CN116260538A - 一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法 - Google Patents

一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法。在发送端，对通信信号进行映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生用于多用户通信的非正交多址接入信号。采用连续线性调频信号作为雷达载波，将通信信号调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号。基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号，经过自由空间传输后，在接收端，采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复，同时，在双功能雷达通信基站进行雷达回波信号处理。本发明提出的方法，充分利用通信信号与雷达信号共享时频域资源，可以实现多用户同时进行通信与多目标雷达检测，可用于毫米波及更高频率的通信感知一体化系统，具有实用价值。

Description

一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法
(一)技术领域
本发明涉及毫米波通信感知领域，具体涉及一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法。
(二)背景技术
大数据时代的到来对移动通信系统提出了更高的要求，6G技术对于智能和感知提出了更高的要求，旨在实现从“万物互联”到“万物智联”的跨越。并且稀缺的频谱资源将促使6G使用更高的频段。由于毫米波可以提供大的带宽，可以有效提升空间和距离的分辨，将在通信和雷达系统中发挥重要作用。由于通信的频谱会与传统感知频谱重合，需要构建通感一体化来实现通信和感知资源的联合调度。因此，基于毫米波的通信和雷达感知集成系统是未来新一代移动通信系统的重要研究方向。
通信与感知一体化技术将利用一体化信号在实现下行通信的同时，同时实现对目标的定位、检测等感知功能。不仅实现了频谱资源的共享，而且可以共享通信系统和雷达系统的大部分硬件、信号处理模块，能在实现通信和感知能力的同时实现绿色节能，提升频谱效率和感知精度，减少通信和雷达系统中功能重复的硬件设备，尽量避免电磁干扰的问题，节省成本和空间资源。
目前在通信感知集成系统中，集成波形的设计是重要的一环。常用的波形设计方法是基于复用方式的波形设计，可以分为时分复用、频分复用、码分复用以及非正交多址接入等。这些基于复用的集成波形设计方式相较于一体化联合波形而言具有设计简单、通信信号与雷达信号对于彼此干扰较小的优势，但是从资源利用的角度出发，这种方法均存在不同维度的资源浪费，并不能真正实现高效的双功能波形。为了解决该问题，提出一体化波形设计方法，即使用一种波形同时实现通信传输和雷达检测功能。然而，目前采用的基于正交频分复用技术的一体化波形设计方案，尽管能够实现高速数据传输，但是这类设计方案解调复杂度较高，计算量大，且接收端信号提取较为困难。而从雷达信号的角度出发，将通信信号调制到雷达载波上的一体化波形设计方法更容易在现有的系统中实现。为了解决上述问题，本发明提出了一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法。一方面，雷达线性调频信号具有良好的相关性，能够有效实现目标探测；另一方面，采取非正交多址接入技术可以提升通信速率，容纳更多用户同时进行通信。因此，这种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法在未来6G所提出的“万物智联”的场景中具有潜在的市场价值。
(三)发明内容
本发明提出的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，充分利用通信信号与雷达信号共享时频域资源，可以实现多用户同时进行通信与多目标雷达检测，可用于毫米波及更高频率的通信感知一体化系统。
为了达到上述目的，本发明采用的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法包括以下步骤：
步骤1：对通信信号进行映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生用于多用户通信的非正交多址接入信号，具体包括：产生多路伪随机二进制序列，作为多个用户发送的通信信号；经过串并转换后形成两路并行的二进制序列，进行正交幅度调制映射；正交幅度调制信号经过功率分配后叠加产生非正交多址接入信号，其信号表达式为：
Figure BDA0004126744060000021
其中，Sc1(t)与Sc2(t)分别为分配给用户1和用户2的通信信号；当总功率为P时，用户1和用户2的信号分配功率分别为P1和P2，其中，Pi＝αiP(i＝1,2)，
Figure BDA0004126744060000022
步骤2：生成连续线性调频信号，作为雷达载波，生成连续线性调频信号的表达式为：
SLFM＝rect(t/T)exp(j2πfct+πjKt2)
Figure BDA0004126744060000023
其中，fc为雷达载波的频率，K＝B/T是线性调频率，T为线性调频信号的脉冲宽度，B为信号带宽。
步骤3：通信信号经过成型滤波器后调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号，具体包括：通信信号的实部与虚部分别为
Figure BDA0004126744060000024
和S4QAM-NOMAq(t)，调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号的表达式为：
Figure BDA0004126744060000025
步骤4：基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号，具体包括：采用一个任意波形发生器进行数模转换，输出基带通信感知一体化信号。然后，通过一个外腔激光器(ECL1)输出激光信号作为光载波，采用一个偏振控制器实现偏振态控制。经过一个光调制器将任意波形发生器输出的信号调制到激光器输出的光载波上。接着，通过另一个外腔激光器(ECL2)输出与ECL1频率差为毫米波频段的连续光波，利用光耦合器使两个光信号进行耦合产生光毫米波信号。使用一个可变光衰减器调节控制光功率，采用光电探测器将光信号转变成电信号，并通过电放大器对电毫米波信号进行放大，经过毫米波发射天线将产生的毫米波通信感知一体化信号发射到自由空间。
步骤5：经过自由空间传输后，采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复，具体包括：用户1和用户2接收的信号分别为y1和y2，其表达式为：
yi＝hiS(t)+ni
其中，用户1为信道增益大的强用户，用户2为信道增益小的弱用户，信道增益分别为h1和h2，ni为加性高斯白噪声。采用基于连续干扰消除算法，对弱用户可直接进行解调；强用户处的解调过程首先是对弱用户的信号进行解调，然后，将解调出的这一部分重新映射成正交幅度调制信号，从接收信号中减去重映射后的信号即可解调出强用户。同时，在双功能雷达通信基站进行雷达回波信号处理，具体包括：接收的由第j个(j＝1,2)用户反射的回波信号Rj(t)表达式为：
Rj(t)＝ρj|hj|2S(t-τj)+ni(t)
其中，ρj为多个用户对雷达反射信号强度的影响系数，τj为第j个用户的时间延迟，ni(t)为加性高斯白噪声。采用基于匹配滤波算法对回波信号进行处理，获得被测目标位置信息。
(四)附图说明
图1为本发明的一种毫米波通信感知一体化系统的示意图；
图2为本发明的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法的示意图；
图3为本发明的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收装置示意图。
(五)具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行具体说明。
图1所示，为本发明的一种毫米波通信感知一体化系统的示意图。一个双功能雷达通信基站发送毫米波通信感知一体化信号，在下行链路实现基站与不同用户之间的通信。同时，基站可接收来自被测目标反射的回波信号，完成雷达回波信号的提取处理，获取被测目标的位置信息。
图2所示，为本发明的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法的示意图。在发送端，首先产生多路伪随机二进制序列，作为多个用户发送的初始比特，经串并转换后分别形成两路并行的二进制序列，根据当前通信和感知需求确定调制阶数，然后进行电平转换和正交幅度调制(QAM)符号映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生实部与虚部的非正交多址接入信号(QAM-NOMA)用于多用户通信。连续线性调频信号作为雷达载波，通信信号经过成型滤波器后调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号，基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号。经过自由空间传输后，接收端采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复。对接收的通信信号进行重采样之后，执行帧同步操作。在进行均衡之后，采用基于连续干扰消除的方法进行信号解调。对于用户1接收的信号，首先进行用户2信号的解调，经过信号重构之后从接收信号中减去这一部分，再执行对用户1信号的解调。对于用户2接收的信号，可直接进行解调，恢复比特信息。同时，在双功能雷达通信基站进行雷达回波信号处理。对接收到的雷达回波信号进行重采样之后，通过匹配滤波的方法获得被测目标的位置信息。
图3所示，为本发明的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收装置示意图。具体包括雷达和通信信号发送端、通信信号接收端、雷达信号接收端三部分。其中，雷达和通信信号发送端包括：任意波形发生器(AWG)，进行数模转换，输出基带通信感知一体化信号；外腔激光器(ECL1)，用于输出激光信号作为光载波；偏振控制器，用于实现偏振态控制；马赫曾德尔调制器(MZM)，用于将任意波形发生器输出的信号调制到激光器输出的光载波上；外腔激光器(ECL2)，用于输出与ECL1频率差为毫米波频段的连续光波；光耦合器(OC)，用于使两个光信号进行耦合，产生毫米波信号；可变光衰减器(VOA)，用于调节控制光功率；光电探测器(PD)，用于将光信号转变成电信号；电放大器(EA)，用于对电毫米波信号进行放大；毫米波发射天线(HA1)，用于将产生的毫米波通信感知一体化信号发射到自由空间进行传输。
通信信号接收端包括：毫米波接收天线(HA2)，用于接收经过自由空间传输的毫米波通信感知一体化信号；包络检波器(ED)，用于执行下变频以生成基带信号；衰减器(KPA)，用于对信号进行功率衰减；低通滤波器(LPF)，用于对数据信号进行滤波；电放大器(EA)，用于对滤波后的电信号进行放大；数据存储示波器(DSO)，用于采集捕获接收信号。雷达信号接收端包括：毫米波接收天线(HA3)，用于接收经过自由空间传输的毫米波通信感知一体化信号；包络检波器(ED)，用于执行下变频以生成基带信号；衰减器(KPA)，用于对信号进行功率衰减；低通滤波器(LPF)，用于对数据信号进行滤波；电放大器(EA)，用于对滤波后的电信号进行放大；数据存储示波器(DSO)，用于采集捕获接收信号。
实施步骤：
在本实施例中，图1为本发明的一种毫米波通信感知一体化系统的示意图。一个双功能雷达通信基站发送毫米波通信感知一体化信号，在下行链路实现基站与不同用户之间的通信。同时，基站可接收来自被测目标反射的回波信号，完成雷达回波信号的提取处理，获取被测目标的位置信息。图2为本发明的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法的示意图，具体步骤如下：
步骤1：对通信信号进行映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生用于多用户通信的非正交多址接入信号。具体包括：产生多路伪随机二进制序列，作为多个用户发送的通信信号；经过串并转换后形成两路并行的二进制序列，进行正交幅度调制映射；正交幅度调制信号经过功率分配后叠加产生非正交多址接入信号，其信号表达式为：
Figure BDA0004126744060000051
其中，Sc1(t)与Sc2(t)分别为分配给用户1和用户2的通信信号；当总功率为P时，用户1和用户2的信号分配功率分别为P1和P2，其中，Pi＝αiP(i＝1,2)，
Figure BDA0004126744060000052
步骤2：生成连续线性调频信号，作为雷达载波，连续线性调频信号的表达式为：
SLFM＝rect(t/T)exp(j2πfct+πjKt2)
Figure BDA0004126744060000053
其中，fc为雷达载波的频率，K＝B/T是线性调频率，T为线性调频信号的脉冲宽度，B为信号带宽。
步骤3：通信信号经过成型滤波器后调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号。具体包括：通信信号的实部与虚部分别为
Figure BDA0004126744060000054
和S4QAM-NOMAq(t)，调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号的表达式为：
Figure BDA0004126744060000055
步骤4：基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号。图3为本发明的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收装置示意图。采用一个AWG进行数模转换，输出基带通信感知一体化信号。然后，通过一个ECL1输出激光信号作为光载波，采用一个偏振控制器实现偏振态控制。经过一个MZM将AWG输出的信号调制到激光器输出的光载波上。接着，通过另一个ECL2输出与ECL1频率差为毫米波频段的连续光波，利用OC使两个光信号进行耦合产生光毫米波信号。使用一个VOA调节控制光功率，采用PD将光信号转变成电信号，并通过EA对电毫米波信号进行放大，经过HA1将产生的毫米波通信感知一体化信号发射到自由空间。
步骤5：经过自由空间传输后，如图3所示，在通信信号接收端，采用HA2接收经过自由空间传输的毫米波通信感知一体化信号，通过一个ED执行下变频以生成基带信号，再经过一个KPA对信号进行功率衰减。然后，采用一个LPF对数据信号进行滤波。接着，通过一个EA对滤波后的电信号进行放大，由DSO采集捕获的接收信号，输出通信信号。此外，采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复，具体包括：用户1和用户2接收的信号分别为y1和y2，其表达式为：
yi＝hiS(t)+ni
其中，用户1为信道增益大的强用户，用户2为信道增益小的弱用户，信道增益分别为h1和h2，ni为加性高斯白噪声。采用基于连续干扰消除算法，对弱用户可直接进行解调；强用户处的解调过程首先是对弱用户的信号进行解调，然后，将解调出的这一部分重新映射成正交幅度调制信号，从接收信号中减去重映射后的信号即可解调出强用户。同时，如图3所示，在双功能雷达通信基站的雷达信号接收端，采用HA3接收经过自由空间传输的毫米波通信感知一体化信号，通过一个ED执行下变频以生成基带信号，再经过一个KPA对信号进行功率衰减。然后，采用一个LPF对数据信号进行滤波。接着，通过一个EA对滤波后的电信号进行放大，由DSO采集捕获的接收信号，输出雷达信号。采用基于匹配滤波算法对回波信号进行处理，获得被测目标位置信息。具体包括：接收的由第j个(j＝1,2)用户反射的回波信号Rj(t)表达式为：
Rj(t)＝ρj|hj|2S(t-τj)+ni(t)
其中，ρj为多个用户对雷达反射信号强度的影响系数，τj为第j个用户的时间延迟，ni(t)为加性高斯白噪声。
(六)主要技术优势
本发明提出一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法。在发送端，对通信信号进行映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生用于多用户通信的非正交多址接入信号。采用连续线性调频信号作为雷达载波，将通信信号调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号。基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号，经过自由空间传输后，采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复，同时，在双功能雷达通信基站进行雷达回波信号处理。
本发明的优点是，提出了一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，充分利用通信信号与雷达信号共享时频域资源，可以实现多用户同时进行通信与多目标雷达检测，使得通信和雷达感知系统的成本降低，有利于面向市场的部署，可用于毫米波及更高频率的通信感知一体化系统，具有实用价值。

Claims (7)

1.一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
对通信信号进行映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生用于多用户通信的非正交多址接入信号；
生成连续线性调频信号，作为雷达载波；
通信信号经过成型滤波器后调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号；
基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号；
经过自由空间传输后，采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复，同时，在双功能雷达通信基站进行雷达回波信号处理。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，所述的对通信信号进行映射，经过功率分配后进行叠加编码，产生用于多用户通信的非正交多址接入信号，具体包括：
产生多路伪随机二进制序列，作为多个用户发送的通信信号；经过串并转换后形成两路并行的二进制序列，进行正交幅度调制映射；正交幅度调制信号经过功率分配后叠加产生非正交多址接入信号，其信号表达式为：
Figure FDA0004126744050000011
其中，Sc1(t)与Sc2(t)分别为分配给用户1和用户2的通信信号；当总功率为P时，用户1和用户2的信号分配功率分别为P1和P2，其中，Pi＝αiP(i＝1,2)，
Figure FDA0004126744050000012
3.根据权利要求1所述的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，所述的生成连续线性调频信号的表达式为：
SLFM＝rect(t/T)exp(j2πfct+πjKt2)
Figure FDA0004126744050000013
其中，fc为雷达载波的频率，K＝B/T是线性调频率，T为线性调频信号的脉冲宽度，B为信号带宽。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，所述的通信信号经过成型滤波器后调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号，具体包括：
通信信号的实部与虚部分别为
Figure FDA0004126744050000014
和S4QAM-NOMAq(t)，调制到雷达载波上，产生通信感知一体化信号的表达式为：
Figure FDA0004126744050000021
5.根据权利要求1所述的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，基于光学外差法产生毫米波通信感知一体化信号，具体包括：采用一个任意波形发生器进行数模转换，输出基带通信感知一体化信号。然后，通过一个外腔激光器(ECL1)输出激光信号作为光载波，采用一个偏振控制器实现偏振态控制。经过一个光调制器将任意波形发生器输出的信号调制到激光器输出的光载波上。接着，通过另一个外腔激光器((ECL2)输出与ECL1频率差为毫米波频段的连续光波，利用光耦合器使两个光信号进行耦合产生光毫米波信号。使用一个可变光衰减器调节控制光功率，采用光电探测器将光信号转变成电信号，并通过电放大器对电毫米波信号进行放大，经过毫米波发射天线将产生的毫米波通信感知一体化信号发射到自由空间进行传输。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，所述的采用信号处理方法实现通信信号的补偿和恢复，具体包括：
用户1和用户2接收的信号分别为y1和y2，其表达式为：
yi＝hiS(t)+ni
其中，用户1为信道增益大的强用户，用户2为信道增益小的弱用户，信道增益分别为h1和h2，ni为加性高斯白噪声。采用基于连续干扰消除算法，对弱用户可直接进行解调；强用户处的解调过程首先是对弱用户的信号进行解调，然后，将解调出的这一部分重新映射成正交幅度调制信号，从接收信号中减去重映射后的信号即可解调出强用户。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波通信感知一体化信号的产生和接收方法，其特征在于，所述的在双功能雷达通信基站进行雷达回波信号处理，具体包括：
接收的由第j个(j＝1,2)用户反射的回波信号Rj(t)表达式为：
Rj(t)＝ρj|hj|2S(t-τj)+ni(t)
其中，ρj为多个用户对雷达反射信号强度的影响系数，τj为第j个用户的时间延迟，ni(t)为加性高斯白噪声。采用基于匹配滤波算法对回波信号进行处理，获得被测目标位置信息。
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