个帧结构中包含的最大数据符号数量；同时
Figure 559490DEST_PATH_IMAGE024
也满足任意两个数据符号之间以及数据符号与导频之间的最小保护间隔宽度大于等于最大多普勒频移
Figure 967950DEST_PATH_IMAGE025
和最大时延
Figure 874726DEST_PATH_IMAGE026
，表示为：
Figure 764185DEST_PATH_IMAGE027
；其中
Figure 440017DEST_PATH_IMAGE028
表示最小多普勒频移保护间隔宽度，
Figure 22308DEST_PATH_IMAGE029
表示最小时延保护间隔宽度；
第三典型帧结构模型，表达式为：
Figure 416380DEST_PATH_IMAGE030
其中
Figure 109529DEST_PATH_IMAGE031
表示第i组数据
Figure 639868DEST_PATH_IMAGE032
中含有
Figure 393060DEST_PATH_IMAGE033
个数据符号，每一组用大于等于最大多普勒频移
Figure 274429DEST_PATH_IMAGE025
和最大时延
Figure 771269DEST_PATH_IMAGE026
的保护间隔围绕，其中
Figure 421693DEST_PATH_IMAGE034
；
第四典型帧结构模型，表达式为：
Figure 814628DEST_PATH_IMAGE035
其中
Figure 183293DEST_PATH_IMAGE036
。
进一步优化方案为，T2包括以下过程：
获取通信性能参数和雷达性能参数：通信性能参数包括误码率、传输速率和频带利用率；雷达性能参数包括时延旁瓣干扰和多普勒旁瓣干扰；
构建通信性能和雷达性能判断条件：条件a，误码率超过门限值；条件b，频带利用率≤频带利用率的最小额定值；条件c，传输速率≤传输速率的最小额定值；条件d，时延主瓣旁瓣比≥时延主瓣旁瓣比最大额定值；条件e，多普勒主瓣旁瓣比≥多普勒主瓣旁瓣比最大额定值；
进行通信性能和雷达性能判断：
当条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，减少在时延多普勒域中对每个数据符号和导频符号的保护带宽度至保护带宽度等于最大多普勒频移和时延，同时减少数据符号的分组数，增加每一帧结构包含的数据符号数量；
当条件d和条件e至少有一个发生时，增加每一帧结构中对数据符号和导频符号的保护间隔并减少数据符号的数量；
当条件d和条件e至少有一个发生，同时条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，将数据符号分成n组，给每一组周围添加保护带。
进一步优化方案为，基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理过程包括：
G1：基站接收到雷达回波信号后进行OTFS解调得到时延-多普勒域的雷达回波信号
Figure 218245DEST_PATH_IMAGE037
；
G2：根据雷达回波信号
Figure 991685DEST_PATH_IMAGE037
确定OTFS雷达回波信号的输入输出关系；
G3：基于雷达回波信号的输入输出关系进行匹配滤波得到雷达信道响应函数
Figure 821100DEST_PATH_IMAGE038
；
G4：对雷达信道响应函数
Figure 677061DEST_PATH_IMAGE039
进行检测和估计，确定基站与用户端的相对距离和相对速度。
进一步优化方案为，G3包括以下子步骤：
G31. OTFS雷达回波信号的输入输出关系表示为：
Figure 515704DEST_PATH_IMAGE040
；
其中r为接收回波符号列矢量、h为雷达信道传输函数列矢量，w为信道噪声列矢量；
矩阵
Figure 875141DEST_PATH_IMAGE041
表示为：
Figure 875458DEST_PATH_IMAGE042
；
其中
Figure 953136DEST_PATH_IMAGE043
均是由MN×1维含有多普勒频移和时延信息的不同发送符号列矢量x构成，用
Figure 595469DEST_PATH_IMAGE044
表示，n0=1，2，…，N0；m0=1，2，…，M0；MN表示一个帧结构中包含的符号个数，
Figure 74992DEST_PATH_IMAGE045
是将最大多普勒频移
Figure 511790DEST_PATH_IMAGE046
和最大时延
Figure 342343DEST_PATH_IMAGE047
经过归一化后表示的二维区域经过等分后的
Figure 257209DEST_PATH_IMAGE048
个小区域个数，所有包含不同多普勒频移和时延信息的发送符号列矢量x的集合构成了
Figure 591238DEST_PATH_IMAGE049
，其中列矢量
Figure 198937DEST_PATH_IMAGE050
的下角标
Figure 251207DEST_PATH_IMAGE051
表示在二维时延多普勒与域
Figure 235343DEST_PATH_IMAGE048
个小区域中的一个具体区域的归一化多普勒频移
Figure 420950DEST_PATH_IMAGE052
和归一化时延
Figure 199550DEST_PATH_IMAGE053
，该区域经过去归一化后的时延
Figure 4695DEST_PATH_IMAGE054
和多普勒频移
Figure 261364DEST_PATH_IMAGE055
表示为：
Figure 304406DEST_PATH_IMAGE056
；
G32：基于OTFS雷达回波信号的输入输出关系匹配滤波变换得到
Figure 988328DEST_PATH_IMAGE057
维匹配滤波处理估计的雷达信道响应函数
Figure 749611DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 809971DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 973099DEST_PATH_IMAGE059
表示共轭转置，
Figure 827922DEST_PATH_IMAGE060
表示信道噪声；G为增益矩阵且
Figure 76501DEST_PATH_IMAGE061
。
进一步优化方案为，G4包括以下过程：
对雷达信道响应函数
Figure 940552DEST_PATH_IMAGE038
进行门限检测：对
Figure 692607DEST_PATH_IMAGE062
统计均值和方差，|*|表示绝对值，按高斯或瑞利模型构造的噪声分布设定门限
Figure 975122DEST_PATH_IMAGE063
；首先将
Figure 710997DEST_PATH_IMAGE064
维雷达信道响应函数
Figure 113160DEST_PATH_IMAGE038
按照每行M0个元素顺序排列成
Figure 798350DEST_PATH_IMAGE065
维矩阵
Figure 526135DEST_PATH_IMAGE066
，当矩阵
Figure 483726DEST_PATH_IMAGE066
中的某个元素
Figure 689580DEST_PATH_IMAGE067
时，视为有用户端，取出用户端对应的时延和多普勒信息，其时延信息为
Figure 681807DEST_PATH_IMAGE068
，多普勒频移信息为
Figure 577563DEST_PATH_IMAGE055
，用户端与基站的相对速度
Figure 22451DEST_PATH_IMAGE069
，满足下式关系：
Figure 31995DEST_PATH_IMAGE070
；
其中c为光速，
Figure 878728DEST_PATH_IMAGE071
为载波频率，
Figure 682736DEST_PATH_IMAGE072
表示最大多普勒频移；
基站与用户端的相对距离Dp由下式确定：
Figure 880499DEST_PATH_IMAGE073
。
本方案还提供基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化系统，包括：预处理模块、自适应帧结构设计模块、基站和用户端；
预处理模块用于对通信数据流进行OTFS调制得到雷达通信一体化信号；
自适应帧结构设计模块用于对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理；
自适应帧结构设计模块用于根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；
基站向用户端发送自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端用于接收到来自基站的雷达通信一体化信号，同时反射雷达回波信号；
基站还用于通信接收用户端的通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法及系统，通过自适应OTFS帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信；引入了动态调整帧结构的功能，不再局限于一种固定的帧结构，而是根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整设计，来满足一体化系统在不同场景中对通信和雷达性能的要求；这种设计使得一体化波形能够在系统对通信性能和雷达性能的要求下达到折衷和调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法流程示意图；
图2为仅含导频和保护符号的帧结构示意图；
图3为保护符号围绕每个导频符号和数据符号的帧结构示意图；
图4为保护符号围绕导频符号和各组数据符号的帧结构示意图；
图5为传统的帧结构示意图；
图6为对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理原理图；
图7为由第一典型帧结构模型和第二典型帧结构模型匹配滤波后的模糊函数图像；
图8为第三典型帧结构模型匹配滤波后的模糊函数图像；
图9为第四典型帧结构模型匹配滤波后的模糊函数图像；
图10为基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化系统结构示意图；
图11为基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化系统结构原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，如图1所示，包括步骤：
步骤一：对通信数据流进行OTFS调制得到雷达通信一体化信号；
步骤一包括以下子步骤：
S1：将串行通信数据流先进行信源压缩编码，再进行数字信号调制得到相对应的数据符号x[k，l]；k表示多普勒域的索引，l表示时延域的索引；
S2：对调制好的数据符号
Figure 428155DEST_PATH_IMAGE074
进行OTFS调制；其中，数据符号
Figure 394974DEST_PATH_IMAGE075
在时延多普勒平面中，时延方向上以
Figure 369883DEST_PATH_IMAGE076
为间隔，多普勒频移方向上以1/(NT)为间隔；M代表频域上的子载波数量，N代表时域上的OTFS符号数量，
Figure 54943DEST_PATH_IMAGE077
表示通信数据流在时延多普勒域中时延方向的周期，1/T表示通信数据流在时延多普勒域中多普勒方向的周期。
具体的S2包括以下子步骤：
S21：定义时延多普勒平面数据网格为
Figure 406290DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 962036DEST_PATH_IMAGE006
满足：
Figure 373426DEST_PATH_IMAGE078
；
S22：将时延多普勒域中的数据符号
Figure 545781DEST_PATH_IMAGE075
中MN个数据信息符号摆放至时延多普勒域信号网格中，对数据信息符号进行辛有限逆傅里叶变换，将数据符号
Figure 435240DEST_PATH_IMAGE075
由在时延多普勒域上的二维正交基函数扩展为时频域上的符号
Figure 376651DEST_PATH_IMAGE079
，m表示多普勒域的索引，n表示时延域的索引；映射过程满足：
Figure 696292DEST_PATH_IMAGE080
，
其中M代表频域上的子载波数量，N代表时域上的OTFS符号数量，j表示虚数单位；
定义时频域的平面网格为
Figure 90365DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 783514DEST_PATH_IMAGE013
满足：
Figure 579432DEST_PATH_IMAGE081
；
S23：通过海森堡变换将时频域中的符号
Figure 67045DEST_PATH_IMAGE082
转化为连续的时域发送信号x(t)，时域发送信号x(t)为雷达通信一体化信号，变换公式如下：
Figure 948413DEST_PATH_IMAGE083
，
式中
Figure 179674DEST_PATH_IMAGE017
代表发送脉冲/波形，t代表时间。
步骤二：对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理；
根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的中导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；
具体的，步骤二包括以下子步骤：
T1：构建典型的帧结构模型；本实施例使用三种不同的性质的符号来设计OTFS各帧的帧结构，实现通信性能与雷达性能的权衡，这三种符号为导频符号、保护符号和数据符号，其中导频符号用于信道估计，提高通信系统可靠性，保护符号用于避免导频和数据符号之间的干扰，提高雷达检测与估计性能，数据符号用于传输通信数据，提高通信系统的有效性；
典型的帧结构模型包括：
第一典型帧结构模型，表达式为：
Figure 830099DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 754192DEST_PATH_IMAGE019
为导频符号，0为保护符号，
Figure 122857DEST_PATH_IMAGE020
分别表示时延多普勒平面数据网格
Figure 892230DEST_PATH_IMAGE005
中的一个格子的多普勒轴上的坐标和时延轴上的坐标；
第一典型帧结构模型设计除了包含一个导频符号外，其余的时延多普勒域信号网格均放置保护符号，多个保护符号一同构成一个保护带且保护间隔远大于最大时延和多普勒频移，使得目标物体经过匹配滤波处理后得到的模糊函数不会受到旁瓣的干扰，其输出响应不会淹没在旁瓣之中并且具有非常尖锐的主瓣，实现雷达对目标的高精度检测与估计。
如图2所示，图中为一个仅含导频和保护符号的帧结构设计，水平方向表示lp，竖直方向表示kp，图中“*”代表数据符号，“○”代表保护符号，“×”代表导频符号。
第二典型帧结构模型，表达式为：
Figure 397160DEST_PATH_IMAGE021
；
其中
Figure 492155DEST_PATH_IMAGE022
表示数据符号，
Figure 348116DEST_PATH_IMAGE023
表示当导频符号和任意数据符号之间的保护间隔≥最大多普勒频移和时延时，一个帧结构中包含的最大数据符号数量；同时
Figure 921180DEST_PATH_IMAGE024
也满足任意两个数据符号之间以及数据符号与导频之间的最小保护间隔宽度大于等于最大多普勒频移
Figure 277687DEST_PATH_IMAGE025
和最大时延
Figure 543583DEST_PATH_IMAGE026
，表示为：
Figure 621261DEST_PATH_IMAGE027
；其中
Figure 529174DEST_PATH_IMAGE028
表示最小多普勒频移保护间隔宽度，
Figure 415221DEST_PATH_IMAGE029
表示最小时延保护间隔宽度；
第二典型帧结构模型设计在第一典型帧结构模型中加入了数据符号，每一个数据符号和导频符号均受到保护符号的保护，且所有的保护间隔均大于或等于最大时延和多普勒频移，消除了数据符号与数据符号、数据符号与导频符号之间的干扰，这也使得匹配滤波处理后得到的模糊函数同样不会存在旁瓣的干扰，在实现雷达对目标的高精度检测与估计的同时确保了通信信息传输的可靠性和一定的通信速率。
如图3所示，保护符号围绕每个导频符号和数据符号的OTFS帧结构设计，图中“*”代表数据符号，“○”代表保护符号，“×”代表导频符号。
第三典型帧结构模型，表达式为：
Figure 852019DEST_PATH_IMAGE030
其中
Figure 416992DEST_PATH_IMAGE031
表示第i组数据
Figure 66280DEST_PATH_IMAGE032
中含有
Figure 869151DEST_PATH_IMAGE033
个数据符号，每一组用大于等于最大多普勒频移
Figure 476849DEST_PATH_IMAGE025
和最大时延
Figure 529119DEST_PATH_IMAGE026
的保护间隔围绕，其中
Figure 262325DEST_PATH_IMAGE034
；
第三典型帧结构模型设计是在第二典型帧结构模型的基础上，加入更多的数据符号，将多个数据符号分成一组，每一组用大于或等于最大时延和多普勒频移的保护间隔围绕，由于各组数据中没有加入保护间隔，因此仅在各组数据内存在干扰，各组数据间不会存在干扰，在一定程度上能够提高通信信息的可靠性和通信速率，同时经过匹配滤波处理后得到的模糊函数存在旁瓣的干扰，不利于目标检测使得雷达检测精度和估计性能有所下降。
如图4所示，保护符号围绕导频和各组数据符号的OTFS帧结构设计，图中“*”代表数据符号，“○”代表保护符号，“×”代表导频符号。虚线框中为其中一组数据符号。
第四典型帧结构模型，表达式为：
Figure 716440DEST_PATH_IMAGE035
其中
Figure 495040DEST_PATH_IMAGE036
。
第四典型帧结构模型设计则是把所有的数据符号归为一组，仅在导频符号和该组数据符号间添加导频符号，这种帧结构与传统的帧结构设计（如图5所示，图中“*”代表数据符号，“○”代表保护符号，“×”代表导频符号。虚线框中为其中一组数据符号）类似，数据符号间均会存在干扰，在一定程度上会降低通信信息的可靠性，同时经过匹配滤波处理后得到的模糊函数存在较大旁瓣的干扰，容易干扰或淹没目标物体经匹配滤波后产生的响应使得雷达对目标的检测精度与估计性能下降，但是能够在提供较大通信速率的同时具备一定的雷达检测和估计能力。
每一种帧结构模型各有其特点，其对OTFS帧结构的自适应动态设计就是基于这四种基本的帧结构进行变化和优化达到权衡通信的速率与雷达模糊函数的目的。实在际应用时，该模块根据系统对雷达和通信的性能的实时要求，基于上述四种不同帧结构设计模型实时地对OTFS每一帧中包含的各类符号的数量和位置进行设计安排，来能满足当前系统性能需要；
T2：根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于典型的帧结构模型实时对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整，以保证所有通信性能参数和雷达性能参数均在阈值范围内；
调整的范围包括：每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的分组、位置和数量。
通信系统的可靠性与误码率有关，当保护间隔大于等于最大多普勒频移和时延时，帧结构的数据符号间干扰降低，误码率降低可靠性增加，但每个帧结构中放置的数据符号数越多，频带利用率就越高，通信的速率就越高，有效性越好，因此需要权衡数据符号与保护符号在每个帧结构中的布置，同时雷达检测和估计精度与匹配滤波后得到的模糊函数有关，若模糊函数中旁瓣值较大，并且旁瓣区存在较大的起伏，存在遮挡效应，则不利于目标检测，估计精度也会随之下降，增加保护间隔会减小模糊函数中的旁瓣干扰同时提高多普勒分辨率进而提高雷达对目标的检测与估计精度，但是又会减少每个帧结构中的数据符号，因此需要权衡每个帧结构中与雷达和通信有关的符号布置，达到通信性能与雷达性能的平衡；根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于上述四种典型的帧结构的不同特点，动态调整设计每个帧结构，实现通信系统与雷达系统的权衡，既在既确保通信系统的有效性和可靠性（低误码率、传输速率和频带利用率）的同时也确保雷达系统对目标物体的检测与估计（高时延主瓣旁瓣比和高多普勒主瓣旁瓣比）性能。
当通过雷达性能参数监测到雷达系统性能下降，如经过匹配滤波后得到的模糊函数存在较大旁瓣干扰或旁瓣区域中存在较大波动不利于目标检测导致雷达对目标的检测精度与估计性能下降，使得时延主瓣旁瓣比低于其阈值（时延主瓣旁瓣比阈值
Figure 34606DEST_PATH_IMAGE084
）或者多普勒主瓣旁瓣比低于其阈值（多普勒主瓣旁瓣比阈值
Figure 556854DEST_PATH_IMAGE085
）就增加每一帧结构中对数据符号和导频符号的保护间隔并减少数据符号的数量，并且把数据符号分成更多的小组，每个小组用对应的保护间隔来降低各小组间的相互干扰，使得模糊函数主瓣更加尖锐，降低旁瓣干扰或淹没目标物体经匹配滤波后产生的响应，使得多普勒分辨率也得到了改善，提高雷达对目标的检测和估计性能，同时每个帧结构中包含的数据符号也确保了通信系统能够正常进行信息传输。
当通过通信性能参数监测到通信系统性能下降，如误码率超过其阈值
Figure 599896DEST_PATH_IMAGE086
或者频带利用率低于其阈值（频带利用率阈值为0.7Baud/Hz）时，就减少在时延多普勒域中对每个数据符号和导频的保护带宽度仅让保护带宽度等于最大多普勒频移和时延，同时减少数据符号的分组数，增加每个帧结构包含的的数据符号数量进而提高通信系统的有效性和可靠性，同时每个帧结构中存在的保护间隔也确保了雷达系统能够正常进行目标检测和估计；当该模块监测到通信和雷达系统的性能均下降时，该模块会将时延多普勒域中的数据符号分成n组，给每一组周围添加保护带，降低时延和多普勒模糊，在提供有效的通信的同时保证了雷达检测的精度，实现通信性能和雷达性能要求之间的权衡。
如图6所示，实时监测系统对通信性能和雷达性能的要求，当系统对通信性能要求增加时，就增加帧结构中的数据符号数量，减少数据分组数量，使保护间隔宽度刚好满足最大时延和多普勒频移，从而提高了通信系统的有效性和可靠性；
当系统对雷达性能要求增加时，就增加帧结构中每一个数据符号和导频符号的保护带宽度，使保护间隔宽度大于等于最大时延和多普勒频移，从而提高雷达监测的检测精度和估计性能；
当系统要求当系统和雷达性能均增加时，将帧结构中数据符号分成n组，给每一组周围添加保护间隔，在提供有效通信性能的同时保证雷达检测的精度。
步骤三：基站向用户端发送自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端向基站发送通信信号并反射雷达回波信号；
步骤四：基站通信接收通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
基站通信接收通信信号，基站的接收机通过接收天线获得接收信号y(t)，接收信号y(t)为发送信号经过信道后叠加噪声n(t)得到，其表达式如下：
Figure 549398DEST_PATH_IMAGE087
，
其中，
Figure 45101DEST_PATH_IMAGE088
是时延多普勒信道的传输函数，
Figure 371040DEST_PATH_IMAGE089
表示时延，
Figure 268589DEST_PATH_IMAGE090
表示多普勒平移，通过对导频序列的信道估计来确定。
接收机对接收信号y(t)进行OTFS解调得到时延多普勒域符号y[k,l]，具体步骤为：
步骤4.1在用户端使用基站的逆操作，首先通过魏格纳变换（Wigner Transform）将接收信号y(t)与接收脉冲/波形
Figure 388992DEST_PATH_IMAGE091
进行匹配滤波得到互模糊函数
Figure 903150DEST_PATH_IMAGE092
，魏格纳变换如下：
Figure 501621DEST_PATH_IMAGE093
，
其中，
Figure 519256DEST_PATH_IMAGE094
表示共轭运算，
Figure 807630DEST_PATH_IMAGE095
表示
Figure 543505DEST_PATH_IMAGE096
与y(t)的互模糊函数，即
Figure 680089DEST_PATH_IMAGE097
，
Figure 552230DEST_PATH_IMAGE098
为引入的积分变量，f表示频率变量
然后对互模糊函数以间隔t=nT和
Figure 280014DEST_PATH_IMAGE099
进行采样，得到下式时频域信号
Figure 972027DEST_PATH_IMAGE100
：
Figure 443459DEST_PATH_IMAGE101
步骤4.2对时频域信号
Figure 435686DEST_PATH_IMAGE102
进行辛有限傅里叶变换（Symplectic FiniteFourier Transform，SSFT）得到时延-多普勒域上的信号
Figure 803213DEST_PATH_IMAGE102
，变换过程满足下式：
Figure 513681DEST_PATH_IMAGE103
。
步骤4.3分离出两组不同的接收符号：第一组涉及导频和保护带的用于信道估计，得到通信信道的传输函数
Figure 257646DEST_PATH_IMAGE104
，第二组仅含数据的接收符号用于数据检测，得到估计信号
Figure 104379DEST_PATH_IMAGE105
；其中，分离出的导频符号可以估计出通信信道传输函数
Figure 173966DEST_PATH_IMAGE106
中的参数，包括时延
Figure 109080DEST_PATH_IMAGE107
和多普勒平移
Figure 922315DEST_PATH_IMAGE108
；在确定了通信信道的传输函数之后就可以得到输入输出的关系，进行数据检测得到估计信号
Figure 889134DEST_PATH_IMAGE109
；
时延多普勒信道的传输函数表达式为下式：
Figure 864043DEST_PATH_IMAGE110
，
其中，P是传播路径的数量，
Figure 549102DEST_PATH_IMAGE111
、
Figure 900449DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 721775DEST_PATH_IMAGE113
表示与第i条路径相关的复增益、延迟和多普勒频移，并且
Figure 867585DEST_PATH_IMAGE112
和
Figure 774361DEST_PATH_IMAGE113
定义为下式：
Figure 929399DEST_PATH_IMAGE114
其中
Figure 605231DEST_PATH_IMAGE115
和
Figure 187522DEST_PATH_IMAGE116
表示第i条路径相对于延迟多普勒网格Γ中的时延抽头和多普勒抽头，因此离散形式的时延多普勒域通信信道传输函数
Figure 581595DEST_PATH_IMAGE117
可写作下式：
Figure 274744DEST_PATH_IMAGE118
利用导频进行信道估计可以得到每个路径的相关参数，进而得到在时延多普勒域中输入与输出的关系为：
Figure 70662DEST_PATH_IMAGE119
；
其中，
Figure 823854DEST_PATH_IMAGE120
表示该传输路径的幅度增益，
Figure 171134DEST_PATH_IMAGE121
表示加性高斯白噪声矩阵且满足
Figure 667975DEST_PATH_IMAGE122
，
Figure 583978DEST_PATH_IMAGE123
表示取模运算，
Figure 508072DEST_PATH_IMAGE124
表示相移，其表达式可写作下式：
Figure 876736DEST_PATH_IMAGE125
根据上述关系，可以将时延多普勒域中输入与输出的关系用下述矩阵表示：
Figure 646109DEST_PATH_IMAGE126
，
其中x为发送符号列矢量、y为接收符号列矢量、H为通信信道列矢量、u为信道噪声列矢量，并且他们满足
Figure 885461DEST_PATH_IMAGE127
由时延多普勒域中OTFS中的输入-输出映射关系可知在用户端，接收信号是时延多普勒域信道与发送信号二维卷积的结果，导频部分用于信道估计，是信道与脉冲导频二维卷积的结果，当该部分接收到的信号能量大于某个门限值时，即判定为存在时延多普勒域信道脉冲响应，将各个信道响应值估计出后，即可求得矩阵H并将其用作信号检测。
基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理过程包括：
G1：基站接收到雷达回波信号后进行OTFS解调得到时延-多普勒域的雷达回波信号
Figure 980456DEST_PATH_IMAGE037
；
G2：根据雷达回波信号
Figure 305258DEST_PATH_IMAGE037
确定OTFS雷达回波信号的输入输出关系；
G3：基于雷达回波信号的输入输出关系进行匹配滤波得到雷达信道响应函数
Figure 612742DEST_PATH_IMAGE038
；具体包括以下子步骤：
G31. OTFS雷达回波信号的输入输出关系表示为：
Figure 972179DEST_PATH_IMAGE040
；
其中r为接收回波符号列矢量、h为雷达信道传输函数列矢量，w为信道噪声列矢量；
矩阵
Figure 573494DEST_PATH_IMAGE041
表示为：
Figure 651172DEST_PATH_IMAGE042
；
其中
Figure 762347DEST_PATH_IMAGE043
均是由MN×1维含有多普勒频移和时延信息的不同发送符号列矢量x构成，用
Figure 507449DEST_PATH_IMAGE044
表示，n0=1，2，…，N0；m0=1，2，…，M0；MN表示一个帧结构中包含的符号个数，
Figure 944247DEST_PATH_IMAGE045
是将最大多普勒频移
Figure 509220DEST_PATH_IMAGE046
和最大时延
Figure 689666DEST_PATH_IMAGE047
经过归一化后表示的二维区域经过等分后的
Figure 289275DEST_PATH_IMAGE048
个小区域个数，所有包含不同多普勒频移和时延信息的发送符号列矢量x的集合构成了
Figure 896973DEST_PATH_IMAGE049
，其中列矢量
Figure 683664DEST_PATH_IMAGE050
的下角标
Figure 667800DEST_PATH_IMAGE051
表示在二维时延多普勒与域
Figure 121916DEST_PATH_IMAGE048
个小区域中的一个具体区域的归一化多普勒频移
Figure 900516DEST_PATH_IMAGE052
和归一化时延
Figure 171573DEST_PATH_IMAGE053
，该区域经过去归一化后的时延
Figure 428241DEST_PATH_IMAGE054
和多普勒频移
Figure 736863DEST_PATH_IMAGE055
表示为：
Figure 686365DEST_PATH_IMAGE056
；
G32：基于OTFS雷达回波信号的输入输出关系匹配滤波变换得到
Figure 447647DEST_PATH_IMAGE057
维匹配滤波处理估计的雷达信道响应函数
Figure 242428DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 936714DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 57117DEST_PATH_IMAGE059
表示共轭转置，
Figure 305696DEST_PATH_IMAGE060
表示信道噪声；G为增益矩阵且
Figure 169747DEST_PATH_IMAGE061
当帧结构中的导频符号与数据符号以及数据符号间的保护间隔均大于或等于最大多普勒频移
Figure 452960DEST_PATH_IMAGE128
和最大时延
Figure 744264DEST_PATH_IMAGE129
时（如第一典型帧结构模型和第二典型帧结构模型），G为理想的单位对角阵，满足下式：
Figure 480139DEST_PATH_IMAGE130
G4：对雷达信道响应函数
Figure 147881DEST_PATH_IMAGE038
进行检测和估计，确定基站与用户端的相对距离和相对速度，具体包括以下子步骤：
G41.对雷达信道响应函数
Figure 285601DEST_PATH_IMAGE038
进行门限检测：对
Figure 485157DEST_PATH_IMAGE131
统计均值和方差，|*|表示绝对值，按高斯或瑞利模型构造的噪声分布设定门限
Figure 708328DEST_PATH_IMAGE063
；首先将
Figure 179761DEST_PATH_IMAGE132
维雷达信道响应函数
Figure 437567DEST_PATH_IMAGE038
按照每行
Figure 70673DEST_PATH_IMAGE133
个元素顺序排列成
Figure 781140DEST_PATH_IMAGE134
的维矩阵
Figure 790685DEST_PATH_IMAGE066
，当矩阵
Figure 371839DEST_PATH_IMAGE066
中的某个元素
Figure 441426DEST_PATH_IMAGE067
时，视为有用户端，取出用户端对应的时延和多普勒信息，其时延信息为
Figure 373610DEST_PATH_IMAGE068
，多普勒频移信息为
Figure 186845DEST_PATH_IMAGE055
，用户端与基站的相对速度
Figure 888085DEST_PATH_IMAGE135
，满足下式关系：
Figure 394153DEST_PATH_IMAGE136
其中c为光速，
Figure 813633DEST_PATH_IMAGE137
为载波频率，
Figure 164979DEST_PATH_IMAGE138
表示最大多普勒频移；
基站与用户端的相对距离
Figure 986305DEST_PATH_IMAGE139
由下式确定：
Figure 129186DEST_PATH_IMAGE140
。
由第一典型帧结构模型和第二典型帧结构模型进行匹配滤波后得到的模糊函数 图像如图7所示，图中的网格底面是时延（Delay）轴和多普勒（Doppler）轴构成的二维平面， 各轴单位分别是秒（Ts）和赫兹（Hz），将二维时延多普勒域归一化后分成了N0×M0个小区域 （N0行M0列）摆放在图中的二维平面并为每个区域赋予坐标，其中时延轴各区域对应的坐标 范围是0到M0-1，共M0个离散坐标，多普勒轴各区域对应的坐标范围是
Figure DEST_PATH_IMAGE142_5A
到
Figure DEST_PATH_IMAGE144AAA
，共N0个坐标，由此将匹配滤波后得到的模糊函数图像在二维时延多普勒域归一化后分成 了N0×M0个小区域上得到表示，由第三典型帧结构模型进行匹配滤波后得到的模糊函数图 像如图8所示，图中各参数设置与图7一致由第四典型帧结构模型进行匹配滤波后得到的模 糊函数图像如图9所示图中各参数设置与图7一致。
实施例2
本实施例提供基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化系统，如图10和图11所示，包括：预处理模块、自适应帧结构设计模块、基站和用户端；用户端包括：远端飞行设备、无人机设备以及其他的移动无线设备，如直升机、无人机和汽车等设备；所述自适应帧结构设计模块位于基站；
预处理模块用于对通信数据流进行OTFS调制得到雷达通信一体化信号；
自适应帧结构设计模块用于对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理；
自适应帧结构设计模块用于根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的中导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；
基站向用户端发送自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端用于接收到来自基站的雷达通信一体化信号，同时反射雷达回波信号；
基站还用于通信接收用户端的通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
基站包含有通信接收机和回波接收机，通信接收机接收回传数据后，根据回传数据进行信道估计处理；同时回波接收机接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。回传数据经过OTFS解调后得到用于目标检测与信道估计，通过对雷达回波信号进行匹配滤波处理得到估计出时延多普勒域雷达信道的模糊函数，根据模糊函数包含的时延和多普勒信息即可检测出目标物体的时延和多普勒信息并且计算出探测目标物体用户端与基站的相对距离和相对运动速度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一：对通信数据流进行OTFS调制得到雷达通信一体化信号；
步骤二：对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理；
根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，优化过程包括调整每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；具体包括子步骤：
T1：构建典型的帧结构模型；
所述典型的帧结构模型包括：
第一典型帧结构模型，表达式为：
Figure 951870DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 337852DEST_PATH_IMAGE002
为导频符号，0为保护符号，
Figure 914327DEST_PATH_IMAGE003
分别表示时延多普勒平面数据网格
Figure 653744DEST_PATH_IMAGE004
中的一个格子的多普勒轴上的坐标和时延轴上的坐标；
第二典型帧结构模型，表达式为：
Figure 936958DEST_PATH_IMAGE005
；
其中
Figure 352896DEST_PATH_IMAGE006
表示数据符号，
Figure 88770DEST_PATH_IMAGE007
表示当导频符号和任意数据符号之间的保护间隔≥最大多普勒频移和时延时，一个帧结构中包含的最大数据符号数量；同时
Figure 133343DEST_PATH_IMAGE008
也满足任意两个数据符号之间以及数据符号与导频之间的最小保护间隔宽度大于等于最大多普勒频移
Figure 271064DEST_PATH_IMAGE009
和最大时延
Figure 857903DEST_PATH_IMAGE010
，表示为：
Figure 81074DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure 162293DEST_PATH_IMAGE012
表示最小多普勒频移保护间隔宽度，
Figure 154520DEST_PATH_IMAGE013
表示最小时延保护间隔宽度；
第三典型帧结构模型，表达式为：
Figure 177840DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 888307DEST_PATH_IMAGE015
表示第 i组数据
Figure 271752DEST_PATH_IMAGE016
中含有
Figure 384065DEST_PATH_IMAGE017
个数据符号，每一组用大于等于最大多普勒频移
Figure 47127DEST_PATH_IMAGE009
和最大时延
Figure 510470DEST_PATH_IMAGE010
的保护间隔围绕，其中
Figure 933492DEST_PATH_IMAGE018
；
第四典型帧结构模型，表达式为：
Figure 277142DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 720893DEST_PATH_IMAGE020
T2：根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于典型的帧结构模型实时对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整，以保证所有通信性能参数和雷达性能参数均在阈值范围内；
调整的范围包括：每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的分组、位置和数量；
T2包括以下过程：
获取通信性能参数和雷达性能参数：通信性能参数包括误码率、传输速率和频带利用率；雷达性能参数包括时延旁瓣干扰和多普勒旁瓣干扰；
构建通信性能和雷达性能判断条件：条件a，误码率超过门限值；条件b，频带利用率≤频带利用率的最小额定值；条件c，传输速率≤传输速率的最小额定值；条件d，时延主瓣旁瓣比≥时延主瓣旁瓣比最大额定值；条件e，多普勒主瓣旁瓣比≥多普勒主瓣旁瓣比最大额定值；
进行通信性能和雷达性能判断：
当条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，减少在时延多普勒域中对每个数据符号和导频符号的保护带宽度至保护带宽度等于最大多普勒频移和时延，同时减少数据符号的分组数，增加每一帧结构包含的数据符号数量；
当条件d和条件e至少有一个发生时，增加每一帧结构中对数据符号和导频符号的保护间隔并减少数据符号的数量；
当条件d和条件e至少有一个发生，同时条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，将数据符号分成n组，给每一组周围添加保护带；
步骤三：基站向用户端发送自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端向基站发送通信信号并反射雷达回波信号；
步骤四：基站通信接收通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号与经过自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号进行匹配滤波处理。
2.根据权利要求1所述的基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，其特征在于，步骤一包括以下子步骤：
S1：将串行通信数据流先进行信源压缩编码，再进行数字信号调制得到相对应的数据符号x[k，l]；k表示多普勒域的索引，l表示时延域的索引；
S2：对调制好的数据符号x[k，l]进行OTFS调制；其中，数据符号x[k，l]在时延多普勒平面中，时延方向上以
Figure 45433DEST_PATH_IMAGE021
为间隔，多普勒频移方向上以1/(NT)为间隔；M代表频域上的子载波数量，N代表时域上的OTFS符号数量，
Figure 334463DEST_PATH_IMAGE022
表示通信数据流在时延多普勒域中时延方向的周期，1/T表示通信数据流在时延多普勒域中多普勒方向的周期。
3.根据权利要求2所述的基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，其特征在于，S2包括以下子步骤：
S21：定义时延多普勒平面数据网格为
Figure 155788DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 209588DEST_PATH_IMAGE023
满足：
Figure 116364DEST_PATH_IMAGE024
；
S22：将时延多普勒域中的数据符号
Figure 130457DEST_PATH_IMAGE025
中MN个数据信息符号摆放至时延多普勒域信号网格中，对数据信息符号进行辛有限逆傅里叶变换，将数据符号
Figure 71868DEST_PATH_IMAGE026
由在时延多普勒域上的二维正交基函数扩展为时频域上的符号
Figure 529525DEST_PATH_IMAGE027
，m表示多普勒域的索引，n表示时延域的索引；映射过程满足：
Figure 923597DEST_PATH_IMAGE028
，
其中M代表频域上的子载波数量，N代表时域上的OTFS符号数量，j表示虚数单位；
定义时频域的平面网格为
Figure 741381DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 271719DEST_PATH_IMAGE029
满足：
Figure 398813DEST_PATH_IMAGE030
S23：通过海森堡变换将时频域中的符号
Figure 280181DEST_PATH_IMAGE031
转化为连续的时域发送信号x(t)，时域发送信号x(t)为雷达通信一体化信号，变换公式如下：
Figure 104918DEST_PATH_IMAGE032
，
式中
Figure 630708DEST_PATH_IMAGE033
代表发送脉冲/波形，t代表时间。
4.根据权利要求2所述的基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，其特征在于，基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理过程包括：
G1：基站接收到雷达回波信号后进行OTFS解调得到时延-多普勒域的雷达回波信号
Figure 85960DEST_PATH_IMAGE034
；
G2：根据雷达回波信号
Figure 454625DEST_PATH_IMAGE034
确定OTFS雷达回波信号的输入输出关系；
G3：基于雷达回波信号的输入输出关系进行匹配滤波得到雷达信道响应函数
Figure 817473DEST_PATH_IMAGE035
；
G4：对雷达信道响应函数
Figure 976533DEST_PATH_IMAGE035
进行检测和估计，确定基站与用户端的相对距离和相对速度。
5.根据权利要求4所述的基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，其特征在于，G3包括以下子步骤：
G31. OTFS雷达回波信号的输入输出关系表示为：
Figure 805948DEST_PATH_IMAGE036
；
其中r为接收回波符号列矢量、h为雷达信道传输函数列矢量，w为信道噪声列矢量；矩阵
Figure 786543DEST_PATH_IMAGE037
表示为：
Figure 625186DEST_PATH_IMAGE038
；
其中
Figure 859989DEST_PATH_IMAGE039
均是由MN×1维含有多普勒频移和时延信息的不同发送符号列矢量x构成，用
Figure 125885DEST_PATH_IMAGE040
表示，n0=1，2，…，N0；m0=1，2，…，M0；MN表示一个帧结构中包含的符号个数，
Figure 328197DEST_PATH_IMAGE041
是将最大多普勒频移
Figure 970531DEST_PATH_IMAGE042
和最大时延
Figure 823955DEST_PATH_IMAGE043
经过归一化后表示的二维区域经过等分后的
Figure 260752DEST_PATH_IMAGE044
个小区域个数，所有包含不同多普勒频移和时延信息的发送符号列矢量x的集合构成了
Figure 215939DEST_PATH_IMAGE045
，其中列矢量
Figure 396384DEST_PATH_IMAGE046
的下角标
Figure 605780DEST_PATH_IMAGE047
表示在二维时延多普勒与域
Figure 541375DEST_PATH_IMAGE044
个小区域中的一个具体区域的归一化多普勒频移
Figure 593645DEST_PATH_IMAGE048
和归一化时延
Figure 108940DEST_PATH_IMAGE049
，该区域经过去归一化后的时延
Figure 143148DEST_PATH_IMAGE050
和多普勒频移
Figure 46382DEST_PATH_IMAGE051
表示为：
Figure 585948DEST_PATH_IMAGE052
；
G32：基于OTFS雷达回波信号的输入输出关系匹配滤波变换得到
Figure 983562DEST_PATH_IMAGE053
维匹配滤波处理估计的雷达信道响应函数
Figure 292184DEST_PATH_IMAGE035
：
Figure 366319DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 127602DEST_PATH_IMAGE055
表示共轭转置，
Figure 827442DEST_PATH_IMAGE056
表示信道噪声；G为增益矩阵且
Figure 990570DEST_PATH_IMAGE057
。
6.根据权利要求4所述的基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法，其特征在于，G4包括以下过程：
对雷达信道响应函数
Figure 235607DEST_PATH_IMAGE035
进行门限检测：对
Figure 749765DEST_PATH_IMAGE058
统计均值和方差，|*|表示绝对值，按高斯或瑞利模型构造的噪声分布设定门限
Figure 489182DEST_PATH_IMAGE059
；首先将
Figure 506816DEST_PATH_IMAGE060
维雷达信道响应函数
Figure 453913DEST_PATH_IMAGE035
按照每行M0个元素顺序排列成
Figure 720946DEST_PATH_IMAGE061
维矩阵
Figure 968781DEST_PATH_IMAGE062
，当矩阵
Figure 840922DEST_PATH_IMAGE062
中的某个元素
Figure 506390DEST_PATH_IMAGE063
时，视为有用户端，取出用户端对应的时延和多普勒信息，其时延信息为
Figure 526298DEST_PATH_IMAGE064
，多普勒频移信息为
Figure 732152DEST_PATH_IMAGE051
，用户端与基站的相对速度
Figure 52275DEST_PATH_IMAGE065
，满足下式关系：
Figure 324862DEST_PATH_IMAGE066
；
其中c为光速，
Figure 35329DEST_PATH_IMAGE067
为载波频率，
Figure 576032DEST_PATH_IMAGE068
表示最大多普勒频移；
基站与用户端的相对距离Dp由下式确定：
Figure 16240DEST_PATH_IMAGE069
。
7.基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化系统，其特征在于，包括：预处理模块、自适应帧结构设计模块、基站和用户端；
预处理模块用于对通信数据流进行OTFS调制得到雷达通信一体化信号；
自适应帧结构设计模块用于对雷达通信一体化信号进行自适应OTFS帧结构优化处理；
自适应帧结构设计模块用于根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；
优化处理包括过程：
首先，自适应帧结构设计模块构建典型的帧结构模型；
所述典型的帧结构模型包括：
第一典型帧结构模型，表达式为：
Figure 430035DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 752432DEST_PATH_IMAGE002
为导频符号，0为保护符号，
Figure 880182DEST_PATH_IMAGE003
分别表示时延多普勒平面数据网格
Figure 847001DEST_PATH_IMAGE004
中的一个格子的多普勒轴上的坐标和时延轴上的坐标；
第二典型帧结构模型，表达式为：
Figure 353068DEST_PATH_IMAGE005
；
其中
Figure 428340DEST_PATH_IMAGE006
表示数据符号，
Figure 779687DEST_PATH_IMAGE007
表示当导频符号和任意数据符号之间的保护间隔≥最大多普勒频移和时延时，一个帧结构中包含的最大数据符号数量；同时
Figure 679641DEST_PATH_IMAGE008
也满足任意两个数据符号之间以及数据符号与导频之间的最小保护间隔宽度大于等于最大多普勒频移
Figure 622190DEST_PATH_IMAGE009
和最大时延
Figure 919179DEST_PATH_IMAGE010
，表示为：
Figure 808637DEST_PATH_IMAGE011
；其中
Figure 327212DEST_PATH_IMAGE012
表示最小多普勒频移保护间隔宽度，
Figure 768558DEST_PATH_IMAGE013
表示最小时延保护间隔宽度；
第三典型帧结构模型，表达式为：
Figure 693789DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 652517DEST_PATH_IMAGE015
表示第 i组数据
Figure 323801DEST_PATH_IMAGE016
中含有
Figure 404890DEST_PATH_IMAGE017
个数据符号，每一组用大于等于最大多普勒频移
Figure 286258DEST_PATH_IMAGE009
和最大时延
Figure 48678DEST_PATH_IMAGE010
的保护间隔围绕，其中
Figure 329793DEST_PATH_IMAGE018
；
第四典型帧结构模型，表达式为：
Figure 581783DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 950448DEST_PATH_IMAGE020
然后，自适应帧结构设计模块根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于典型的帧结构模型实时对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整，以保证所有通信性能参数和雷达性能参数均在阈值范围内；
调整的范围包括：每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的分组、位置和数量；
具体包括以下过程：
自适应帧结构设计模块获取通信性能参数和雷达性能参数：通信性能参数包括误码率、传输速率和频带利用率；雷达性能参数包括时延旁瓣干扰和多普勒旁瓣干扰；
自适应帧结构设计模块构建通信性能和雷达性能判断条件：条件a，误码率超过门限值；条件b，频带利用率≤频带利用率的最小额定值；条件c，传输速率≤传输速率的最小额定值；条件d，时延主瓣旁瓣比≥时延主瓣旁瓣比最大额定值；条件e，多普勒主瓣旁瓣比≥多普勒主瓣旁瓣比最大额定值；
自适应帧结构设计模块进行通信性能和雷达性能判断：
当条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，减少在时延多普勒域中对每个数据符号和导频符号的保护带宽度至保护带宽度等于最大多普勒频移和时延，同时减少数据符号的分组数，增加每一帧结构包含的数据符号数量；
当条件d和条件e至少有一个发生时，增加每一帧结构中对数据符号和导频符号的保护间隔并减少数据符号的数量；
当条件d和条件e至少有一个发生，同时条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，将数据符号分成n组，给每一组周围添加保护带；
基站向用户端发送自适应OTFS帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端用于接收到来自基站的雷达通信一体化信号，同时反射雷达回波信号；
基站还用于通信接收用户端的通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号与经过自适应帧结构模块处理后的雷达通信一体化信号进行匹配滤波处理。
CN202211195097.7A 2022-09-29 2022-09-29 基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统 Active CN115314940B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211195097.7A CN115314940B (zh) 2022-09-29 2022-09-29 基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211195097.7A CN115314940B (zh) 2022-09-29 2022-09-29 基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115314940A CN115314940A (zh) 2022-11-08
CN115314940B true CN115314940B (zh) 2022-12-13

Family

ID=83866887

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211195097.7A Active CN115314940B (zh) 2022-09-29 2022-09-29 基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115314940B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014004585A1 (en) * 2012-06-25 2014-01-03 Ronny Hadani Modulation and equalization in an orthonormal time-frequency shifting communications system
CN108028823A (zh) * 2015-06-22 2018-05-11 凝聚技术股份有限公司 辛正交时频空间调制系统
CN111478868A (zh) * 2020-03-09 2020-07-31 北京邮电大学 一种otfs系统的信号检测方法及装置
CN112882005A (zh) * 2021-01-14 2021-06-01 东南大学 一种基于贝叶斯学习的otfs雷达目标参数估计方法
CN112929316A (zh) * 2021-01-25 2021-06-08 南京邮电大学 基于otfs调制的交错式时频多址方式调制解调方法及装置
CN113660068A (zh) * 2021-07-08 2021-11-16 南京邮电大学 一种otfs系统中多用户上行动态导频分配方法及系统
CN113866752A (zh) * 2021-09-30 2021-12-31 西安科技大学 一种svd预编码的mimo-otfs雷达目标检测方法
CN114879173A (zh) * 2022-03-28 2022-08-09 南京大学 基于mimo-ofdm信号的感知性能优化方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014004585A1 (en) * 2012-06-25 2014-01-03 Ronny Hadani Modulation and equalization in an orthonormal time-frequency shifting communications system
CN108028823A (zh) * 2015-06-22 2018-05-11 凝聚技术股份有限公司 辛正交时频空间调制系统
CN111478868A (zh) * 2020-03-09 2020-07-31 北京邮电大学 一种otfs系统的信号检测方法及装置
CN112882005A (zh) * 2021-01-14 2021-06-01 东南大学 一种基于贝叶斯学习的otfs雷达目标参数估计方法
CN112929316A (zh) * 2021-01-25 2021-06-08 南京邮电大学 基于otfs调制的交错式时频多址方式调制解调方法及装置
CN113660068A (zh) * 2021-07-08 2021-11-16 南京邮电大学 一种otfs系统中多用户上行动态导频分配方法及系统
CN113866752A (zh) * 2021-09-30 2021-12-31 西安科技大学 一种svd预编码的mimo-otfs雷达目标检测方法
CN114879173A (zh) * 2022-03-28 2022-08-09 南京大学 基于mimo-ofdm信号的感知性能优化方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OTFS系统中基于最小多普勒间干扰的导频设计;杜坤鹏等;《信息技术》;20200521(第05期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115314940A (zh) 2022-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112087247B (zh) 一种基于大规模mimo-otfs的径分多址接入方法
RU2314651C2 (ru) Комбинации сигналов для систем с несколькими несущими
CN104486266B (zh) 一种基于mimo-ofdm系统的信道估计方法及装置
CN102130871A (zh) 信道估计方法及装置
CN114158090A (zh) 数据发送方法、数据接收处理方法及相关设备
CN114696971A (zh) 导频传输方法、装置、设备及存储介质
CN102271102B (zh) 一种基于滑动窗的信道估计方法和设备
US20230318894A1 (en) Pilot transmission method and apparatus, network side device, and storage medium
Deshmukh et al. Comparison of DCT and wavelet based OFDM system working in 60 GHZ band
US20110292827A1 (en) Method for demodulating data and demodulating apparatus based on a downlink transmit diversity mode in a lte system
JPWO2018155252A1 (ja) 無線通信システム
Mutlu et al. Deep learning aided channel estimation approach for 5G communication systems
Ozkaptan et al. Optimal precoder design for MIMO-OFDM-based joint automotive radar-communication networks
CN115314940B (zh) 基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统
CN111446991B (zh) 大规模mimo卫星通信sc-ofdma下行链路自适应资源调度方法
Okoyeigbo et al. Comparative study of MIMO-OFDM channel estimation in wireless systems
CN114221837A (zh) 帧结构指示方法、帧结构更新方法及相关设备
CN111211806B (zh) 一种针对未知异系统通信干扰的规避方法
Munshi et al. Design Simulation and Evaluation of SISO/MISO/MIMO OFDM Systems
Han et al. Pilot Optimization for OFDM-Based ISAC Signal in Emergency IoT Networks
CN101958874B (zh) 基于角分复用的双正交频分多址蜂窝系统
CN101001223A (zh) 提高无线移动通信中信道估计精度的盲方法
CN110493155B (zh) Ofdm多载波加权解码系统
CN114158063B (zh) 一种智能反射面辅助LoRa通信系统及其控制方法
Debnath et al. Performance Comparison of OFDM, FBMC, and UFMC for Identifying the Optimal Solution for 5G Communications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant