CN116056104A - 感知通信一体化ofdm共享波形子载波的比特和功率分配方法 - Google Patents

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CN116056104A CN202211722759.1A CN202211722759A CN116056104A CN 116056104 A CN116056104 A CN 116056104A CN 202211722759 A CN202211722759 A CN 202211722759A CN 116056104 A CN116056104 A CN 116056104A
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Abstract

本发明涉及一种感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，包括以下步骤：建立发送信号模型；在总功率限制下，以条件互信息最大化为目标建立雷达探测模型；在总功率和BER限制下，以数据信息速率最大化为目标建立通信模型；基于所述雷达探测模型和通信模型，在综合考虑雷达和通信性能的条件下，建立鲁棒性OFDM共享波形的优化模型；通过调整不同子载波的比特和功率，来调整所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型的综合性能。本发明充分考虑到信道条件的不确定性，具有良好的鲁棒性。

Description

感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法
技术领域
本发明涉及感知通信一体化技术领域，特别是涉及一种感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法。
背景技术
雷达和无线通信是现代电磁技术最常见的两个典型应用，在军用和民用领域都极具价值且影响深远。雷达系统和通信系统在设计目的和功能上是有差异的。雷达主要是用来发现监测并跟踪目标，而通信系统则是通过建立发送端和接收端的通信链路实现端到端的信息传递。在以往的发展过程中，雷达技术和无线通信技术的发展是相互独立的，基于各自的功能需求差异，分别进行设计和部署，互不影响。近年来，随着移动设备的指数式增长以及新型业务的出现，对于通信的传输速率要求越来越高，与之对应的则是对于带宽的需求也呈现出明显的增长趋势，低频段资源已经不能满足当前需求，比如毫米波频段凭借其带宽优势在新一代移动通信中受到了广泛的关注和研究，可见通信系统逐渐向更高的频段发展，从而使用到了雷达技术所占用的频段。雷达系统与通信系统的运行频段出现了重叠，而目前严重短缺的频谱资源则成了制约雷达系统和通信系统快速发展的重要因素。更严重的是，在雷达系统和通信系统共存的情况下，它们彼此之间会产生强烈的电磁干扰，对二者的性能和稳定性造成影响。因此，如果能够在雷达和通信系统共享频谱的条件下，实现一个同时具有通信功能和雷达探测功能的一体化系统，则能有效解决资源短缺和电磁干扰的问题。
感知通信一体化是6G发展的潜在方向之一，其设计会带来很多优势，主要体现在以下几个方面：(1)能够最大化地利用频谱资源，提高频谱利用率，缓解频谱资源不足的现状。(2)基于雷达系统和通信系统中子系统结构的相似性，一体化系统可以共同使用一些硬件设备如发射机、功率放大器、天线等。这样很大程度上能够降低系统的复杂性，提高硬件利用率，有助于控制成本，同时能够有效提高系统集成度，降低系统占用的体积。(3)对通信性能有促进作用。雷达技术主要是回波信号的处理，因此雷达一般会使用比通信系统更大的发射功率以满足回波信号的需要，该特点可以为通信所用以提供更大范围的通信能力。而且雷达尤其是相控阵雷达，具有强方向性的先天优势，因此信号具有很强的抗干扰能力，同时也可以降低信号的截获率，具有一定的保密性。(4)感知通信一体化设计有助于构建智能的雷达网络，通过通信功能将各个节点融合成一张信息感知网络，迅速完成主从节点之间的信息交互，并且结合最新的计算机人工智能技术，能形成一个智能化的整体。(5)联合设计能够通过底层实现雷达与通信的结合，能够避免使用距离隔离等手段实现两个系统的电磁兼容，抑制彼此之间的电磁干扰带来的性能损耗。图1给出了感知通信一体化的典型应用场景，其不再是单纯的通信传输通道，也能感知万物，从而实现万物智能。
通过以上分析可以看出，感知通信一体化网络的研究具有非常深远的意义。
其中，感知通信一体化网络波形优化设计是一体化系统中的研究重点，主要研究如何设计出一种既能实现通信数据传输又能进行目标探测的波形。波形时域频域资源的优化设计至关重要，会直接影响系统性能。目前，已经有不少关于感知通信一体化网络波形优化设计的国内外研究工作。现有的设计方法可以分为两种：第一种是采用复用技术，第二种是采用共用技术。复用技术包括：(1)时分复用，时分复用方式时将时间分割成不同的时隙分配给具有探测功能的雷达波形或者具有数据传输功能的通信波形。(2)频分复用，频分复用是指同一带宽范围内发射雷达波形或者通信波形的叠加以同时完成雷达和通信功能。(3)空分复用，空分复用是将相控阵的表面分割成不同的区域，利用现有的波束成形技术控制波束能量的指向去完成雷达探测和通信数据的传输。(4)码分复用，码分复用是基于扩频正交技术采用扩频序列消除通信信号和雷达信号的干扰来实现波形共享，雷达信号通常是自相关性较好的确定序列，而传输的通信信息是随机数据。信号复用技术设计方法的实现复杂度低，在硬件上相对独立也容易实现，不需要改造电磁收发系统的架构和波形。然而此类设计方法没有真正实现在同一套波形体制收发框架下的一体化融合。共用技术，即雷达和通信设备共同使用一种共享信号波形，在融合波形里通过某些差异性来携带信息就能够完成在雷达探测功能的同时实现通信的传输功能。目前一体化波形设计主要使用信号共用技术，设计的一体化波形又可以大致归为以下两种思路：(1)基于雷达线性调频LFM的共用波形设计。(2)基于通信多载波OFDM的共用波形设计。OFDM共享波形由于具有良好的分辨率、抗多径性能以及灵活的参数设置等优点具有深远的研究价值。
近年来，有大量关于感知通信一体化中基于OFDM的共享波形设计。现有技术一般会选择一个通信指标来衡量通信性能，选择一个雷达指标来衡量雷达性能。在通信和雷达模型的建立中，会使用到通信信道的频率冲激响应h(t)以及雷达信道的冲激响应g(t)。现有技术大都直接给定或者通过信道估计进行信道条件的判定。但是在实际应用中，信道环境的反馈并不准确，使得设计出来的感知通信一体化共享波形实际性能与理论分析存在差距。能够在信道条件不确定情况下依旧具有好的综合性能，具有鲁棒性的感知通信一体化共享波形研究成为重点。此外，需要一种合适的比特和功率分配算法，通过调整不同子载波的比特和功率，来调整共享波形的综合性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，考虑到信道条件的不确定性，具有良好的鲁棒性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，包括以下步骤：
建立发送信号模型；
在总功率限制下，以条件互信息最大化为目标建立雷达探测模型；
在总功率和BER限制下，以数据信息速率最大化为目标建立通信模型；
基于所述雷达探测模型和通信模型，在综合考虑雷达和通信性能的条件下，建立鲁棒性OFDM共享波形的优化模型；
通过调整不同子载波的比特和功率，来调整所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型的综合性能。
所述发送信号模型为
Figure BDA0004028801070000031
其中，s(t)表示发送的时域信号，fc表示载波中心频率，Ns表示子载波的符号数，Nc表示子载波数，am表示第m个子载波的复数权重，cm,n表示第m个子载波中第n个符号的相位编码，Δf为子载波间隔，Ts表示整个OFDM符号持续时间，rect[·]表示矩形函数。
所述雷达探测模型为：
Figure BDA0004028801070000032
，
Figure BDA0004028801070000033
y(t)表示接收到的回波信号，g(t)表示雷达信道的响应信号，Tp＝NSTS表示信号持续时间；|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，G(fm)表示雷达信道的冲激响应，N(fm)表示第m个子载波的噪声功率谱密度，fm表示第m个子载波的功率，pT表示给定的总发射功率。
所述通信模型为：
Figure BDA0004028801070000041
，
Figure BDA0004028801070000042
Ct表示数据信息速率，|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，H(fm)表示第m个子载波的通信信道频率响应，
Figure BDA0004028801070000043
表示通信信道的噪声功率，
Figure BDA0004028801070000044
BER表示差错率。
所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型为：
Figure BDA0004028801070000045
Figure BDA0004028801070000046
，
Figure BDA0004028801070000047
Θg表示雷达信道冲激响应G(fm)给定的上下限集合，Θh表示通信信道频率响应给定的上下限集合，ω1和ω2分别表示雷达探测模型和通信传输模型函数所占的权重，且ω1+ω2＝1，U1为所述雷达探测模型的最优值，U2为所述通信模型的最优值，Tp＝NSTS表示信号持续时间；|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，Θg,m＝G(fm)，表示雷达信道的冲激响应，N(fm)表示第m个子载波的噪声功率谱密度；Θh,m＝H(fm)，表示第m个子载波的通信信道频率响应，
Figure BDA0004028801070000048
表示通信信道的噪声功率，
Figure BDA0004028801070000049
BER表示差错率。
所述通过调整不同子载波的比特和功率，来调整所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型的综合性能，具体为：
初始化第m个子载波分配的比特位bm，第m个子载波的分配的发射功率pm，加权函数值Um以及比值rm；
计算m个子载波上分配的总功率之和，若m个子载波上分配的总功率之和超过pT，则算法终止，并从最后一次被分配的子载波功率中减去超出的那部分功率；
若m个子载波上分配的总功率之和未超过pT，则假设给第m个子载波多分配一个比特，计算此时所需要分配的发射功率p′m、加权函数值U′m以及比值rm′；找到所有子载波中比值rm′取值最大所对应的子载波序号m，并给定该子载波一个索引号index_max；让m＝index_max，给子载波分配一个比特，并返回上一步。
所述发射功率p′m通过
Figure BDA0004028801070000051
计算得到，f(bm)是采用MPSK调制时需要的发射功率，表达式为：
Figure BDA0004028801070000052
其中，pe表示误码率；所述加权函数值U′m通过
Figure BDA0004028801070000053
计算得到；所述比值rm′通过
Figure BDA0004028801070000054
计算得到。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可以广泛应用于感知通信一体化网络场景中，如无人驾驶、无人机等。本发明提出的波形设计方法可以在综合考虑雷达和通信性能的情况下同时具有通信传输和雷达探测的功能，且可以根据实际情况中对于通信和雷达的需求高低通过调整权重因子达到调整综合系统性能的目的，此外，该方法充分考虑到信道条件的不确定性，具有良好的鲁棒性；本发明中的比特和功率分配算法为感知通信一体化网络中OFDM共享波形子载波提供了有效的比特和功率分配方案。
附图说明
图1是感知通信网络典型应用场景示意图；
图2是本发明实施方式中的系统模型示意图；
图3是本发明实施方式中比特和功率分配算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法。该方法的系统模型如图2所示，车辆A发送OFDM共享波形s(t)，该信号通过雷达和通信信道的传输到达车辆B。车辆B接收到发送的信息，完成信息的传输。雷达回波信号y(t)返回车辆A，经过雷达信号处理，完成雷达探测。
本实施方式包括鲁棒性OFDM感知通信一体化共享波形的设计和及比特和功率分配方法。
其中，鲁棒性OFDM感知通信一体化共享波形的设计包括以下几个步骤：
步骤1，建立发送信号模型
发送的时域信号s(t)如下：
Figure BDA0004028801070000061
其中，fc表示载波中心频率，Ns表示子载波的符号数，Nc表示子载波数，am表示第m个子载波的复数权重，cm,n表示第m个子载波中第n个符号的相位编码，Δf为子载波间隔，Ts表示整个OFDM符号持续时间，rect[t/Ts]表示矩形函数，在0≤t≤Ts时值为1，否则值为0。
步骤2，建立雷达探测模型：雷达用于跟踪和探测目标，条件互信息(MI)越大，目标脉冲响应的估计精度越高。因此，条件MI用于衡量雷达性能。假设雷达冲击响应g(t)是一个高斯随机过程，车辆A接收到的回波信号y(t)如下：
Figure BDA0004028801070000071
其中，n(t)是零均值的加性高斯白噪声，它的功率谱密度是N(f)。雷达冲激响应和接收到的回波信号之间的条件互信息如下：
Figure BDA0004028801070000072
其中，Tp＝NSTS表示信号持续时间；|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，G(fm)表示雷达信道的冲激响应，N(fm)表示第m个子载波噪声功率谱密度，fm表示第m个子载波频率，pT表示给定的总发射功率。
为了提高雷达性能，在总功率限制下最大化条件互信息，这个优化问题P1描述如下：
Figure BDA0004028801070000073
步骤3，建立通信模型：通信用来实现端到端的信息传递。数据信息速率(DIR)被用来衡量通信性能。假设通信信道是慢时变的且和频率相关。高斯白噪声信道的数据信息速率DIR如下：
Figure BDA0004028801070000074
其中，H(fm)表示第m个子载波的通信信道频率响应，
Figure BDA0004028801070000075
表示通信信道的噪声功率，
Figure BDA0004028801070000076
BER表示差错率。
为了提高通信性能，在给定总功率限制和BER的条件下，最大化DIR，这个优化问题可以表示如下：
Figure BDA0004028801070000077
步骤4，鲁棒性OFDM共享波形的设计：考虑到信道条件的不确定性，将通信信道频率响应H(fm)和雷达信道冲激响应G(fm)给定在一个已知上下限的集合中。
Figure BDA0004028801070000081
其中，Θh,m＝H(fm)，Θg,m＝G(fm)，lh,m和uh,m分别表示Θh的下届和上届，lg,m和ug,m分别表示Θg的下届和上届。
在综合考虑雷达和通信性能的条件下，鲁棒性OFDM共享波形的加权优化函数可以表示为：
Figure BDA0004028801070000082
其中，
Figure BDA0004028801070000083
U1为式(4)的最优值，U2为式(6)的最优值。
鲁棒性OFDM共享波形的优化问题是最大化给定信道条件集合中的加权优化函数的最小值。优化问题可以表示如下：
Figure BDA0004028801070000084
由于I(p,Θg,Θh)随着Θg,m和Θh,m的增大而增大，所以当Θg,m和Θh,m分别取最小值lg,m和lh,m时，I(p,Θg,Θh)达到最小值。因此P4优化问题可以进一步简化如下：
Figure BDA0004028801070000085
其中，I(p,lg,m,lh,m)是将lg,m和lh,m代入I(p,Θg,Θh)之后的取值：
Figure BDA0004028801070000086
本实施方式的比特和功率分配方法如图3所示，包括以下步骤：
(1)初始化第m个子载波分配的比特位bm，第m个子载波的分配的发射功率pm，加权函数值Um以及比值rm；
(2)计算m个子载波上分配的总功率之和
Figure BDA0004028801070000091
若m个子载波上分配的总功率之和
Figure BDA0004028801070000092
则算法终止，并从最后一次被分配的子载波功率中减去超出的那部分功率；
(3)假设给第m个子载波多分配一个比特，所需要分配的发射功率p′m、加权函数值U′m以及比值rm′。其中，发射功率p′m通过
Figure BDA0004028801070000093
计算得到，f(bm)是采用MPSK调制时需要的发射功率，表达式为：
Figure BDA0004028801070000094
其中，pe表示误码率；所述加权函数值U′m通过
Figure BDA0004028801070000095
计算得到；所述比值rm′通过
Figure BDA0004028801070000096
计算得到。
(4)找到所有子载波中比值rm′取值最大所对应的子载波序号m，并给定该子载波一个索引号index_max；
(5)让m＝index_max，给子载波分配一个比特，并令bm＝bm+1，pm＝p′m，Um＝U′m，返回步骤(2)。
不难发现，本发明可以广泛应用于感知通信一体化网络场景中，如无人驾驶、无人机等。本发明提出的波形设计方法可以在综合考虑雷达和通信性能的情况下同时具有通信传输和雷达探测的功能，且可以根据实际情况中对于通信和雷达的需求高低通过调整权重因子达到调整综合系统性能的目的，此外，该方法充分考虑到信道条件的不确定性，具有良好的鲁棒性；本发明中的比特和功率分配算法为感知通信一体化网络中OFDM共享波形子载波提供了有效的比特和功率分配方案。

Claims (7)

1.一种感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立发送信号模型；
在总功率限制下，以条件互信息最大化为目标建立雷达探测模型；
在总功率和BER限制下，以数据信息速率最大化为目标建立通信模型；
基于所述雷达探测模型和通信模型，在综合考虑雷达和通信性能的条件下，建立鲁棒性OFDM共享波形的优化模型；
通过调整不同子载波的比特和功率，来调整所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型的综合性能。
2.根据权利要求1所述的感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，所述发送信号模型为
Figure FDA0004028801060000011
其中，s(t)表示发送的时域信号，fc表示载波中心频率，Ns表示子载波的符号数，Nc表示子载波数，am表示第m个子载波的复数权重，cm,n表示第m个子载波中第n个符号的相位编码，Δf为子载波间隔，Ts表示整个OFDM符号持续时间，rect[·]表示矩形函数。
3.根据权利要求2所述的感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，所述雷达探测模型为：
Figure FDA0004028801060000012
Figure FDA0004028801060000013
y(t)表示接收到的回波信号，g(t)表示雷达信道的响应信号，Tp＝NSTS表示信号持续时间；|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，G(fm)表示雷达信道的冲激响应，N(fm)表示第m个子载波的噪声功率谱密度，fm表示第m个子载波的功率，pT表示给定的总发射功率。
4.根据权利要求2所述的感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，所述通信模型为：
Figure FDA0004028801060000021
Figure FDA0004028801060000022
Ct表示数据信息速率，|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，H(fm)表示第m个子载波的通信信道频率响应，
Figure FDA0004028801060000023
表示通信信道的噪声功率，
Figure FDA0004028801060000024
BER表示差错率。
5.根据权利要求2所述的感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型为：
Figure FDA0004028801060000025
，
Figure FDA0004028801060000026
，
Figure FDA0004028801060000029
Θg表示雷达信道冲激响应G(fm)给定的上下限集合，Θh表示通信信道频率响应给定的上下限集合，ω1和ω2分别表示雷达探测模型和通信传输模型函数所占的权重，且ω1+ω2＝1，U1为所述雷达探测模型的最优值，U2为所述通信模型的最优值，Tp＝NSTS表示信号持续时间；|am|2＝pm表示第m个子载波的发射功率，Θg,m＝G(fm)，表示雷达信道的冲激响应，N(fm)表示第m个子载波的噪声功率谱密度；Θh,m＝H(fm)，表示第m个子载波的通信信道频率响应，
Figure FDA0004028801060000027
表示通信信道的噪声功率，
Figure FDA0004028801060000028
BER表示差错率。
6.根据权利要求5所述的感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，所述通过调整不同子载波的比特和功率，来调整所述鲁棒性OFDM共享波形的优化模型的综合性能，具体为：
初始化第m个子载波分配的比特位bm，第m个子载波的分配的发射功率pm，加权函数值Um以及比值rm；
计算m个子载波上分配的总功率之和，若m个子载波上分配的总功率之和超过pT，则算法终止，并从最后一次被分配的子载波功率中减去超出的那部分功率；
若m个子载波上分配的总功率之和未超过pT，则假设给第m个子载波多分配一个比特，计算此时所需要分配的发射功率p′m、加权函数值U′m以及比值r′m；找到所有子载波中比值r′m取值最大所对应的子载波序号m，并给定该子载波一个索引号index_max；让m＝index_max，给子载波分配一个比特，并返回上一步。
7.根据权利要求6所述的感知通信一体化OFDM共享波形子载波的比特和功率分配方法，其特征在于，所述发射功率p′m通过
Figure FDA0004028801060000031
计算得到，f(bm)是采用MPSK调制时需要的发射功率，表达式为：
Figure FDA0004028801060000032
其中，pe表示误码率；所述加权函数值U′m通过
Figure FDA0004028801060000033
计算得到；所述比值r′m通过
Figure FDA0004028801060000034
计算得到。
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CN202211722759.1A Pending CN116056104A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 感知通信一体化ofdm共享波形子载波的比特和功率分配方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116923386A (zh) * 2023-09-15 2023-10-24 北京木牛领航科技有限公司 一种车辆行驶方法、系统、介质及设备
CN117956505A (zh) * 2024-03-26 2024-04-30 厦门大学 基于互信息的通感一体化系统时频资源分配方法

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