CN116125457A - 基于otfs调制的雷达嵌入式通信方法 - Google Patents

基于otfs调制的雷达嵌入式通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法，其实现步骤是：1、生成基于OTFS调制的一体化信号；2、一体化信号接收端对RF标签端的相对速度与距离进行估计；3、一体化信号接收端根据对RF标签端的测速测距结果对时域信道进行建模；4、使用构建的时域信道矩阵均衡接收信号，并对均衡后信号进行去相关判决。本发明利用了OTFS信号可以获得时间和频率上的全部信道分集的特点，得到了对时变频选双色散无线信道更精确的估计，并均衡经过衰落的信号，降低了通信误符号率，有效提高了雷达嵌入式通信系统的通信可靠性。

Description

基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达通信技术领域中的一种基于正交时频空OTFS(Orthogonal Time Frequency Space)调制的雷达嵌入式通信方法。本发明可用于时变频选双色散无线信道下的雷达嵌入式通信系统中实现隐蔽通信。
背景技术
在现代化信息时代无线媒介的广播性质，使得机密信息容易被窃听者获取。无线通信受到窃听等安全威胁，通过无线信道，截获方容易进行非法接收。如何在有限的频谱资源内提高频谱利用率，保证通信可靠、通畅传输的同时又具有保密性或隐蔽性，已成为现代无线通信领域发展新方向。雷达嵌入式通信可以实现隐蔽通信的同时实现雷达和通信频谱资源的共享，提高频谱资源的利用效率。一方面，类似于扩频通信技术，雷达嵌入式通信以环境中存在的雷达信号为隐藏背景，将通信信号隐藏在雷达后向散射回波脉冲内，是一种具有低截获概率(Low Probability of Interception，LPI)的隐蔽通信技术。另一方面，雷达嵌入式通信的通信信号不仅在时间上与雷达回波重合，在频域上也与雷达信号重频，是一种实现雷达信号和通信信号共用频谱的频谱共享技术。雷达发射雷达波形，当接触到探测目标时，反射雷达回波；当接触到RF标签时，标签对雷达波形进行再调制，将雷达波形调制为通信波形，反向发射给雷达，从而实现了由标签到雷达方向的通信。
中国人民解放军国防科技大学在其申请的专利文献“一种基于奇异值分解的雷达嵌入式通信波形设计方法”(专利申请号：202210786867，申请公布号：CN 115201759 A)中公开了一种利用奇异值分解实现的雷达嵌入式通信方法。该方法首先对雷达嵌入式通信及其信道进行了系统建模，随后突破基于特征值分解理论进行雷达嵌入式通信波形设计的限制，利用SVD理论来提取回波矩阵的特征，进而构建雷达嵌入式通信波形。该方法其相较于传统的雷达嵌入式通信波形的设计方法，具有更可靠的通信性能和更低的截获概率。但是，该方法仍然存在的不足之处是，信道建模为理想高斯白噪声信道，然而雷达嵌入式通信系统往往应用于检测跟踪高速目标的场景下，在此场景下的通信会产生多普勒频移及多径衰落，信道会恶化为时变频选双色散信道，导致通信的可靠性急剧下降。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种实现OFDM雷达通信信号一体化的方法”(专利申请号：201710170730，申请公布号：CN 107086975 A)中公开了一种使用OFDM波形实现雷达嵌入式通信的方法。该方法把通信信号嵌入到OFDM雷达信号中的每个子载波上，采用多相位编码的方式以及格雷编码技术结合序列循环移位技术来实现雷达嵌入式通信，并使雷达性能和通信性能的灵活可调。但是，该方法仍然存在的不足之处是，OFDM雷达信号对于多普勒频偏非常敏感，待检测目标高速移动产生的多普勒频偏会造成严重的子载波间干扰，导致雷达检测精度下降。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法。用于解决雷达嵌入式通信系统应用于检测跟踪高速目标的场景下产生多普勒频移及多径衰落，信道会恶化为时变频选双色散信道，导致通信的可靠性急剧下降的问题，以及待检测目标高速移动产生的多普勒频偏会造成严重的子载波间干扰，导致雷达检测精度下降的问题。
实现本发明目的的技术思路是，鉴于现有技术大多采用LFM(Linear FrequencyModulation)波形作为雷达信号，在待检测目标高速移动时系统性能较差，因此本发明在雷达嵌入式通信系统中使用OTFS波形作为雷达信号，利用雷达检测结果对实际信道进行建模，并利用建模得到的信道矩阵对接收信号进行均衡，从而降低了符号间干扰，提高了雷达嵌入式通信系统的可靠性，克服了现有技术中通信双方相对高速移动引起的时间色散和频率色散问题。本发明采用了OTFS波形作为雷达信号，并利用时延-多普勒域下的匹配滤波器进行信道估计，将时变频选双色散无线信道变换到时延-多普勒域上，使得传输单元中的所有符号都经历几乎相同且变化缓慢的稀疏信道，从而获得时间和频率上的全部信道分集，克服了现有技术中待检测目标高速移动产生的多普勒频偏会造成严重的子载波间干扰，导致雷达检测精度下降的问题。
本发明的技术方案如下：
步骤1，生成OTFS时域雷达信号：
雷达信号发射端对由随机二进制比特构成的雷达信息序列依次进行星座映射、OTFS调制与射频调制，生成OTFS时域雷达信号，通过天线发送时域信号；
步骤2，生成基于OTFS调制的一体化信号：
步骤2.1，RF标签端对接收到的雷达信号进行采样，循环移位构建Toeplitz矩阵；
步骤2.2，对Toeplitz矩阵进行特征值分解，采用正交投影的方法构建嵌入式通信波形；
步骤2.3，将生成的嵌入式通信波形嵌入至雷达回波，生成一体化信号，通过天线发送至雷达信号接收端；
步骤3，雷达信号接收端利用匹配滤波算法接收一体化信号，计算RF标签端与雷达信号接收端的相对速度与距离；
步骤4，通信信号接收端对接收到的雷达回波进行接收：
步骤4.1，通信接收端根据雷达信号接收端的测速测距结果对时域信道进行建模，按照下式，得到时域信道矩阵：
Figure BDA0004076960040000031
其中，HT表示时域信道矩阵，FN表示N阶傅立叶变换矩阵，IN表示维度大小为N的单位矩阵，N为发送的OTFS雷达信号矩阵的维度，∑表示求和，
Figure BDA0004076960040000032
表示克罗内克积，G表示对X进行射频调制所需的发射脉冲整形波形方阵，A表示中间矩阵；
Figure BDA0004076960040000033
其中，A表示中间矩阵，p表示矩阵A的行，q表示矩阵A的列，
Figure BDA0004076960040000034
Figure BDA0004076960040000035
表示向下取整操作，υ表示信道估计结果中的峰值所对应的多普勒频移，τ表示信道估计结果中的峰值所对应的时延，[]表示取模操作，m＝p-nN；
步骤4.2，使用构建的时域信道矩阵均衡接收信号；
步骤4.3，使用去相关算法计算均衡后信号与嵌入式通信波形集的相关性，将四个相关性中最大值对应的嵌入式通信波形作为与发送的嵌入式通信波形对应的判决结果。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
第一，本发明在雷达嵌入式通信系统中使用OTFS波形作为雷达信号，利用雷达检测结果对实际信道进行建模，并利用建模得到的信道矩阵对接收信号进行均衡，从而降低了符号间干扰，克服了现有技术中通信双方相对高速移动引起的时间色散和频率色散问题。
第二，本发明采用了OTFS波形作为雷达信号，并利用时延-多普勒域下的匹配滤波器进行信道估计，将时变频选双色散无线信道变换到时延-多普勒域上，使得传输单元中的所有符号都经历几乎相同且变化缓慢的稀疏信道，从而获得时间和频率上的全部信道分集，克服了现有技术中待检测目标高速移动产生的多普勒频偏会造成严重的子载波间干扰，导致雷达检测精度下降的问题。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明仿真实验中高速信道下的误符号率对比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的技术方案和效果作进一步的详细描述。
参照图1，对本发明实施例的实现步骤作进一步的详细描述。
步骤1，雷达信号发射端对由随机二进制比特构成的雷达信息序列依次进行星座映射、OTFS调制与射频调制，生成发射天线待发送的OTFS雷达信号如下：
Figure BDA0004076960040000041
其中，T表示待发送的OTFS雷达信号，X表示随机二进制比特构成的雷达信息序列经过星座映射后的矩阵，G表示对X进行射频调制所需的发射脉冲整形波形方阵，其维度大小与X的维度相等，本发明的实施例中该发射脉冲整形波形矩阵使用矩形波，表示为N阶单位矩阵，FN表示对X进行OTFS调制所需的N阶傅立叶变换矩阵，FN的取值范围为
Figure BDA0004076960040000042
上角标H表示共轭转置，N与X的维度大小相等。
步骤2，雷达嵌入式通信系统的RF标签端对接收到的OTFS雷达信号进行预处理。
RF标签端在构建嵌入式通信波形之前需对经过信道传输的OTFS雷达信号进行预处理。对雷达信号T采样得到离散信号。
对采样得到的离散信号进行循环移位构建Toeplitz矩阵：
Figure BDA0004076960040000043
其中，P表示对接收到的OTFS雷达信号T进行采样的采样点的总数，在本发明实施例中取值392。Q表示过采样因子，以扩充采样点数，在本发明实施例中取值2。SPQ表示对雷达信号T采样得到离散信号中的第PQ个采样点，S1表示第一个采样点。
按照下式，对Toeplitz矩阵S进行特征值分解：
Figure BDA0004076960040000051
其中，VD表示由L个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U×L的矩阵。U表示Toeplitz矩阵S中特征值的总数，在本发明实施例中U取值784。L表示大于平均特征值的特征值的总数，在本发明实施例中L取值400。ΛD表示由L个特征值组成的维度大小为L×L的特征值矩阵。VND表示由U-L个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U×(U-L)的矩阵。ΛND表示由U-L个特征值组成的维度大小为(U-L)×(U-L)的特征值矩阵。
步骤3，采用正交投影的方法构建嵌入式通信波形。
步骤3.1，构建第一个嵌入式通信波形c1如下：
c1＝P1d1
其中，P1表示构建第一个嵌入式通信波形所需的投影矩阵，
Figure BDA0004076960040000052
I表示维度大小为U×U的单位矩阵，d1表示随机列向量，其长度为U，元素均为0或1。
将列向量c1添加至矩阵S最后一列得到矩阵SP1，利用下式，对矩阵SP1进行特征值分解：
Figure BDA0004076960040000053
其中，Vp1,D表示由L1个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U1×L1的矩阵。U1表示矩阵Sp1中特征值的总数，在本发明实施例中U1取值784。L1表示大于平均特征值的特征值的总数，在本发明实施例中L1取值400。Λp1,D表示由L1个特征值组成的维度大小为L1×L1的特征值矩阵。Vp1,ND表示由U1-L1个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U1×(U1-L1)的矩阵。Λp1,ND表示由U1-L1个特征值组成的维度大小为(U1-L1)×(U1-L1)的特征值矩阵。
步骤3.2，构建第二个嵌入式通信波形c2如下：
c2＝P2d2
其中，P2表示构建第二个嵌入式通信波形所需的投影矩阵，
Figure BDA0004076960040000061
d2表示随机列向量，其长度为U1，元素均为0或1。
将列向量c2添加至矩阵S最后一列得到矩阵SP2，利用下式，对矩阵SP2进行特征值分解：
Figure BDA0004076960040000062
其中，Vp2,D表示由L2个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U2×L2的矩阵。U2表示矩阵Sp2中特征值的总数，在本发明实施例中U2取值784。L2表示大于平均特征值的特征值的总数，在本发明实施例中L2取值400。Λp2,D表示由L2个特征值组成的维度大小为L2×L2的特征值矩阵。Vp2,ND表示由U2-L2个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U2×(U2-L2)的矩阵。Λp2,ND表示由U2-L2个特征值组成的维度大小为(U2-L2)×(U2-L2)的特征值矩阵。
步骤3.3，构建第三个嵌入式通信波形c3如下：
c3＝P3d3
其中，P3表示构建第三个嵌入式通信波形所需的投影矩阵，
Figure BDA0004076960040000063
d3表示随机列向量，其长度为U2，元素均为0或1。
将列向量c3添加至矩阵S最后一列得到矩阵SP3，利用下式，对矩阵SP3进行特征值分解：
Figure BDA0004076960040000064
其中，Vp3,D表示由L3个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U3×L3的矩阵。U3表示矩阵Sp3中特征值的总数，在本发明实施例中U3取值784。L3表示大于平均特征值的特征值的总数，在本发明实施例中L3取值400。Λp3,D表示由L3个特征值组成的维度大小为L3×L3的特征值矩阵。Vp3,ND表示由U3-L3个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U3×(U3-L3)的矩阵。Λp3,ND表示由U3-L3个特征值组成的维度大小为(U3-L3)×(U3-L3)的特征值矩阵。
步骤3.4，构建第四个嵌入式通信波形c4如下：
c4＝P4d4
其中，P4表示构建第四个嵌入式通信波形所需的投影矩阵，
Figure BDA0004076960040000071
d4表示随机列向量，其长度为U3，元素均为0或1。
步骤4，将时域接收信号转换到时延-多普勒域。
雷达信号接收端对接收信号依次进行射频解调，OTFS解调，生成时延-多普勒域接收信号Y如下：
Y＝GRFN
其中，R表示接收信号r的矩阵形式R。
步骤5，估计时延-多普勒域下信道。
利用匹配滤波算法，用雷达发送信号矩阵的循环移位与接收信号的乘积作为时延-多普勒域下信道的估计结果。
步骤6，对RF标签端进行检测。
步骤6.1，按照下式，计算雷达嵌入式通信系统中RF标签端与雷达信号接收端的相对距离：
Figure BDA0004076960040000072
其中，R表示雷达嵌入式通信系统中RF标签端与雷达信号接收端的相对距离，c表示光速，τ表示信道估计结果中的峰值所对应的时延。
步骤6.2，按照下式，计算雷达嵌入式通信系统中RF标签端与雷达信号接收端的相对速度：
Figure BDA0004076960040000073
其中，V表示雷达嵌入式通信系统中RF标签端与雷达信号接收端的相对速度，υ表示信道估计结果中的峰值所对应的多普勒频移，fc表示雷达发射端的中心载波频率，在本发明实施例中取值77GHz。
步骤7，按照下式，构建时域信道矩阵：
Figure BDA0004076960040000074
其中，HT表示时域信道矩阵，∑表示求和，
Figure BDA0004076960040000081
表示克罗内克积，A表示中间矩阵；
Figure BDA0004076960040000082
其中，
Figure BDA0004076960040000083
Figure BDA0004076960040000084
表示向下取整操作，[]表示取模操作，m＝p-nN。
步骤8，均衡通信接收端的接收信号。
将构建得到的时域信道矩阵逆矩阵与通信接收端的接收信号的乘积作为通信接收端均衡后的结果。
步骤9，判决通信接收端的接收信号。
步骤9.1，按照下式，计算接收信号与每个嵌入式通信波形的相关性：
Figure BDA0004076960040000085
其中，
Figure BDA0004076960040000086
表示接收信号与第i个嵌入式通信波形的相关性，C表示一个矩阵，该矩阵是在矩阵S中最后一列之后增加四列形成的矩阵，后四列分别为四个嵌入式通信波形向量c1，c2，c3，c4，ci表示第i个嵌入式通信波形，
Figure BDA0004076960040000087
表示经过均衡后的接收信号。
步骤9.2，将四个相关性中最大值对应的嵌入式通信波形作为与发送的嵌入式通信波形对应的判决结果。
本发明的效果可以通过下面的仿真实例得到进一步证明：
1.仿真实验条件。
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i5 10400CPU，主频为2.5GHz，内存为8GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和Matlab R2020b。
2.仿真内容与结果分析。
本发明的仿真实验是采用本发明的方法与传统LFM雷达嵌入式通信方法，在时变频选双色散信道下的通信误符号率进行的仿真。
本发明的方法采用的OTFS雷达信号调制载波数与符号数均为28，雷达发射中心载波频率为77GHz，子载波间隔为250KHz，采用4QAM调制，主空间大小为700，采样点数为392，过采样因子为2。RF标签端与雷达信号发射端相对速度为34m/s，相对距离为84m，嵌入式通信波形集大小为4，蒙特卡洛仿真次数为105。
传统LFM雷达嵌入式通信方法中的脉冲宽度为133μs，带宽为750KHz，采样频率为1.5MHz，采样点数为784，主空间大小为700，采样点数为392，过采样因子为2。RF标签端与雷达信号发射端相对速度为34m/s，相对距离为84m，嵌入式通信波形集大小为4，蒙特卡洛仿真次数为105。
为了验证本发明的仿真效果，分别得到25个信噪比下的误符号率，再将得到的误符号率与信噪比之间关系绘制成如图2所示的两条曲线。图2中的横坐标表示雷达嵌入式通信系统的信噪比，单位为dB，纵坐标表示误符号率。其中，以菱形标示的曲线表示采用本发明提出的方法仿真得到的误符号率与信噪比之间的关系曲线，以圆形标示的曲线表示采用现有技术仿真得到的误符号率与信噪比之间的关系曲线。
在本发明的仿真实验中，采用的现有技术是指：中国人民解放军国防科技大学在其申请的专利文献“一种基于奇异值分解的雷达嵌入式通信波形设计方法”(专利申请号：202210786867，申请公布号：CN 115201759 A)中公开的一种利用奇异值分解实现的雷达嵌入式通信方法。
下面结合仿真图2对本发明的效果做进一步的描述。
从图2可以看出：接收信号的信噪比取值范围为-20dB到5dB时，现有技术在时变频选双色散无线信道下的误符号率保持在较高范围，且不随信噪比升高而降低，通信可靠性差。本发明的方法在时变频选双色散无线信道下的误符号率随信噪比的升高而降低，并在-15dB附近趋近于零。仿真证明在高速双色散信道下本发明的误符号率更低，通信可靠性能更好。
综上，本发明公开的一种基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法，主要在时变频选双色散无线信道下，通过OTFS调制与雷达嵌入式通信方法，减小高速多普勒频移带来的子载波间干扰，实现高隐蔽通信。同时由于系统中雷达接收端与通信接收端工作在同平台下，接收波形为通信波形嵌入雷达回波生成，实现了雷达通信一体化系统，具有较高频谱利用率。仿真结果证明了提出的模型能够获得更优的通信可靠性与相似的通信隐蔽性，性能更佳，是一种很实用的雷达嵌入式通信方法。

Claims (4)

1.一种基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法，其特征在于，将OTFS调制与雷达嵌入式通信技术相结合，生成基于OTFS调制的一体化信号，利用雷达检测结果构建信道模型，均衡接收信号；该雷达嵌入式通信方法的步骤包括如下：
步骤1，生成OTFS时域雷达信号：
雷达信号发射端对由随机二进制比特构成的雷达信息序列依次进行星座映射、OTFS调制与射频调制，生成OTFS时域雷达信号，通过天线发送时域信号；
步骤2，生成基于OTFS调制的一体化信号：
步骤2.1，RF标签端对接收到的雷达信号进行采样，循环移位构建Toeplitz矩阵；
步骤2.2，对Toeplitz矩阵进行特征值分解，采用正交投影的方法构建嵌入式通信波形；
步骤2.3，将生成的嵌入式通信波形嵌入至雷达回波，生成一体化信号，通过天线发送至雷达信号接收端；
步骤3，雷达信号接收端利用匹配滤波算法接收一体化信号，计算RF标签端与雷达信号接收端的相对速度与距离；
步骤4，通信信号接收端对接收到的雷达回波进行接收：
步骤4.1，通信接收端根据雷达信号接收端的测速测距结果对时域信道进行建模，按照下式，得到时域信道矩阵：
其中，HT表示时域信道矩阵，FN表示N阶傅立叶变换矩阵，IN表示维度大小为N的单位矩阵，N为发送的OTFS雷达信号矩阵的维度，∑表示求和，表示克罗内克积，G表示对X进行射频调制所需的发射脉冲整形波形方阵，A表示中间矩阵；
其中，A表示中间矩阵，p表示矩阵A的行，q表示矩阵A的列， 表示向下取整操作，υ表示信道估计结果中的峰值所对应的多普勒频移，τ表示信道估计结果中的峰值所对应的时延，[]表示取模操作，m＝p-nN；
步骤4.2，使用构建的时域信道矩阵均衡接收信号；
步骤4.3，使用去相关算法计算均衡后信号与嵌入式通信波形集的相关性，将四个相关性中最大值对应的嵌入式通信波形作为与发送的嵌入式通信波形对应的判决结果。
2.根据权利要求1所述的基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法，其特征在于，步骤2.2所述的特征值分解是由下式完成的：
其中，S表示循环移位得到的Toeplitz矩阵，上角标H表示共轭转置，VD表示由L个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U×L的矩阵；U表示Toeplitz矩阵S中特征值的总数，在本发明实施例中U取值784；L表示大于平均特征值的特征值的总数，在本发明实施例中L取值400；ΛD表示由L个特征值组成的维度大小为L×L的特征值矩阵；VND表示由U-L个特征值对应的特征向量组成的维度大小为U×(U-L)的矩阵；ΛND表示由U-L个特征值组成的维度大小为(U-L)×(U-L)的特征值矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法，其特征在于，步骤2.2中所述的嵌入式通信波形如下：
ci＝Pidi
其中，ci表示构建的第i个嵌入式通信波形，i＝1,2,3,4，Pi表示构建第i个嵌入式通信波形对应的投影矩阵，I表示维度大小为U×U的单位矩阵，di表示构建第i个嵌入式通信波形对应的随机列向量，其长度与U的取值相等，向量中的元素均为0或1。
4.根据权利要求3所述的基于OTFS调制的雷达嵌入式通信方法，其特征在于，步骤4.3中所述的去相关算法如下：
其中，表示接收信号与第i个嵌入式通信波形的相关性，C表示一个矩阵，该矩阵是在矩阵S中最后一列之后增加四列形成的矩阵，后四列分别为四个嵌入式通信波形向量，表示经过均衡后的接收信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112305514A (zh) * 2020-10-13 2021-02-02 五邑大学 雷达嵌入式通信方法及系统

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