CN115867821A - 通信设备中的雷达实现 - Google Patents

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F·达尔格仁
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Abstract

本公开的摘要一种通信设备(301)包括调制解调器和收发机，其中，该调制解调器包括用于生成数字基带信号以用于发送的数字基带电路，该收发机被配置为从该调制解调器接收数字基带信号，并从中生成射频信号以由该通信设备(301)发送。该通信设备控制该调制解调器在第一模式下操作，并控制该调制解调器在第二模式下操作。该第一模式是雷达模式，在该雷达模式中，该调制解调器生成雷达基带信号以作为一个或多个雷达射频信号由该收发机发送，并且该第二模式是通信模式，在该通信模式中，该调制解调器生成包含信息的基带信号以由该收发机发送。

Description

通信设备中的雷达实现
背景技术
本发明涉及雷达设备，并且更特别地涉及在通信设备中实现的雷达设备。
越来越需要在移动电话和其他类型的配备有调制解调器的设备中运行的应用了解在它们的周围环境中的物体和事件以及它们的位置。用于使能这种意识的不同的传感器选项包括雷达和摄像头。没有必要出于一个选项而排除另一个选项，因为来自不同的传感器的信息可以在被称为“传感器融合”的过程中被组合以创建更完整的图像。
常规技术已考虑提供一种使移动通信设备具有雷达能力的机制。例如，US专利申请No.US 20170329449A1(B.Silverstein和Eden Sherry，“用于使用基于雷达的触摸接口的系统、方法和设备(Systems,Methods,and Devices for Utilizing Radar-Based TouchInterfaces)”，2017年11月)和US专利No.US 8004454B2(M.Lindoff和M.Blomkvist，“配备有雷达的移动电子设备(Mobile Electronic Device Equipped With Radar)”，2011年8月23日)描述了为这种设备配备专用雷达芯片，以使得它们可以检测附近的对象。但是，尽管大多数移动电话都具有摄像头，但雷达传感器仍未得到广泛实现。一个罕见的例外是谷歌Pixel 4手机，其集成了专用雷达芯片以实现所期望的功能。
为通信设备配备雷达功能的当前的解决方案仅具有只需要低分辨率的短程应用(例如，手势识别和检测设备附近的对象)。另外，需要在移动设备内部有专用雷达芯片的当前的解决方案会导致成本增加，并需要在设备中提供额外的空间。
作为另一种解决方案，美国专利No.US 9945934B2(D.Corcos和D.Elad，“雷达与手持电子设备的集成(Radar Integration With Handheld Electronic Devices)”，2018年4月)描述了在设备上安装相控阵列以添加调频连续波(FMCW)雷达。这种解决方案是针对车辆通信而提出的。
然而，在移动电话内部集成长程和高分辨率的雷达芯片或者在设备上安装雷达(启用安装箱)会大大增加移动设备的成本和尺寸。原因在于天线阵列的尺寸必须是多个波长以创建用于高角分辨率的窄波束。
因此，需要解决上述和/或相关问题的雷达实现技术。
发明内容
应注意，当在本说明书中使用时，术语“包括”和“包含”用于指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在；但这些术语的使用并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其群组。
此外，在一些情况下(例如，在权利要求和发明内容中)可以提供参考字母以促进标识各种步骤和/或元件。然而，参考字母的使用无意推定或暗示如此引用的步骤和/或元件将以任何特定顺序被执行或操作。
根据本发明的一个方面，前述和其他目的在包括具有调制解调器和收发机的通信设备的技术(例如，方法、装置、非暂时性计算机可读存储介质、程序部件)中被实现，其中，该调制解调器包括用于生成数字基带信号以用于发送的数字基带电路，该收发机被配置为从该调制解调器接收该数字基带信号，并从中生成射频信号以由该通信设备发送。该通信设备控制该调制解调器在第一模式下操作，并控制该调制解调器在第二模式下操作。该第一模式是雷达模式，在该雷达模式中，该调制解调器生成雷达基带信号以作为一个或多个雷达射频信号由该收发机发送，并且该第二模式是通信模式，在该通信模式中，该调制解调器生成包含信息的基带信号以由该收发机发送。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，该调制解调器进一步包括雷达信号处理电路，并且在第一模式下操作该调制解调器包括：从收发机接收基带雷达反射信号；以及使用所接收的基带雷达反射信号作为输入来操作该雷达信号处理电路。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，使用雷达基带信号作为与基带雷达反射信号进行比较的参考信号来执行信号相关。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，当在第一模式下操作时，该调制解调器被配置为从雷达基带序列生成雷达基带信号。在这些实施例中的一些中，这包括生成雷达基带序列；以及向正交频分复用OFDM调制器提供该雷达基带序列，其中，该雷达基带序列被配置为使收发机将一个或多个雷达射频信号生成为一个或多个OFDM脉冲。当在第二模式下操作时，向该OFDM调制器提供表示信息的数据，其中，表示信息的数据使该收发机将该射频信号生成为包含信息的OFDM符号。
在一些但并非所有的这些实施例中，向OFDM调制器提供雷达基带序列包括：向该OFDM调制器的资源元素映射部分提供该雷达基带序列，该调制解调器当在第二模式下操作时也使用该资源元素映射部分。
在一些替代实施例中，在第一模式下操作包括：将雷达基带序列生成为被配置为使收发机将一个或多个雷达射频信号生成为一个或多个调频连续波FMCW信号的序列。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，一个或多个雷达射频信号在定向波束中被发送。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，当发送一个或多个雷达射频信号时使用一个或多个天线面板。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，从至少第一雷达基带序列和第二雷达基带序列中选择雷达基带序列，其中，该第一雷达基带序列使一个或多个雷达射频信号具有第一脉冲宽度和第一幅度，并且该第二雷达基带序列使一个或多个雷达射频信号具有第二脉冲宽度和第二幅度。从该第一雷达基带序列中产生的雷达射频信号与从该第二雷达基带序列中产生的雷达射频信号在以下中的至少一项上不同：
第一脉冲宽度具有与第二脉冲宽度不同的持续时间；以及
第一幅度具有与第二幅度不同的大小。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，该通信设备被配置为使雷达基带序列的选择基于目标检测范围间隔。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，使用射频频谱的未许可部分来发送一个或多个雷达射频信号。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，该通信设备在时间双工模式下操作，在该时间双工模式中，一个或多个雷达射频信号的发送和雷达反射信号的接收在非重叠的时间处发生。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，该通信设备在全双工模式下操作，在该全双工模式中，一个或多个雷达射频信号的发送和雷达反射信号的接收在重叠的时间处发生。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，该通信设备是毫米波(mmWave)通信设备。
根据符合本发明的一些实施例的一方面，该通信设备被配置用于在5G通信网络中工作。
根据符合本发明一些实施例的一方面，该调制解调器在第一模式和第二模式下操作。
附图说明
通过阅读以下结合附图的详细描述，将会理解本发明的目的和优点，其中：
图1A是示例性5G TDD mmWave设备的框图。
图1B是更详细地示出5G TDD mmWave设备的一些方面的框图。
图2A是其中数据通信调制解调器和雷达基带电路在设备的基带部分内被分开实现的mmWave设备的框图。
图2B是更详细地示出图2A的示例性mmWave设备的各部分的框图。
图3A是具有被耦接到一个或多个mmWave天线面板的基带部分以及控制器的通信设备的框图。
图3B是更详细地示出图3A的示例性通信设备301的各方面的框图。
图4是在一方面根据对应于上行链路数据和雷达处理的示例性实施例的动作流程图。
图5是图示OFDM信号生成器可以如何以一个单个OFDM符号的形式产生雷达信号或者将其产生为子帧/时隙中的一系列符号的示意图。
图6A是在28GHz主载波上生成的并具有不同的脉冲宽度和幅度的几种不同类型的雷达脉冲的曲线图。
图6B是示出雷达传输的模拟频谱的曲线图。
图7A图示不同的雷达传输基带信号。
图7B图示从图7A的信号中生成的雷达传输RF信号。
图8A示出2.5ns、10ns和133ns的雷达脉冲(都具有相同的0.1的幅度)的模拟频谱。
图8B示出持续时间如图7B中所示(但其中幅度不同)的雷达脉冲的模拟频谱。
图9A和图9B是在一方面根据对应于上行链路数据和雷达处理的示例性实施例的动作流程图。
图10图示根据符合本发明的一些但并非所有的示例性实施例的示例性控制器。
具体实施方式
现在将参考附图来描述本发明的各种特征，其中，相似的部分用相同的参考符号来标识。
现在将结合几个示例性实施例更详细地描述本发明的各方面。为了促进对本发明的理解，本发明的许多方面按照由计算机系统的元件或能够执行程序指令的其他硬件执行的动作序列来描述。将认识到，在每个实施例中，各种动作可以由专用电路(例如，互连以执行专用功能的模拟和/或离散逻辑门)、由一个或多个用一组合适的指令编程的处理器、或其两者的结合来执行。术语“电路，被配置为”执行一个或多个所描述的动作，在本文中被用于指代任何这种实施例(即，单独的一个或多个专用电路、一个或多个编程处理器、或其任何组合)。此外，本发明还可以被考虑为完全体现在任何形式的非暂时性计算机可读载体内，诸如包含一组合适的计算机指令的固态存储器、磁盘或光盘，这些计算机指令将使处理器执行本文所描述的技术。因此，本发明的各方面可以以许多不同的形式体现，并且所有这些形式都被认为是在本发明的范围内。对于本发明的各方面中的每个方面，如上所述的任何这种形式的实施例在本文中可以被称为“逻辑，被配置为”执行所描述的动作，或者可替代地被称为“逻辑，其”执行所描述的动作。
本文所描述的技术的一方面是利用轻微的硬件修改将雷达功能添加到mmWave通信设备(诸如5G蜂窝电话)中，其中，5G波束成形mmWave收发机及其RF前端组件和天线阵列在雷达与通信调制解调器之间被共享。在mmWave通信设备中，RF收发机、RF前端组件和天线阵列通常被集成到单个模块中，被称为“天线面板”或“天线模块”。在本文中使用术语“天线面板”来指代这种模块。
存在不同的可执行雷达功能的方式。其中之一是“单站雷达”，其中，单个设备既发送雷达信号又接收其反射。单站雷达需要一种其发射机和接收机并置的雷达设备。
在一个替代方案中，“双站雷达”是一种包括其间隔的距离通常与预期目标距离相当的发射机和接收机的雷达系统。
在另一个替代方案中，“多站雷达”是一种包含具有共享覆盖区域的多个空间分集的单站雷达和/或双站雷达组件的雷达系统。它可以包含处理来自一个或多个在地理上分开的发射机的反射信号的一个或多个接收机。例如，雷达系统可以包括一个接收机和多个发射机，或者多个接收机和一个发射机，或者多个接收机和多个发射机。
该技术可以采用若干不同的方式体现：
1.适用于其中调制解调器和雷达基带在单独的硬件中被实现的通信设备的实施例。在这种实施例中，调制解调器和雷达基带经由开关被连接到天线面板。
2.适用于没有单独的雷达基带电路的通信设备的实施例。在这种实施例中，支持通信功能(即，发送和接收包含信息的信号)的调制解调器基带硬件被与雷达功能共享，使用在这两者之间的同一数据总线。雷达/通信共享功能可以是时间双工(雷达和通信信号被分配给时域中的不同的符号)、频率双工(当雷达和通信信号被分配给不同的无线电频谱时)、极化双工(调制解调器和雷达信号被分配给天线面板的不同的极化)、或者空间双工(调制解调器和雷达信号被分配给不同的波束)。这些双工方法的组合可以由设备来实现。
根据其RF电路和雷达模式，通信设备可以生成不同类型的雷达信号。例如，
·对于充当单站雷达的设备：
ο当它被配备有全双工射频(RF)收发机(即，设备可以同时发送和接收RF信号)时，正交频分复用(OFDM)符号可以被生成为雷达信号。事实上，该收发机所支持的任何信号格式都可以被考虑采用作为雷达脉冲并被整形以符合法规要求。在下文中，我们使用术语OFDM来简化讨论，但也可以考虑任何其他所支持的格式，并且应考虑将其涵盖在面向OFDM的讨论中。
ο当它被配备有快速Tx/Rx天线开关时，OFDM符号中的短持续时间RF脉冲或一系列脉冲可以被生成为雷达信号。
·当两个或更多个设备协同工作为双站或多站雷达组时，
ο在此，这些设备不需要具有全双工RF收发机，因为仅发送或仅接收雷达信号就足够了。OFDM符号可以被生成为这些设备的雷达信号，其中至少一个设备发送该雷达信号并且至少一个设备接收该信号的反射。
图1A是示例性5G TDD mmWave设备101的框图。它主要包括RF部分103(即，天线面板)和数字基带部分105。RF部分103负责发送/接收RF信号，包括将基带信号上变频为的RF信号以用于发送，以及将所接收的RF信号下变频为基带信号以用于接收。数字基带部分105负责上行链路和下行链路数据处理，并且包括调制解调器107。
图1B是更详细地示出了5G TDD mmWave设备101的一些方面的框图。提供了数字RF接口109以使基带部分105和RF部分103能够经由模数(A/D)和数模(D/A)转换器111、113交换数据。中频(IF)转换级可以被包括在Rx/Tx块115、117中，以使得mmWave频率信号可以被下变频到IF信号/从IF信号被上变频，该IF信号可以进一步被下变频到基带信号/从基带信号被上变频。A/D、D/A转换器111、113和IF转换级可以与基带部分105而不是天线面板103集成在一起。
当被实现为单站雷达时，mmWave收发机需要同时接收和发送雷达信号，或者通过在接收与发送之间快速切换来伪同时地接收和发送雷达信号。可以实现快速天线开关，从而它可以在接收与发送模式之间极快地切换。这将会比在发射机与接收机之间增加可靠且高度的隔离的成本要低得多。可以在2020年5月8日提交的PCT专利申请号PCT/EP2020/064810，名称为“快速天线开关(Fast Antenna Switch)”中找到合适的快速天线开关的一个示例的描述。
图2A是mmWave设备201的框图，其中，数据通信调制解调器203和雷达基带电路205在设备201的基带部分207内被分开实现。来自调制解调器203和来自雷达基带205的单独提供的基带信号205经由开关211被连接到包括收发机204的天线面板209。
图2B是更详细地图示了示例性mmWave设备201的各部分的框图。开关211可以由设备201中的基于定时器的调制解调器调度器213(图2A中所示)控制。(如果通信/雷达延时不是问题或者可以以某种方式使其易于管理，则该调度器可以位于基带部分207的外部，诸如在雷达应用中)。调度器213收集关于即将到来的通信/雷达活动的信息，这些活动可以由基站、副链路或软件应用调度/许可。
在图2B中所示的示例性实施例还包括在雷达部分205与调制解调器203之间的连接215。该连接不需要被包括在所有实施例中，并且被提供用于将雷达信息传送到调制解调器203，以使得调制解调器203进而可以将该雷达信息传送到基站或服务器。
为了进一步降低与在通信设备中提供雷达能力相关联的硬件成本，可以在调制解调器基带中实现雷达基带处理，即，使用调制解调器(或调制解调器的一部分)来实现雷达功能。在图3A中示出了示例性实施例，其是具有被耦接到一个或多个mmWave天线面板305的基带部分303的通信设备301的框图。还包括控制器307，以用于控制通信设备301(包括基带部分303)的元件。
基带部分303包括调制解调器309，在符合本发明的实施例的一方面中，该调制解调器能够在两种不同的模式下操作：
·第一“雷达”模式，在该第一“雷达”模式中，调制解调器309生成基带雷达信号以作为一个或多个雷达射频信号由收发机304经由mmWave天线面板305发送；以及
·第二“通信”模式，在该第二“通信”模式中，调制解调器309生成包含基带信息的信号以由收发机304发送。
在图3B的框图中更详细地图示了图3A的示例性通信设备301的各方面。可以看到，由设备301用于承载信息的数据的上行链路和下行链路通信的基带调制解调器309还被配置为包括以下中的一项或其两者：
·在调制解调器309的上行链路(UL)部分中，调制解调器部分311被配置为生成雷达信号以经由天线面板305发送；
·在调制解调器309的下行链路(DL)部分中，调制解调器部分313被配置为处理所接收的雷达信号。
现在，将更详细地描述诸如示例性通信设备301之类的通信设备的各方面，从由调制解调器309进行雷达信号生成的讨论开始。
根据其RF电路和雷达模式配置，通信设备301可以生成不同类型的雷达信号。例如，对于充当单站雷达设备的设备，可能的配置取决于该设备是否能够进行全双工操作或时间双工操作：
·当该设备被配备有全双工RF收发机时，它可以同时发送雷达信号和接收反射信号。Tx与Rx之间的隔离可以通过自干扰抑制(诸如在参考文献[5]中提出的方法)来实现。进而可以生成OFDM符号并将其用作雷达信号。OFDM雷达信号已被证明具有雷达性能优势，如高动态范围、估计相对速度的可能性以及基于快速傅里叶变换(FFT)的高效实现[6]。
ο在一个实施例中，将OFDM符号用于雷达，一种可能性是将无论如何被发送出去以用于通信的符号也用于雷达。事实上，雷达脉冲响应(回波)可无论如何都必须由全双工通信调制解调器进行估计，以能够执行Tx到Rx信号转移的充分消除。此处的益处是在通信与雷达功能之间没有RF干扰。
ο在另一个实施例中，当该设备包含多个天线面板时，它可以使用一个或多个天线面板进行雷达信号发送；使用另一个或多个天线面板进行雷达信号接收，类似于双站雷达。该设备可以在不同的定向上执行此操作；或者在不同的面板上执行顺序发送和接收，以更好地扫描环境或找到更好的接收面板。
ο在另一个实施例中，该设备可以使用天线面板的天线单元组进行雷达信号发送；而使用另一个天线单元组进行雷达信号接收。
ο雷达信号不限于OFDM，也可以生成其他的雷达波形，例如，调频连续波(FMCW)。
·当该设备被配备有快速Tx/Rx天线开关时，被容纳在OFDM符号中的短持续时间RF脉冲或一系列脉冲可以被生成为雷达信号。
对于充当双站雷达的两个设备，这两个设备都不需要具有全双工RF收发机能力，因此这不是必要的考虑因素。OFDM符号可以由其中一个设备生成为雷达信号，以用于由另一个设备接收为雷达信号反射。当然，当存在多于两个设备被配置为多站雷达组时，这同样也是可行的。
如上所提及的，多个实施例将OFDM符号配置用作可由通信设备生成并从其发送的雷达信号。在调制解调器309中，OFDM雷达信号从被注入OFDM调制器中的雷达序列生成，并被映射到天线面板以用于波束成形。更详细地探讨，图4是在一方面根据对应于刚刚提到的上行链路数据和雷达处理的示例性实施例的动作流程图。另一方面，在图4中描绘的框也可以被认为表示用于执行所描述的动作的部件400(例如，硬连线或可编程电路或其他处理部件)。
如在被配置为发送OFDM信号的通信设备中发现的调制解调器中的典型情况一样，旨在用于上行链路传输401的数据被生成并被提供给调制解调器309，其中，该数据经历初始处理403，其包括：
-循环冗余校验附件
-信道编码
-速率匹配
-码字重建
-加扰
-调制映射
-通过离散傅立叶变换(DFT)的处理
-预编码
-层映射
上行链路数据通信中的下一步骤是到目前为止已处理的将要被发送的上行链路数据的资源元素映射405。但是在符合本发明的实施例的一方面中，雷达序列可以由调制解调器309中的DSP生成(407)。可用的通信UL参考信号序列(诸如通常用于5G探测参考信号(SRS)的Zadoff-Chu序列)可以被用于此目的。
所生成的雷达序列被直接注入(409)到OFDM资源元素映射块405中，然后到OFDM调制器(IFFT)411和波束成形器413中，以生成OFDM雷达信号。如图所示，可以在物理层基带处理内执行该雷达信号生成。注意，该解决方案与循环前缀(CP)的使用兼容。
在符合本发明的一些实施例的一方面中，OFDM调制器411具有一个用于调制解调器通信应用的参数集，其必须与适用的通信标准兼容；以及另一个用于雷达应用的参数集，其可满足雷达性能要求。例如，在雷达应用中，OFDM调制器的OFDM子载波间隔可以从120kHz被扩展到更高的值(例如，1200kHz)。这导致雷达OFDM符号的持续时间从8.33μs被减少到833ns。以此方式，可以生成长雷达脉冲和短雷达脉冲两者。短脉冲适用于在近处寻找目标，而长脉冲适用于寻找远处的目标。
图5是图示了OFDM信号生成器(诸如刚刚关于图4描述的信号生成器)可以如何以一个单个OFDM符号的形式产生雷达信号或者将其产生为子帧/时隙中的一系列符号的示意图。
现在关注于脉冲雷达信号生成，当雷达与在单站模式下操作的设备相关联时，在每个脉冲之后应存在一个监听间隔，从而监听刚刚发送的类型的脉冲。期间应发生监听的时间量取决于所针对的目标范围(例如，短脉冲通常对应于短监听间隔)。然而，为了避免目标的错误检测，直到下一个相同类型的脉冲被监听到为止的时间必须超过系统的最大范围。这可以使用不同的脉冲调制，并通过交替地发送不同长度的脉冲以使得短脉冲之后是期间没有监听的长传输来解决。
在一个实施例中，通过使用雷达数据序列作为模板来生成OFDM符号。可以在模板上应用具有不同的宽度和/或幅度的时间窗口以生成一系列雷达脉冲。图6A是在28GHz主载波上生成的并具有不同的脉冲宽度和幅度的几种不同类型的雷达脉冲的曲线图600。图6B是示出了雷达传输的模拟频谱的曲线图。图6A的雷达脉冲是通过在OFDM符号上应用时间窗口而生成的，如下所示：
-2.5ns的窗口，幅度缩放因子＝0.01，
-10ns的窗口，幅度缩放因子＝0.05，以及
-133ns的窗口，幅度缩放因子＝0.1。
图6A图示了时域中的雷达脉冲的组合波形，图6B图示了从图6A中所示的所有雷达脉冲计算的模拟频谱。在图6B中，OFDM信号被用作参考，其最大幅度＝1。
在替代实施例中，雷达基带生成脉冲并直接连接到数模转换器。
在又一个实施例中，可以控制雷达脉冲的幅度，以使得短脉冲具有低幅度而长脉冲具有更高的幅度。基于更宽的频率带宽，短脉冲可以被用于以良好的分辨率来检测短程目标。基于更窄的频率带宽和更高的传输功率，宽脉冲可以被用于检测长程目标。短脉冲功率的降低改进了相邻信道泄漏比(ACLR)。为了进一步改进ACLR，脉冲的排序应不同地进行优化，例如，如图7A和图7B中所示，图7A图示了不同的雷达传输基带信号，图7B图示了所生成的对应雷达传输RF信号。
然而，不应从该讨论中推断出脉冲宽度和幅度应始终如刚刚所描述地被联系在一起。相反，脉冲宽度与幅度之间的耦合并非是必需的。例如，具有增加的幅度的短脉冲可以发现在以高分辨率实现更长的检测距离方面的应用，即使它对其他设备造成干扰的风险更大。
在又一个实施例中，通过在长脉冲上添加相位/频率调制(例如，扫频啁啾(frequency sweep chirp))，可以缓解在中心频率处的高频谱密度问题。
如先前所提及的，例如参考图3B，可以进一步配备通信设备301的基带调制解调器303以能够处理雷达反射信号，例如使用被配置为处理所接收的雷达信号(例如，通过包括相关器)313的调制解调器部分313。这种能力可以在设备301中通过使用调制解调器硬件或/和软件来实现。该相关器可以使用所发送的OFDM雷达脉冲(或者所发送的OFDM雷达脉冲的雷达序列)作为参考信号，并在该参考信号与所接收的雷达反射信号之间应用滑动窗口相关。进而，相关结果在该移动设备中被处理和使用(例如，目标范围估计)，或者被发送到调制解调器通信UL块(例如，经由数据链路315)，其可以可选地被发送到网络节点(基站或服务器)。
当在单站模式下操作时，相关器的参考信号可以从本地雷达信号生成器中被提取。
当设备上的雷达在双站(或多站)模式下时，充当雷达发射机的设备可以将其雷达序列发送到基站(或者通过设备到设备(D2D)通信发送到另一个设备)。充当雷达接收机的设备可以经由调制解调器DL通信从基站(或者经由D2D通信从另一个设备)获取所发送的雷达信号的序列。
如先前所提及的，在有利实施例中，通信设备301被配置为如同例如5G通信网络中的设备一样工作。因此，与其他网络组件共存是一个考虑因素。
在一个实施例中，设备301可以向其连接的基站发送请求，请求其雷达应用。该基站确认该请求，并从通信网络资源池中为该设备分配雷达无线电资源。为了协助基站选择合适的资源，设备301可以从雷达应用层提取其雷达信号所需的RF特性，并将该信息发送到其调制解调器，该调制解调器将该信息进一步发送到基站(或服务器)。
这样做的一个好处是基站可以为网络中的设备之间的雷达和通信两者都分配RF资源。因此，可以避免对基站和其他设备的干扰。通信和雷达功能可以共存。
雷达功能可以被配置为以下列不同方式中的任何一种操作：
·作为时间双工功能(雷达和通信信号被分配给时域中的不同的符号)
·作为频率双工功能(当雷达和通信信号被分配给不同的射频频谱时)
·作为极化双工功能(调制解调器和雷达信号被分配给天线面板的不同的极化)，或者
·作为空间双工功能(调制解调器和雷达信号被分配给不同的波束)。
这些双工方法还可以被组合。为了节省功率和避免干扰，设备的雷达信号还可以在时域/频域中与通信信号对齐。例如，当设备在通信标准定义的RRC_IDLE/INACTIVE模式下时，雷达信号的发送/接收可以以将它们与设备通信唤醒时机(例如，用于寻呼)捆绑在一起的方式进行调度。因此，该设备不需要单独的唤醒事件来发送/接收雷达信号。
为了进一步说明与本发明一致的技术的各方面，现在将给出一个粗略的示例(附有计算)。假定可用的RF带宽为400MHz。在这种情况下，雷达脉冲可以短至2.5ns，其对应于0.4米的最小感测距离。添加1ns的开关延时会将该最小距离增加到大约0.6米。如果将要被感测的最大距离为20米，则脉冲长度将变成133ns。如果设备监听反射266ns，则提供了余量，其允许测量距离最远达40米的目标的回波。长脉冲和监听的总时间将变成400ns，而对于短脉冲它是7.5ns。平均值将变成205ns，因此，在8333ns的OFDM符号中，可以具有40个不同长度(例如，以0.5米的距离步长)的脉冲。
为了进一步说明这个示例，再次参考图7(a)，其示出了其中雷达脉冲的幅度被控制的雷达脉冲串的一个示例——2.5ns的脉冲，幅度为0.01；10ns的脉冲，幅度为0.05；以及133ns的长脉冲，幅度为0.1。图7B示出了当图7A的波形被上变频到28GHz时的时域波形。在该示例中需要注意的一点是：尽管在图7B中的波形中未示出chirp效应，但建议对133ns的长脉冲进行线性chirp调频(基带频率从0Hz增加到50MHz)，以缓解在中心频率处的高频谱密度的问题。
图8A示出了2.5ns、10ns和133ns的雷达脉冲(参见图7B，都具有相同的0.1的幅度)的模拟频谱。图8B示出了持续时间如图7B中所示(但其中幅度不同，使得2.5ns脉冲幅度为0.01，10ns脉冲幅度为0.05，133ns脉冲幅度为0.1)的雷达脉冲的模拟频谱。在图8A和图8B两者中，最大幅度等于1的OFDM信号被用作参考。上面提及的线性chirp调制对133ns长脉冲的影响被包括在图8A和图8B中。将图8A(脉冲都具有相同的幅度)的结果与图8B(脉冲幅度随脉冲宽度减小而减小)的结果相比较，可以看到，降低更短的脉冲的幅度会显著减少RF功率泄漏到相邻信道中。
当133ns长脉冲的雷达信号被增加到全幅度(＝1)以实现最大范围时，通过使用OFDM信号的信道内400MHz功率除以该雷达信号的相邻信道功率来计算有效ACLR。计算结果ACLR1＝40dB(其中ACLR1对应于从27.4GHz横越到28.8GHz的400MHz信道)，ACLR2＝47dB(其中ACLR2对应于从27GHz横越到27.4GHz的400MHz信道)。
使用雷达方程式(如下所示)，从所发送的雷达脉冲和最大可检测范围获得反射信号功率水平的估计。考虑载波频率为28GHz、带宽为400MHz的单站雷达，假定RF收发机的天线增益为20dB，并且其接收机噪声系数为8dB。雷达感测目标的雷达横截面面积为0.1m2。以下是用于具有不同的持续时间和不同的发射功率水平的雷达脉冲的所估计的RF链路预算和最大可检测范围。
Figure BDA0004045047960000161
其中，R是雷达与其感测目标之间的距离；
Ps是雷达发射功率(总辐射功率TRP值)；
G是天线增益，假定雷达Tx和Rx的天线增益相同；
λ是所发送的雷达信号的波长；
σ是雷达感测目标的雷达横截面；
Pe是最小所需接收功率。
Figure BDA0004045047960000162
以上内容表明不同的脉冲长度(在该示例中为400ns、10ns和2.5ns)和功率水平如何被适配到不同的距离。可以使其可用于应用，从而取决于需要，设备可以根据需要(近距离或远距离)使用不同类型和幅度的脉冲，或者是否应使用一套脉冲来扫描跨越一定距离间隔的环境。此外，取决于干扰的风险，可接受在不受限制的情况下使用更低幅度的脉冲，而必须限制具有更高输出功率的脉冲，并且可能需要来自基站的协调。
现在参考图9A和图9B，一方面，这些附图是根据对应于如上所描述的上行链路数据和雷达处理的示例性实施例的动作流程图。另一方面，在图9A和图9B中描绘的框也可以被认为表示用于执行所描述的动作的部件900、950(例如，硬连线或可编程电路或其他处理部件)。
图9A图示了其中雷达传输和上行链路数据传输按顺序发生的情况。该顺序并非是必需的：在图9A中，调制解调器在雷达模式下操作(步骤901)，随后，该调制解调器在通信模式下操作(步骤903)，在该通信模式中，一个或多个包含信息的信号被发送。
相比之下，图9B图示了其中通过如上所描述的多个不同可能方式(例如，时间双工(雷达和通信信号被分配给时域中的不同的符号)、频率双工(当雷达和通信信号被分配给不同的射频频谱时)、极化双工(调制解调器和雷达信号被分配给天线面板的不同的极化)、或者空间双工)中的任何一种或其组合，调制解调器在雷达模式下操作(步骤951)同时该调制解调器在通信模式下操作(步骤953)的情况。
在图10中示出了可被用于使得如在各种实施例中所讨论地执行任何和/或所有上述动作的示例性控制器307的各方面，图10图示了根据符合本发明的一些但未必所有的示例性实施例的示例性控制器1001。特别地，控制器1001包括被配置为执行上述各种功能(例如，如图2A到图9中所示)中的任何一个或其任何组合的电路。这种电路例如可以是完全硬连线的电路(例如，一个或多个专用集成电路——“ASIC”)。然而，在图10的示例性实施例中描绘的是可编程电路，其包括被耦接到一个或多个存储器设备1005(例如，随机存取存储器、磁盘驱动器、光盘驱动器、只读存储器等)和接口1007的处理器1003，该接口1007可以使能与硬件的其他元件双向通信。存储器设备1005存储程序部件1009(例如，一组处理器指令)，其被配置为使处理器1003控制其他系统元件以便执行上述各方面中的任何方面。存储器设备1005还可以存储表示各种常量和可变参数的数据(未示出)，如可以是处理器1003所需的和/或可在执行其功能(诸如由程序部件1009所指定的那些)时生成的。
到目前为止所给出的示例都是基于使用OFDM符号生成雷达符号，但这对于该技术来说并非是必需的。相反，也可以由通信设备101生成其他类型的波形(例如，调频连续波(FMCW))，并将其用作雷达信号。
此外，该技术并不限于仅在3GPP通信设备中使用，而是可以被扩展到使用未许可频谱的通信设备(例如，具有60GHz的主载波频率的通信设备)。
在一些其他替代实施例中，雷达传输不需要由中央网络节点进行协调。例如，当设备正在通过使用具有低RF传输功率的短脉冲来检测短程目标时，对其基站或其他设备的干扰的可能性更小。因此，不需要或不总需要由基站进行的协调。
在一些其他替代实施例中，所图示的雷达波形的一些变体可以被用作RF载波以用于数据通信。
本文所描述的技术的一个潜在用例是在工业环境中，其中，存在被配备有用于通信和一般指导的UE的移动单元(例如，自主推车)。为了正确导航，既要微调他们相对于地图的位置，又要避开可能出现的障碍物，因此，雷达功能的可用性将具有很高的价值。利用被内置到UE中的雷达功能，就无需添加额外的专用雷达模块。
此外，多个雷达反射器可以被放置在该工业环境中，UE可以使用它们来校准其雷达，扩展雷达感测范围，并提高雷达可检测性。
在这种用例中，所需的检测范围可以在几分米到几十米之间——当它远离墙壁和设备时，可能需要更远距离的物体以进行定位，但随着它越来越接近障碍物，它需要近距离准确检测。在一些情况下，这种雷达感测被需要的频率(例如，多久一次)与车辆与障碍物或感兴趣点的距离以及车辆的速度有关，并且随着它越来越接近障碍物，它很可能需要更频繁地进行感测。
上述方法和实现提供了在从大约100米到几米的宽距离范围内扫描雷达感测的手段。
将理解，符合本发明的实施例的各方面提供了优于常规雷达技术的若干优势，包括但不限于：
·只需很小的硬件修改，无需添加专用雷达芯片，就可提供用于mmWave通信设备的低成本雷达解决方案
·雷达功能可以使用收发机的全动态范围以实现长检测范围。
已经参考具体实施例描述了本发明。然而，对于本领域技术人员显而易见的，可以采用除了上述那些实施例以外的具体形式来体现本发明。因此，所描述的实施例仅仅是说明性的并且不应被认为以任何方式进行限制。本发明的范围由所附权利要求而不仅仅是由前面的描述进一步说明，并且落入权利要求的范围内的所有变体和等同物旨在被包含在其中。

Claims (37)

1.一种通信设备(301)，包括：
调制解调器，包括用于生成数字基带信号以用于发送的数字基带电路；
收发机，被配置为从所述调制解调器接收所述数字基带信号，并从中生成射频信号以由所述通信设备(301)发送；以及
控制器，被配置为在第一模式和第二模式中的每个模式下控制所述调制解调器，
其中：
所述第一模式是雷达模式，在所述雷达模式中，所述调制解调器生成雷达基带信号以作为一个或多个雷达射频信号由所述收发机发送；并且
所述第二模式是通信模式，在所述通信模式中，所述调制解调器生成包含信息的基带信号以由所述收发机发送。
2.根据权利要求1所述的通信设备(301)，其中，所述调制解调器进一步包括雷达信号处理电路，并且其中，所述调制解调器被配置为从所述收发机接收基带雷达反射信号，并使用所接收的基带雷达反射信号作为输入来操作所述雷达信号处理电路。
3.根据权利要求2所述的通信设备(301)，其中，所述雷达信号处理电路包括相关器，所述相关器被配置为使用所述雷达基带信号作为与所述基带雷达反射信号进行比较的参考信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，其中：
当在所述第一模式下操作时，所述调制解调器被配置为从雷达基带序列生成所述雷达基带信号。
5.根据权利要求4所述的通信设备(301)，其中：
当在所述第一模式下操作时，所述调制解调器被配置为：
生成所述雷达基带序列；以及
向正交频分复用OFDM调制器提供所述雷达基带序列，
其中，所述雷达基带序列被配置为使所述收发机将所述一个或多个雷达射频信号生成为一个或多个OFDM脉冲；并且
当在所述第二模式下操作时，所述调制解调器被配置为向所述OFDM调制器提供表示信息的数据，其中，所述表示信息的数据使所述收发机将所述射频信号生成为包含信息的OFDM符号。
6.根据权利要求5所述的通信设备(301)，其中，所述调制解调器被配置为向所述OFDM调制器提供所述雷达基带序列包括：所述调制解调器被配置为向所述OFDM调制器的资源元素映射部分提供所述雷达基带序列，所述调制解调器当在所述第二模式下操作时也使用所述资源元素映射部分。
7.根据权利要求4所述的通信设备(301)，其中：
当在所述第一模式下操作时，所述调制解调器被配置为将所述雷达基带序列生成为被配置为使所述收发机将所述一个或多个雷达射频信号生成为一个或多个调频连续波FMCW信号的序列。
8.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，进一步包括：波束成形电路，用于使所述一个或多个雷达射频信号在定向波束中被发送。
9.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述收发机被包括在天线面板中。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置为从至少第一雷达基带序列和第二雷达基带序列中选择所述雷达基带序列，其中，所述第一雷达基带序列使所述一个或多个雷达射频信号具有第一脉冲宽度和第一幅度，并且所述第二雷达基带序列使所述一个或多个雷达射频信号具有第二脉冲宽度和第二幅度，其中，从所述第一雷达基带序列中产生的雷达射频信号与从所述第二雷达基带序列中产生的雷达射频信号在以下中的至少一项上不同：
所述第一脉冲宽度具有与所述第二脉冲宽度不同的持续时间；以及
所述第一幅度具有与所述第二幅度不同的大小。
11.根据权利要求10所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置为使所述雷达基带序列的选择基于目标检测范围间隔。
12.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置为使用射频频谱的未许可部分来发送所述一个或多个雷达射频信号。
13.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置为在时间双工模式下操作，在所述时间双工模式中，所述一个或多个雷达射频信号的发送和雷达反射信号的接收在非重叠的时间处发生。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置为在全双工模式下操作，在所述全双工模式中，所述一个或多个雷达射频信号的发送和雷达反射信号的接收在重叠的时间处发生。
15.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)是毫米波mmWave通信设备(301)。
16.根据权利要求15所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置用于在5G通信网络中工作。
17.根据前述权利要求中任一项所述的通信设备(301)，其中，所述通信设备(301)被配置为同时在所述第一模式和所述第二模式下操作。
18.一种操作通信设备(301)的方法(900)，所述通信设备包括调制解调器和收发机，其中，所述调制解调器包括用于生成数字基带信号以用于发送的数字基带电路，并且所述收发机被配置为从所述调制解调器接收所述数字基带信号并从中生成射频信号以由所述通信设备(301)发送，所述方法(900)包括：
控制所述调制解调器在第一模式下操作；以及
控制所述调制解调器在第二模式下操作，
其中：
所述第一模式是雷达模式，在所述雷达模式中，所述调制解调器生成雷达基带信号以作为一个或多个雷达射频信号由所述收发机发送；并且
所述第二模式是通信模式，在所述通信模式中，所述调制解调器生成包含信息的基带信号以由所述收发机发送。
19.根据权利要求18所述的方法(900)，其中，所述调制解调器进一步包括雷达信号处理电路，并且其中，控制所述调制解调器在所述第一模式下操作包括：
从所述收发机接收基带雷达反射信号；以及
使用所接收的基带雷达反射信号作为输入来操作所述雷达信号处理电路。
20.根据权利要求19所述的方法(900)，进一步包括：
使用所述雷达基带信号作为与所述基带雷达反射信号进行比较的参考信号来执行信号相关。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法(901)，其中：
当在所述第一模式下操作时，所述调制解调器被配置为从所雷达基带序列生成所述雷达基带信号。
22.根据权利要求21所述的方法(900)，包括：
当在所述第一模式下操作时：
生成所述雷达基带序列；以及
向正交频分复用OFDM调制器提供所述雷达基带序列，
其中，所述雷达基带序列被配置为使收发机将所述一个或多个雷达射频信号生成为一个或多个OFDM脉冲；并且
当在所述第二模式下操作时：
向所述OFDM调制器提供表示信息的数据，其中，所述表示信息的数据使所述收发机将所述射频信号生成为包含信息的OFDM符号。
23.根据权利要求22所述的方法(900)，其中，向所述OFDM调制器提供所述雷达基带序列包括：向所述OFDM调制器的资源元素映射部分提供所述雷达基带序列，所述调制解调器当在所述第二模式下操作时也使用所述资源元素映射部分。
24.根据权利要求21所述的方法(900)，包括：
当在所述第一模式下操作时：
将所述雷达基带序列生成为被配置为使所述收发机将所述一个或多个雷达射频信号生成为一个或多个调频连续波FMCW信号的序列。
25.根据权利要求18至24中任一项所述的方法(900)，进一步包括：
使所述一个或多个雷达射频信号在定向波束中被发送。
26.根据权利要求18至25中任一项所述的方法(900)，其中，所述收发机被包括在天线面板中。
27.根据权利要求18至26中任一项所述的方法(900)，进一步包括：
当发送所述一个或多个雷达射频信号时使用一个或多个天线面板。
28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法(900)，包括：
从至少第一雷达基带序列和第二雷达基带序列中选择所述雷达基带序列，其中，所述第一雷达基带序列使所述一个或多个雷达射频信号具有第一脉冲宽度和第一幅度，并且所述第二雷达基带序列使所述一个或多个雷达射频信号具有第二脉冲宽度和第二幅度，其中，从所述第一雷达基带序列中产生的雷达射频信号与从所述第二雷达基带序列中产生的雷达射频信号在以下中的至少一项上不同：
所述第一脉冲宽度具有与所述第二脉冲宽度不同的持续时间；以及
所述第一幅度具有与所述第二幅度不同的大小。
29.根据权利要求28所述的方法(900)，其中，所述通信设备(301)被配置为使所述雷达基带序列的选择基于目标检测范围间隔。
30.根据权利要求18至29中任一项所述的方法(900)，包括：
使用射频频谱的未许可部分来发送所述一个或多个雷达射频信号。
31.根据权利要求18至30中任一项所述的方法(900)，包括：
在时间双工模式下操作，在所述时间双工模式中，所述一个或多个雷达射频信号的发送和雷达反射信号的接收在非重叠的时间处发生。
32.根据权利要求18至30中任一项所述的方法(900)，包括：
在全双工模式下操作，在所述全双工模式中，所述一个或多个雷达射频信号的发送和雷达反射信号的接收在重叠的时间处发生。
33.根据权利要求18至32中任一项所述的方法(900)，其中，所述通信设备(301)是毫米波mmWave通信设备(301)。
34.根据权利要求33所述的方法(900)，其中，所述通信设备(301)被配置用于在5G通信网络中工作。
35.根据权利要求18至34中任一项所述的方法，其中，控制所述调制解调器在所述第一模式下操作与控制所述调制解调器在所述第二模式下操作同时执行。
36.一种计算机程序(1009)，包括指令，所述指令在由至少一个处理器(1003)执行时使所述至少一个处理器(1003)执行根据权利要求16至30中的任何一项所述的方法(900)。
37.一种载体，包括根据权利要求36所述的计算机程序(1009)，其中，所述载体是电信号、光信号、无线电信号、以及计算机可读存储介质(1005)之一。
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