CN115442198B - 基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法 - Google Patents
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Abstract
基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，属于无蜂窝通信雷达一体化技术领域。为了解决目前雷达目标检测的频谱利用效率有待于进一步提高的问题和目标的多普勒分辨率较低的问题。本发明将用户的数据信息加载到V‑OFDM的正交子载波上，对每个用户进行功率分配，通过离散逆傅立叶变换，得到时域信号矩阵，并进行并串转换、添加循环前缀；接入点发射的叠加信号经过脉冲成形器后，形成等效波形信号，通过阵列天线发射；在用户端去掉循环前缀和串并转换后，通过离散傅立叶变换，得到频域信号矩阵；经过相干解调，恢复出对应用户的数据；在接入点处通过时域离散逆傅里叶变换和频域离散傅里叶变换算法，进而获得目标的距离和速度信息。
Description
技术领域
本发明属于无蜂窝通信雷达一体化技术领域，具体涉及一种无蜂窝通信雷达一体化通信方法。
背景技术
第六代移动通信网络(6G)旨在拥有高质量的通信和高精度的感知能力，因此，无蜂窝通信雷达一体化系统(Cell-free JCR)有望成为一种新颖的技术，可以满足低时延多用户数据传输和高精度多目标检测的需求。首先，在传统宏蜂窝系统中，基站到用户的距离比较远，因此路径损耗造成的信号衰减很大，而且位于小区边缘的用户通信质量比较差。无蜂窝系统通过部署多个分布式接入点，可以减轻大尺度衰落的影响，解决小区边缘问题，有效的提高小区边缘用户的服务质量和通信系统的传输速率。此外，集中式通信雷达一体化系统只能利用单一的基站实现目标检测，无蜂窝通信雷达一体化系统具有多个分布式接入点(AP)，所有接入点通过前向链路连接到中央处理器(CPU)，因此，多个接入点之间可以进行协作，进行联合目标检测，因此具有更高的目标检测概率。传统的正交频分复用(OFDM)信号的频谱利用效率较低，而且具有较低的多普勒分辨率，本发明采用向量正交频分复用(V-OFDM)信号作为通信雷达一体化信号，可以在提高频谱利用效率的同时，有效的提高目标检测的多普勒分辨率。
发明内容
本发明为了解决目前雷达目标检测概率较低的问题，以及频谱利用效率有待于进一步提高的问题和目标的多普勒分辨率较低的问题。
基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，包括以下步骤：
步骤一、所有用户的数据信息加载到V-OFDM的正交子载波上，对每个用户进行功率分配，通过离散逆傅立叶变换，得到时域信号矩阵；
步骤二、时域信号矩阵经过并串转换、添加循环前缀，形成多个V-OFDM向量块；
步骤三、根据信道状态信息，以最大化通信和速率为准则，对每个接入点波束形成进行设计；
步骤四、接入点发射的叠加信号经过脉冲成形器后，形成等效波形信号，通过阵列天线发射；
步骤五、在用户端，经过带通滤波器对用户接收到的信号进行处理，去掉循环前缀和串并转换后，通过离散傅立叶变换，得到频域信号矩阵；经过相干解调，恢复出对应用户的数据；
步骤六、在接入点处，经过带通滤波器对目标反射后的回波信号进行处理，通过时域离散逆傅里叶变换和频域离散傅里叶变换算法，分别提取多个目标的时延和多普勒信息，进而获得目标的距离和速度信息。
进一步地，所述时域信号矩阵其中，B为基站端发射的数据矩阵，P为功率分配矩阵，/>为离散傅立叶矩阵；
离散傅立叶矩阵如下：
其中，Δf代表子载波间隔，Nc为V-OFDM的子载波个数，K为用户个数；j表示虚数单位。
进一步地，接入点波束形成的第m个接入点的发射信号矩阵如下：
Sm＝wmxt,cp
其中，wm为第m个接入点的波束形成权值向量，xt,cp为V-OFDM向量块经过并串转换和添加循环前缀后的向量。
进一步地，接入点发射的叠加信号经过脉冲成形器后，第m个接入点的第nt根发射天线的等效波形信号表示为
其中，N为V-OFDM向量块的个数，nc和n分别表示子载波、向量块的序号；代表第m个接入点第nt根天线的权值；/>代表第n个V-OFDM向量块中第nc个子载波的数据；g(t)为发射矩形脉冲。
进一步地，所述步骤五的具体过程如下：
在通信链路中，所有接入点已知用户的信道状态信息，第m个接入点到第k个用户之间的离散时间信道响应建模为
hm,k＝hm,kat(Ωm,k,φm,k)
其中，代表第m个接入点到第k个用户的等效信道增益；dm,k和βm,k分别代表距离和小尺度衰落，α代表路径损耗系数；at(Ωm,k,φm,k)代表第m个接入点到第k个用户的导向矢量，Ωm,k和φm,k分别代表俯仰角和方位角；
用户端收到来自所有接入点的发射信号；接收信号经过带通滤波器处理后，去掉循环前缀，经过串并转换后，第k个用户接收的第n个向量块信号表示为
其中，nk表示第k个用户接收的高斯白噪声；
将第k个用户接收到的所有N个向量块进行排列，得到第k个用户的接收信号为
通过离散傅里叶变换，第k个用户频域信号矩阵表示为
其中，为等效频域信道矩阵，/>为等效波束形成矩阵，Nk为等效频域噪声；
经过相干解调，得到用户的数据。
进一步地，所述步骤六的具体过程如下：
在雷达链路中，接入点接收到目标反射的回波信号；通过带通滤波器进行信号处理后，第m个接入点收到的回波信号表示为
其中，ηi代表第i个目标的反射截面积；Ωm,i和φm,i分别代表第m个接入点到第i个目标的功率损耗，俯仰角和方位角；τm,i和fd,m,i分别代表第m个接入点相对第i个目标的时延和多普勒频率；
去掉循环前缀、串并转换和信号合并后，第m个接入点的回波等效信号为
其中，vm中第m个接入点的处理向量，Tm,i和Fd,m,i分别为等效时延和多普勒矩阵；
根据合并向量和数据矩阵得到处理后的信号为Gm，表示为
其中，pinv代表矩阵的伪逆运算；
利用离散逆傅里叶变换估计目标的时延Rm,τ；然后，对Rm,τ的每列进行搜索，找到最大的T个值，其标号为因此，第m个接入点相对第i个目标的时延表示为/>进而得到第m个接入点到第i个目标的距离为/>
利用离散傅里叶变换估计目标的多普勒频率然后，对/>的每行进行搜索，找到最大的T个值，其标号为ni，第m个接入点相对第i个目标的多普勒频率表示为进而得到第m个接入点到第i个目标的速度为/>其中，λ为载波波长，Ts为V-OFDM符号持续时间。
进一步地，目标的时延 为/>的共轭转置。
进一步地，目标的多普勒频率FN代表N维离散傅立叶矩阵；
离散傅立叶矩阵FN如下：
一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。
一种基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。
有益效果：
本发明提出了一种基于向量正交频分复用的通信雷达一体化信号及设计方案。与传统的正交频分复用信号相比，它首先将多用户数据转换为向量块，每个向量块包含多个子载波。V-OFDM信号可以减少循环前缀的开销，从而提高频谱利用效率。与此同时，V-OFDM信号具有更高的多普勒分辨率，可以有效地提高数据传输效率和雷达测量精度。
同时本发明提出的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化设计方案，在发射端，V-OFDM信号利用正交子载波加载多个用户的信息，每个接入点进行波束形成，形成发射信号。用户接收端对信号进行处理，通过相干解调，恢复出用户自身的信息。接入点对目标回波信号进行处理，通过时延和频域估计算法，提取目标的距离和速度信息，实现多目标检测。本发明还可以解决传统宏蜂窝系统路径损耗信号衰减较大，小区边缘的用户通信质量较差，雷达目标检测概率较低的问题。与传统集中式通信雷达一体化系统相比，无蜂窝通信雷达一体化可以减轻大尺度衰落对信号的影响，解决小区边缘问题并提高小区边缘用户的服务质量，与此同时，多个接入点可以进行联合目标检测，因此具有更高的目标检测概率。
附图说明
图1为基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化系统发射机示意图。
图2为基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化用户端接收机示意图。
图3基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化接入点端接收机示意图。
图4为基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化系统模糊函数图。
图5为基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化系统误码率图。
图6为基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化检测概率图。
具体实施方式
本发明旨在给出一种基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。假设所有接入点通过前端链与中央处理器相连，仅考虑从接入点到用户(目标)的上行链路和下行链路，不考虑两个用户(目标)之间的直通链路。每个接入点配备一个均匀矩形阵列，每个用户配备单根天线。基站端已知所有用户的数据和信道状态信息。
在发射端，利用V-OFDM信号的正交子载波，将多个用户的原始数据信息映射成符号，经过功率分配后，通过离散逆傅里叶变换(IDFT)得到时域信号矩阵。通过并串转换后，形成多个V-OFDM向量块，并添加循环前缀。然后，根据信道状态信息，每个接入点进行波束形成，最后经过脉冲成形器形成等效波形信号，由阵列天线发射。经过信道传输后，在用户接收端，首先经过带通滤波器对信号进行处理，然后去除循环前缀、串并转换和离散傅里叶变换(DFT)后，得到频域信号矩阵。通过相干解调，恢复出用户自身的信息。在接入点处，经过带通滤波器对目标回波信号进行处理，通过时域和频域估计算法，提取目标的时延和多普勒信息，进而获得目标的距离和速度信息，实现多目标检测。下面结合具体实施方式进行具体说明。
具体实施方式一：
本实施方式为基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，在进行具体说明之前，首先对本发明的环境和参数进行一下说明：
所有接入点通过前端链与中央处理器相连，接入点采用平面阵列，发射天线数目为Nt，接收天线数目为Nr，用户采用单天线；
接入点个数为M，用户个数为K，目标数目为T，其中，1≤m≤M，1≤k≤K，1≤i≤T；m、k、i分别表示接入点、用户、目标的序号；
V-OFDM的子载波个数为Nc，向量块的个数为N，其中，1≤nc≤Nc，1≤n≤N；nc、n分别表示子载波、向量块的序号；
符号定义：j表示虚数单位，上角标T和H分别表示转置和共轭转置，diag代表对角矩阵，pinv代表矩阵的逆运算或者伪逆运算。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，包括以下步骤：
步骤一、基站端发射的数据矩阵为其中，代表第k个用户的数据向量，bk,n代表第k个用户的第n个数据信息。功率分配矩阵表示为/>其中，Pk代表第k个用户的功率。
经过离散逆傅立叶变换后，可以得到时域信号矩阵为其中，/>代表离散傅立叶矩阵，可以表示为
其中，Δf代表子载波间隔。
步骤二、时域信号矩阵可以表示为其中，代表第n个V-OFDM向量块，/>代表第n个V-OFDM向量块中第nc个子载波的数据。经过并串转换和添加循环前缀后，可以得到其中，/>代表循环前缀，Ng为循环前缀的长度。
步骤三、第m个接入点的波束形成权值向量为其中，/>代表第m个接入点第nt根天线的权值，因此，第m个接入点的发射信号矩阵可以可以表示为
Sm＝wmxt,cp
步骤四、接入点发射的叠加信号经过脉冲成形器后，第m个接入点的第nt根发射天线的等效波形信号可以表示为
其中，g(t)为发射矩形脉冲。
步骤五、在通信链路中，由于所有接入点已知用户的信道状态信息，因此第m个接入点到第k个用户之间的离散时间信道响应可以建模为
hm,k＝hm,kat(Ωm,k,φm,k)
其中，代表第m个接入点到第k个用户的等效信道增益。dm,k和βm,k分别代表距离和小尺度衰落，α代表路径损耗系数。at(Ωm,k,φm,k)代表第m个接入点到第k个用户的导向矢量，其中，Ωm,k和φm,k分别代表俯仰角和方位角。
结合图2，用户端可以收到来自所有接入点的发射信号。接收信号经过带通滤波器处理后，去掉循环前缀，经过串并转换后，第k个用户接收的第n个向量块信号可以表示为
其中，nk表示第k个用户接收的高斯白噪声。
将第k个用户接收到的所有N个向量块进行排列，可以得到第k个用户的接收信号为
通过离散傅里叶变换，第k个用户频域信号矩阵可以表示为
其中，为等效频域信道矩阵，/>为等效波束形成矩阵，Nk为等效频域噪声。
经过相干解调，可以得到用户的数据。
步骤六、结合图3，在雷达链路中，接入点接收到目标反射的回波信号。通过带通滤波器进行信号处理后，第m个接入点收到的回波信号可以表示为
其中，ηi代表第i个目标的反射截面积，Ωm,i和φm,i分别代表第m个接入点到第i个目标的功率损耗，俯仰角和方位角。τm,i和fd,m,i分别代表第m个接入点相对第i个目标的时延和多普勒频率。
去掉循环前缀、串并转换和信号合并后，第m个接入点的回波等效信号为
其中，vm中第m个接入点的处理向量，Tm,i和Fd,m,i分别为等效时延和多普勒矩阵。
由于合并向量和数据矩阵X已知，对上式进一步处理，可以得到处理后的信号为Gm，表示为
其中，pinv代表矩阵的伪逆运算。
利用离散逆傅里叶变换可以估计目标的时延，可以表示为
然后，对Rm,τ的每列进行搜索，找到最大的T个值，其标号为因此，第m个接入点相对第i个目标的时延可以表示为/>进而得到第m个接入点到第i个目标的距离为/>
利用离散傅里叶变换可以估计目标的多普勒频率，可以表示为
其中，FN代表N维离散傅立叶矩阵，可以表示为
然后，对的每行进行搜索，找到最大的T个值，其标号为ni，因此，第m个接入点相对第i个目标的多普勒频率可以表示为/>进而得到第m个接入点到第i个目标的速度为/>其中，λ为载波波长，Ts为V-OFDM符号持续时间。
与传统的正交频分复用(OFDM)信号相比，本发明首先将多用户数据转换为向量块，每个向量块包含多个子载波。V-OFDM信号可以减少循环前缀的开销，从而提高频谱利用效率。与此同时，V-OFDM信号具有更高的多普勒分辨率，可以有效地提高数据传输效率和雷达测量精度。在发射端，V-OFDM信号利用正交子载波加载多个用户的信息，每个接入点进行波束形成，形成发射信号。用户接收端对信号进行处理，通过相干解调，恢复出用户自身的信息。接入点对目标回波信号进行处理，通过时延和频域估计算法，提取目标的距离和速度信息，实现多目标检测。
本发明的效果如图4-图6所示。其中图4给出基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化系统的模糊函数，可以看出模糊函数具能量比较集中，表明时延和多普勒的模糊度比较小，具有良好的自相关特性。除此之外，模糊函数的旁瓣衰落较快，具有更好的距离和速度分辨率。图5给出基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化系统的误码率，当用户数目和发射总天线数目相同时，可以看出无蜂窝系统的误码率远好于集中式系统。此外，接入点的数目越多，误码率性能越好。与传统的最大比传输波束形成方案相比，我们提出的基于交替迭代的拉格朗日乘子法(MM-LM)波束形成方案具有更好的误码率性能。图6给出基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化系统的检测概率，当用户数目和发射总天线数目相同时，可以看出无蜂窝系统的检测概率远好于集中式系统。此外，目标的虚警概率和检测概率是一对矛盾，当发射功率和噪声功率的比值为定值时，虚警概率越小，检测概率越小。因此，需要选择一个合适的检测门限实现虚警概率和检测概率的折中。
具体实施方式二：
本实施方式为一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。
应当理解，包括本发明描述的任何方法对应的可以被提供为计算机程序产品、软件或计算机化方法，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令可以用于编程计算机系统，或其他电子装置。存储介质可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质；磁光存储介质包括：只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)以及闪存层；或者适合于存储电子指令的其他类型的介质。
具体实施方式三：
本实施方式为一种基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发设备，所述设备包括处理器和存储器，应当理解，包括本发明描述的任何包括处理器和存储器的设备，设备还可以包括其他通过信号或指令进行显示、交互、处理、控制等以及其他功能的单元、模块；
所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。
应当理解，包括本发明描述的任何方法对应的可以被提供为计算机程序产品、软件或计算机化方法，其可以包括其上存储有指令的非暂时性机器可读介质，所述指令可以用于编程计算机系统，或其他电子装置。存储器可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、所有用户的数据信息加载到V-OFDM的正交子载波上，对每个用户进行功率分配，通过离散逆傅立叶变换，得到时域信号矩阵；所述时域信号矩阵其中，B为基站端发射的数据矩阵，P为功率分配矩阵，/>为离散傅立叶矩阵；
离散傅立叶矩阵如下：
其中，Δf代表子载波间隔，Nc为V-OFDM的子载波个数，K为用户个数；j表示虚数单位；
步骤二、时域信号矩阵经过并串转换、添加循环前缀，形成多个V-OFDM向量块；
步骤三、根据信道状态信息，以最大化通信和速率为准则，对每个接入点波束形成进行设计；
步骤四、接入点发射的叠加信号经过脉冲成形器后，形成等效波形信号，通过阵列天线发射；
步骤五、在用户端，经过带通滤波器对用户接收到的信号进行处理，去掉循环前缀和串并转换后，通过离散傅立叶变换，得到频域信号矩阵；经过相干解调，恢复出对应用户的数据；
步骤六、在接入点处，经过带通滤波器对目标反射后的回波信号进行处理，通过时域离散逆傅里叶变换和频域离散傅里叶变换算法，分别提取多个目标的时延和多普勒信息，进而获得目标的距离和速度信息。
2.根据权利要求1所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，接入点波束形成的第m个接入点的发射信号矩阵如下：
Sm＝wmxt,cp
其中，wm为第m个接入点的波束形成权值向量，xt,cp为V-OFDM向量块经过并串转换和添加循环前缀后的向量。
3.根据权利要求2所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，接入点发射的叠加信号经过脉冲成形器后，第m个接入点的第nt根发射天线的等效波形信号表示为
其中，N为V-OFDM向量块的个数，nc、n分别表示子载波、向量块的序号；代表第m个接入点第nt根天线的权值，/>代表第n个V-OFDM向量块中第nc个子载波的数据；g(t)为发射矩形脉冲。
4.根据权利要求3所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程如下：
在通信链路中，所有接入点已知用户的信道状态信息，第m个接入点到第k个用户之间的离散时间信道响应建模为
hm,k＝hm,kat(Ωm,k,φm,k)
其中，代表第m个接入点到第k个用户的等效信道增益；dm,k和βm,k分别代表距离和小尺度衰落，α代表路径损耗系数；at(Ωm,k,φm,k)代表第m个接入点到第k个用户的导向矢量，Ωm,k和φm,k分别代表俯仰角和方位角；
用户端收到来自所有接入点的发射信号；接收信号经过带通滤波器处理后，去掉循环前缀，经过串并转换后，第k个用户接收的第n个向量块信号表示为
其中，nk表示第k个用户接收的高斯白噪声；
将第k个用户接收到的所有N个向量块进行排列，得到第k个用户的接收信号为
通过离散傅里叶变换，第k个用户频域信号矩阵表示为
其中，为等效频域信道矩阵，/>为等效波束形成矩阵，Nk为等效频域噪声；
经过相干解调，得到用户的数据。
5.根据权利要求4所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，所述步骤六的具体过程如下：
在雷达链路中，接入点接收到目标反射的回波信号；通过带通滤波器进行信号处理后，第m个接入点收到的回波信号表示为
其中，ηi代表第i个目标的反射截面积，Ωm,i和φm,i分别代表第m个接入点到第i个目标的功率损耗，俯仰角和方位角；τm,i和fd,m,i分别代表第m个接入点相对第i个目标的时延和多普勒频率；
去掉循环前缀、串并转换和信号合并后，第m个接入点的回波等效信号为
其中，vm中第m个接入点的处理向量，Tm,i和Fd,m,i分别为等效时延和多普勒矩阵；
根据合并向量和数据矩阵得到处理后的信号为Gm，表示为
其中，pinv代表矩阵的伪逆运算；
利用离散逆傅里叶变换估计目标的时延Rm,τ；然后，对Rm,τ的每列进行搜索，找到最大的T个值，其标号为因此，第m个接入点相对第i个目标的时延表示为/>进而得到第m个接入点到第i个目标的距离为/>
利用离散傅里叶变换估计目标的多普勒频率然后，对/>的每行进行搜索，找到最大的T个值，其标号为ni，第m个接入点相对第i个目标的多普勒频率表示为/>进而得到第m个接入点到第i个目标的速度为/>其中，λ为载波波长，Ts为V-OFDM符号持续时间。
6.根据权利要求5所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，目标的时延 为/>的共轭转置。
7.根据权利要求5或6所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法，其特征在于，目标的多普勒频率其中，FN代表离散傅立叶矩阵；
离散傅立叶矩阵FN如下：
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7之一所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。
9.一种基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7之一所述的基于向量正交频分复用的无蜂窝通信雷达一体化收发方法。
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