CN118138413A - Tsn中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，用于解决自动驾驶场景下的频谱资源受限问题、实现时频资源的合理复用以及联合通信探测功能。包括如下步骤：主动和被动联合通信探测设备通过资源块识别方案获取资源块使用信息并确定所用资源块。主动方采用两帧合并探测方法，发送包括信标帧和DDM帧的连续调频波，通过基于检测的参数信息恢复算法探测环境目标。被动方采用两帧联合探测方法探测环境目标、进行同步时延调整并向主动方发送同步确认信息，实现设备间的自适应时间同步。进入通信过程，主动方对连续调频波进行多域参数信息调制，被动方利用先验信息进行数据解调以及目标探测，并允许持续的跟踪和状态更新。

Description

TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法

技术领域

本发明涉及通信感知一体化技术领域，具体涉及TSN中(时间敏感网络，Time-Sensitive Networking)中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法。

背景技术

通信和探测作为利用电磁波实现不同功能的两种关键技术，在诸多业务场景下存在明显的应用交集。两种技术的不断发展融合开辟出全新的服务场景，赋能未来网络中各种新兴应用。联合通信探测通过通信和探测的资源共享，有效提高资源利用率，获得联合系统的集成增益；通过通信和探测之间的信息共享，实现通信和探测的技术互利，获得联合系统的协作增益。通信系统和目标探测在硬件、波形和算法等诸多领域具有相似之处；通信系统可以为目标探测提供更可靠的传输信道，提高探测精度；目标探测可以为通信系统提供更准确的环境信息，以优化通信的资源分配和调度策略。总而言之，联合通信探测设计带来的集成增益和协同增益实现了通信和探测技术的融合互补，在未来网络技术发展中具有巨大的应用潜力。

目前，联合通信探测的波形设计主要分为以通信为中心和以探测为中心的两类设计。以通信为中心的波形设计主要采用正交频分复用技术，能够实现高速数据传输以及一定程度的探测功能。例如毫米波频段的信道估计，利用信道估计结果进行定位和波束赋形是联合通信探测技术集成增益和协同增益的体现。然而，并非所有的场景都需要高速数据传输，在只需要传输基本控制数据而不需要传输文件、音频或视频的情况下(例如自动驾驶场景)，OFDM的高峰均功率比成为影响性能的主要问题。因此，以探测为中心的波形设计在自动驾驶场景下具有显著的优势，能够符合车载TSN的高可靠性以及低时延需求。线性调频信号所组成的连续调频波作为具有代表性的目标探测波形，具有探测能力强、实现简单、多普勒效应容忍度高以及模量特性恒定等特点。将通信信息嵌入连续调频波的设计方案在自动驾驶场景下具有卓越的应用前景。

然而，现有的联合通信探测方法大多仅考虑波形设计所带来的性能增益，对信道进行理想条件假设，而鲜有考虑基于波形的设备间同步、信道估计以及多用户抗干扰等信号处理方案。特别是在高动态的自动驾驶场景下，设计完整的联合通信探测方法仍存在很大挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，主要目的是解决自动驾驶场景下的频谱资源受限问题、实现时频资源的合理复用以及实现联合通信探测功能。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1：设备分为主动联合通信探测设备和被动联合通信探测设备，简称主动方和被动方，分别表示在通信过程中用于发送信息和接收信息的设备。主动方和被动方通过资源块识别方案获取时频资源块使用信息以及确定联合通信探测所用时频资源块。

步骤2：确定双方共用的时频资源块后，主动方采用两帧合并探测方法发送连续调频波，包括一个信标帧以及一个DDM(多普勒分复用，Doppler Division Multiplexing)帧，并通过基于检测的参数信息恢复算法实现目标检测以及参数估计。

步骤3：被动方采用两帧合并探测方法实现目标检测以及参数估计，并根据时延信息进行同步时延调整，实现与主动方的时间同步。

步骤4：被动方按照开关键控传输识别方案向主动方发送确认信息，通知主动方同步完成，建立双方通信链路。

步骤5：双方开始进行信息传输，主动方进行多域信息调制，而被动方利用先验信息进行数据解调以及目标探测，此后进行持续的跟踪和状态更新操作。

进一步地，步骤1，时频资源块识别方案，其具体过程如下：

1.1、主动方保持静默，并使用特殊连续调频波S-Chirp与接收的环境中信号进行混频，获取当前时频资源块使用信息。根据资源块使用信息，主动方排除所有已使用资源块并选择一个可用的资源块，在该资源块中根据开关键控传输识别方案发送线性调频信号。

其中，时频资源块包含于传输连续调频波所用时频资源中，定义单个时频资源块的持续时间为最大无模糊距离对应时延的两倍。定义S-Chirp的调频斜率与传输连续调频波相同，且单个S-Chirp持续时间为单个资源块持续时间的一半。S-Chirp与接收信号的混频过程中，使用截止频率与采样频率相同的低通滤波器进行滤波。

在开关键控传输识别方案中，单个线性调频信号是否传输表示信息1或0。环境中其他设备发送的连续调频波总是存在，而某一方发出的信号间歇性地出现和消失。信号接收方通过S-Chirp混频识别约定信息，实现资源块使用信息或同步信息的传递。

1.2、被动方生成S-Chirp与接收信号进行混频以及低通滤波，根据中频信号以及约定信息识别主动方所用资源块。此后被动方与主动方均使用相同的时频资源块实现联合通信探测功能。

进一步地，步骤2，主动方采用两帧合并探测方法，通过基于检测的参数信息恢复算法实现环境目标的目标检测以及参数估计，具体过程如下：

2.1、将信标帧以及DDM帧的RDM(距离-多普勒图，Range-Doppler Map)经过CFAR(恒虚警率，Constant False Alarm Rate)检测，得到CFAR检测后的RDM和其中表示从信标帧中获得的RDM，表示从DDM帧中获得的RDM。

定义距离、速度、方位角以及俯仰角的阈值，用于确定是否为同一目标。此外，设备存有之前帧检测得到的目标列表以及目标对应的参数估计。

2.2、按照RDM网格依次进行目标搜索，如果格点对应数据满足在DDM帧中的对应位置都为1，且在信标帧中对应位置不为0，则根据格点索引对应的距离和速度信息，在现有目标列表中搜索最接近的目标。

如果格点索引与某一目标的参数满足速度和距离的阈值条件，则判定与前一帧为同一目标，并存储对应的距离和速度参数值。如果现有目标都不满足阈值条件，则表示该目标为新出现的目标，更新目标列表并存储对应的距离和速度的参数值。

2.3、通过RDM得到的目标可能存在一簇数据代表同一个目标的情况，或者RDM一个格点对应距离和速度相同但是角度不同的目标的情况，因此需要对目标进行进一步区分。

在步骤2.2中，得到的同一目标包含多个参数值，对每个目标的所有参数值进行遍历，计算阵列响应矢量。若为主动方发起的目标探测，则对阵列响应矢量进行重新排列，采用MIMO(多输入多输出，Multiple-Input Multiple-Output)雷达中的虚拟阵列技术扩展天线孔径，并采用分层相关和基于梯度的算法，获取方位角和俯仰角的角度估计；若为被动方发起的目标探测，则利用发射天线的维度，采用子空间超分辨率算法，获取方位角和俯仰角的角度估计。

根据得到的同一目标的角度估计，按照角度阈值条件进行分类，若满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定为同一目标，并对参数估计值进行存储。若不满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定为距离和速度相同但是角度不同的不同目标，更新目标列表并对参数估计值进行存储。

2.4、得到所有包含参数估计的目标列表，对所有目标的参数值计算算术平均值，作为目标的最终参数估计结果。

进一步地，步骤3，被动方进行同步时延调整的具体过程为：

3.1、在步骤2中，被动方同样接收主动方发送的两帧连续调频波，接收信号中包含时间偏移信息为同步时延与距离时延之和。

3.2、主动方保持静默，被动方按照步骤2中的两帧合并探测方法进行目标探测，接收的回波信号包含对应两倍距离时延的时间偏移信息。

3.3、被动方将步骤3.1与3.2中所得的时间偏移信息进行对比，用于确定设备间的同步时延，并进行调整以实现与主动方的同步。

进一步地，步骤5，具体过程为：

5.1、主动方在连续调频波的距离、速度以及幅度中进行多域信息调制，并通过扩展卡尔曼滤波算法实现目标追踪。

5.2、被动方接收主动方发送的包含调制信息的连续调频波，接收信号中包含通信信息以及参数信息。被动方根据接收信号以及先验信息进行目标跟踪和数据解调。

被动方的目标跟踪和数据解调方案具体的步骤如下：

5.2.1、被动方基于之前帧所得目标参数信息，预测下一时刻的参数估计值。在多域参数调制中，为保证信息调制不受到参数变化的影响，通信调制间隔需要保证大于预测参数信息与真实参数信息之差。

5.2.2、根据预测参数估计，被动方从多维参数中提取包含的有效通信信息。

5.2.3、被动方去除通信信息导致的参数变化影响，得到不包含通信信息的目标参数估计，称为测量值。

5.2.4、被动方基于目标参数的预测结果和不包含通信信息的真实参数估计结果，得到目标参数的融合结果，称为融合值，用于被动方进行下一帧的跟踪以及数据解调。

5.3、此后，被动方定期向主动方反馈其对主动方的追踪以及数据解调状态，并由主动方基于反馈信息决定进行持续的通信传输或者重新进行通信同步。

有益效果：

(1)本发明提供了TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，提出了自动驾驶场景下的基于连续调频波的联合通信探测帧结构设计，包含多用户资源块识别模块、两帧合并探测模块、同步时延调整模块、通信链路确认模块以及目标跟踪和信息调制解调模块。该设计实现了自动驾驶场景下多用户无干扰的联合通信探测功能，为车载TSN提供了低时延和高可靠性的保证。

本发明所设计的多用户资源块识别模块中，根据传输的连续调频波所用时频资源，划分多个时频资源块，分配给不同用户使用；设计特殊连续调频波S-Chirp用于获取可用时频资源，避免不同用户间的互相干扰；设计开关键控传输识别方案，用于传递资源块使用信息或者同步信息。上述设计有效实现了自动驾驶场景下时频资源的无干扰分配，保障同时共频的多用户联合通信探测。

本发明所设计的两帧合并探测模块，依次发送信标帧和DDM帧，用于消除速度模糊以及获得DDM-MIMO方案的复用增益；提出基于检测的参数信息恢复算法，用于实现两帧合并的目标检测以及参数估计。

本发明所设计的同步时延调整模块实现了联合通信探测设备间的自适应同步功能，有效满足车载TSN需求，保障本发明所提出的联合通信探测方法的同步精确性和同步稳定性。

本发明所设计的目标跟踪和信息调制解调模块，提出了一种基于连续调频波的多域参数调制跟踪解调方案，用于在通信过程中实现主动方的目标跟踪和多域参数调制以及被动方的目标跟踪和数据解调，实现联合通信探测功能。

附图说明

图1为连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法的帧结构设计示意图；

图2为连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法的典型应用场景图；

图3为联合通信探测设备的发射、接收阵列以及等效阵列的结构示意图；

图4为步骤1中，多用户无干扰使用时频资源的示意图；

图5为步骤2中，信标帧和DDM帧经过CFAR检测后的RDM上的参数估计以及信息调制示意图；

图6为步骤5中，主动方的目标跟踪效果图；

图7为步骤5中，被动方的目标跟踪效果图；

图8为步骤5中，不同信噪比下调制信息的误比特率。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本发明提出的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，主要目的是解决自动驾驶场景下的频谱资源受限问题、实现时频资源的合理复用以及联合通信探测功能。

本发明公开的车载TSN中基于参数调制的通信探测一体化设计包含如下步骤：

步骤1：将用于发送通信信息的设备和接收通信信息的设备分别称为主动联合通信探测设备和被动联合通信探测设备，简称主动方和被动方。主动方和被动方通过资源块识别方案获取时频资源块使用信息以及确定联合通信探测所用时频资源块。

时频资源块包含于传输连续调频波所用时频资源中，按照连续调频波中传输的单个线性调频信号的持续时间划分多个时频资源块。在采样率为f_s的情况下，时频资源块的持续时间为最大无模糊距离对应时延的两倍，最大无模糊距离由采样率f_s决定。

为实现可用资源块识别，提出一种特殊连续调频波S-Chirp。S-Chirp在时域上连续生成，单个S-Chirp的调频斜率与传输连续调频波相同，但持续时间为单个资源块持续时间的一半。在S-Chirp与接收信号的混频过程中，使用截止频率为f_s的低通滤波器进行低通滤波，根据有无中频信号获取资源块使用信息。

具体步骤如下：

1.1、在联合通信探测的初始阶段，主动方保持静默，并使用S-Chirp与接收到的环境中信号进行混频，获取目前的资源块使用信息。主动方排除所有已使用资源块并选择一个可用的资源块，在该资源块中根据开关键控传输识别方案发送线性调频信号。

在开关键控传输识别方案中，单个线性调频信号是否传输表示信息1或0。环境中其他设备发送的连续调频波总是存在，而某一方发出的信号间歇性地出现和消失，因此通过S-Chirp混频识别约定信息，设备间可进行资源块使用信息或同步信息的传递。

1.2、被动方生成S-Chirp与接收信号进行混频以及低通滤波，若某个S-Chirp能够间歇性地获取到中频信号，且中频信号的出现与消失对应约定的开关键控信息，则判定该S-Chirp对应的资源块为主动方所使用资源块。此后被动方与主动方均使用相同的资源块实现通信和探测功能。

步骤2：确定双方共用的资源块后，主动方采用两帧合并探测方法发送用于目标探测的连续调频波，包括一个信标帧和一个DDM帧，并通过基于检测的参数信息恢复算法实现目标检测以及参数估计。在信标帧中只激活一根发射天线，保证一个目标只对应RDM中的一个格点，唯一的得到目标的距离和速度，实现速度解模糊功能；在DDM帧中采用DDM-MIMO信号发射方案，激活所有发射天线，得到的RDM中一个目标对应与发射天线数目相同数量的格点，用于计算方位角以及仰角信息。

同一个目标对应的参数信息在不同的两帧中(信标帧和DDM帧)可能会发生变化。考虑到自动驾驶场景下的目标参数变化范围有限的特性，本发明提出了基于检测的参数信息恢复算法，用于实现两帧合并的目标检测以及参数估计。

基于检测的参数信息恢复算法具体步骤如下：

2.1、将信标帧以及DDM帧的RDM经过CFAR检测，得到CFAR检测后的RDM和其中表示从信标帧中获得的RDM，Y表示从DDM帧中获得的RDM。定义距离、速度、方位角以及俯仰角的阈值，用于算法中判定是否为同一目标。此外，设备存有之前帧检测得到的目标列表，以及目标对应的参数估计值。信标帧和DDM帧可以不是连续的两帧，取决于实际场景中的使用选择。

2.2、按照RDM网格依次进行目标搜索，如果格点对应数据满足在DDM帧中的对应位置都为1，且在信标帧中对应位置不为0，则根据格点索引获取距离和速度信息，并在现有目标列表中搜索最接近的目标。

如果格点索引与某一目标的参数满足速度和距离的阈值条件，则判定与前一帧为同一目标，并存储对应的距离和速度参数值；如果现有目标都不满足阈值条件，则表示该目标为新出现的目标，更新目标列表并存储对应的距离和速度的参数值。

2.3、通过RDM得到的目标可能存在一簇数据代表同一个目标的情况，或者RDM一个格点对应距离和速度相同但是角度不同的目标的情况。因此需要根据角度信息进一步对目标进行区分。

在步骤2.2中，得到的同一目标包含多个参数值，依次对每个目标存储的所有参数值进行遍历，计算阵列响应矢量。若为主动方发起的目标探测，则对阵列响应矢量进行重新排列，采用MIMO雷达中的虚拟阵列技术扩展天线孔径，并采用分层相关和基于梯度的算法，获取方位角和俯仰角的角度估计；若为被动方发起的目标探测，则利用发射天线的维度，采用子空间超分辨率算法，获取方位角和俯仰角的角度估计。

根据得到的同一目标的角度估计，按照角度阈值条件进行分类。若满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定与之前帧对应目标为同一目标，并对参数估计值进行存储；若不满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定与之前帧对应目标为距离和速度相同但是角度不同的不同目标，更新目标列表并对参数估计值进行存储。

2.4、得到所有包含参数估计的目标列表，对所有目标的参数值计算算术平均值，作为目标的最终参数估计结果。

步骤3：由于主动方与被动方之间尚未建立同步，直接进行通信会受到同步时延影响。因此被动方需要获取同步时延并进行相应调整。同步时延调整的具体步骤如下：

3.1、在步骤2中，被动方同样接收主动方发送的两帧用于目标探测的连续调频波，接收信号中包含时间偏移信息为同步时延与距离时延之和。

3.2、主动方保持静默，被动方按照步骤2中的两帧合并探测方法发送两帧用于目标探测的连续调频波，接收的回波信号包含对应两倍距离时延的时间偏移信息。

3.3、被动方将上述步骤中所得的时间偏移信息进行对比，确定设备间的同步时延并进行时延调整，以实现与主动方的同步。

步骤4：主动方继续保持静默，被动方按照步骤1中的开关键控传输识别方案向主动方发送确认信息，通知主动方同步完成以及通信链路建立成功。

步骤5：确认建立通信链路后，主动方对发送的连续调频波进行多域信息调制，而被动方利用先验信息对接收信号进行数据解调以及得到参数估计。此后重复该步骤，并允许持续的跟踪和状态更新。具体步骤如下：

5.1、主动方在连续调频波的距离、速度以及幅度中进行多域信息调制，采用扩展卡尔曼滤波算法实现目标探测以及目标追踪。

5.2、被动方接收主动方发送的包含调制信息的连续调频波，接收信号中包含通信信息以及参数信息，因此被动方需要依次进行目标预测、参数估计以及信息解调。被动方的目标跟踪和数据解调方案具体的步骤如下：

5.2.1、被动方基于之前帧所得目标参数信息，预测当前的参数估计值。在多域参数调制中，为保证信息调制不受到参数变化的影响，通信调制间隔需要大于预测参数信息与真实参数信息之差。

5.2.2、根据预测参数估计，被动方从多维参数中提取包含的有效通信信息。

5.2.3、被动方去除通信信息导致的参数变化影响，得到不包含通信信息的目标参数估计，称为测量值。

5.2.4、基于目标参数的预测结果和不包含通信信息的真实参数估计结果，得到目标参数的融合结果，称为融合值，用于被动方进行下一帧的跟踪以及数据解调。

5.2.5、在通信过程中，由于主动方已知准确通信信息，而被动方未知该信息。考虑到自动驾驶场景的高动态性，被动方在解调过程中可能会累积误差。因此，被动方需要定期向主动方反馈其对主动方的追踪以及数据解调状态，并由主动方基于反馈信息决定进行持续的通信传输或者重新进行同步。

实施例2：

本实施例为典型自动驾驶场景中基于TSN的连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法实现，如图2所示。该场景中，设备分为主动联合通信探测设备和被动联合通信探测设备，分别表示用于发送通信信息的设备和接收通信信息的设备。

在本实施例中，设备间进行联合通信探测的信号为连续调频波，信号联合探测通信设备均配备UPA(均匀平面阵列天线，Uniform Planar Array)，传输和接收阵列架构示意图如图3所示。发射阵列和接收阵列每根天线的位置分别表示为和其中n表示天线索引，d表示天线间距，符号[·]^T表示矩阵的转置，下标t和r分别表示发送天线和接收天线，下标a和e分别表示方位角和俯仰角。n_x,a＝n_x％N_x,a，N_x＝N_x,aN_x,e是按N_x,a行N_x,e列排列的发射或接收天线数量，以及虚拟阵列的总天线数量，x可以替换为t或r，符号％表示取模运算，符号表示向下取整处理。

在UPA情况下，一般的接收信号可以表示为：

其中n_f、n_c、n_t、n_r分别为快时间索引、慢时间索引、发射天线索引以及接收天线索引。快时间索引n_f∈[0,N_f]，其中N_f＝T_cf_s-1表示快时间索引的总数。T_c表示在单个线性调频信号持续时间内的有效采样时间，f_s为时域上的采样频率。c表示光速，f_c是载波频率，L是目标数量，T_s＝1/f_s是采样间隔，是线性调频信号的调频斜率，B是线性调频信号的总带宽。表示包含保护间隔T_g的单个线性调频脉冲的持续时间。保护间隔T_g用于分隔相邻的线性调频信号，缓解震荡效应。β[l]是第l个目标对应的接收信号的幅度。q[n_t,n_c]是慢时间编码，用于接收机分离多个发射天线，并利用MIMO雷达的思想扩展天线孔径。c是光速，r[l]是第l个目标与设备之间的距离，v[l]是第l个目标相对于设备的径向速度，d_t[l]是信号发送方向相对于第l个目标的单位方向矢量，定义为：

d_t[l]＝[cosφ_t[l]sinθ_t[l],cosφ_t[l]cosθ_t[l],sinφ_t[l]]^T,(2)

d_r[l]是信号接收方向相对于第l个目标的单位方向矢量，定义为：

d_r[l]＝[cosφ_r[l]sinθ_r[l],cosφ_r[l]cosθ_r[l],sinφ_r[l]]^T,(3)

θ_t[l]、φ_t[l]、θ_r[l]和φ_r[l]分别是第l个目标的AoD(Angle of Departure，离开方位角)、EoD(Elevation of Departure，离开俯仰角)、AoA(Angle of Arrival，到达方位角)和EoA(Elevation of Arrival，到达俯仰角)。利用MIMO雷达的虚拟阵列技术，可以得到天线间距，表示为d_t,a＝N_r,ad_r,a和d_t,e＝N_r,ed_r,e。视场角范围定义域为θ∈[-θ_max,θ_max]和可得d_r,a＝λ/(2sinθ_max)和

上述接收信号表示可以扩展得到主动方和被动方的具体接收信号表示。主动方的接收信号如下：

上标(R)表示主动方的接收信号，N_c表示一帧内的线性调频信号数量，f_r ^(R)[l]和f_v ^(R)[l]分别代表归一化的距离频率和归一化的速度频率，由以下公式给出：

主动方接收信号时延与主动方到被动方，再从被动方到主动方的双程距离关联；而被动方接收信号时延与主动方到被动方的单程距离关联。因此被动方的接收信号可以表示为：

上标(C)代表被动方处的接收信号，f_r ^(C)[l]和f_v ^(C)[l]分别表示归一化距离频率和归一化速度频率，由以下公式给出：

本实施例公开的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，提出了连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法帧结构设计。帧结构设计流程图如图1所示，包含多用户资源块识别模块、两帧合并探测模块、同步时延调整模块、通信链路确认模块以及目标跟踪和信息调制解调模块。该帧结构设计实现了自动驾驶场景下的联合通信探测，为车载TSN提供了低时延和高可靠性的保证，具体步骤如下：

步骤1、主动方和被动方通过资源块识别方案获取时频资源块使用信息以及确定联合通信探测所用时频资源块。

在自动驾驶场景下，现有的毫米波汽车雷达信号发射方法无法适应不断增长的用户需求，多车辆场景下的连续调频波并发会导致严重的相互干扰。本发明提出的多用户资源块识别模块实现了多用户之间同时共频的联合通信探测，避免了不同设备之间的干扰。多用户无干扰使用时频资源的示意图如图4所示。

对于传输的连续调频波，回波信号的最大延迟为T_d＝T_sen+T_com。其中T_sen为信号本身的时延，T_com为调制信息引入的额外延迟。本发明采用T_sen和T_com固定分配模式，即T_sen＝T_com＝T_d/2，实现信息调制和参数估计效果的均衡。

通过计算得到采样频率f_s。回波信号与发射信号混频后，通过截止频率同样为f_s的低通滤波器进行低通滤波。若回波信号的时延大于T_d，则混频后的中频信号频率会超过f_s，并在模拟域中被低通滤波器滤除。因此，只要不同信号之间的时延大于设定阈值，就可通过模拟低通滤波器实现信号分离。由于所有用户使用相同的T_d，因此可设置2T_d作为每个资源块的持续时间，满足个用户在同一频段上实现通信以及探测功能。

为实现可用资源块识别，提出一种在时域连续生成的特殊连续调频波S-Chirp。S-Chirp的调频斜率与传输的连续调频波相同，而频率只从f_c上升到f_c+f_s，且信号采样率和使用的低通滤波器的截止频率皆为f_s。持续生成的S-Chirp不进行信号发送，而是用于识别资源块使用信息。

资源块识别的具体步骤如下：

1.1、主动方保持静默，并使用S-Chirp与接收的环境中信号进行混频，获取已被使用的资源块信息。根据资源块使用信息，主动方排除已被使用的资源块并选择一个可用的资源块，在该资源块中根据开关键控传输识别方案发送不连续的线性调频信号。

在开关键控传输识别方案中，单个线性调频信号是否传输表示信息1或0。环境中其他设备发送的连续调频波总是存在，而某一方发出的信号间歇性地出现和消失，因此通过S-Chirp混频识别约定键控信息，设备间可进行资源块使用信息或同步信息的传递。

1.2、被动方生成S-Chirp与接收信号进行混频以及低通滤波，若某个S-Chirp能够间歇性地获取到中频信号，且中频信号的出现与消失对应约定的开关键控信息，则该S-Chirp对应的资源块为主动方所使用资源块。此后被动方与主动方均使用相同的资源块实现通信和探测功能。

步骤2、通过步骤1确定双方共用的时频资源块后，主动方采用两帧合并探测方法，发送未进行多域信息调制的探测信号。该探测信号为连续调频波，其中包括一个信标帧和一个DDM帧。主动方接收回波信号后，采用基于检测的参数信息恢复算法实现目标检测和参数估计。

目标探测问题可以细分为目标检测问题和参数估计问题，检测是在RDM上进行的，所得非零值的索引可以直接用于计算对应的参数值，因此优化问题可以表述为一个经典的CFAR检测问题：

其中，p_FA表示虚警概率，P_FA是其取值，p_D是检测概率，分别表示距离、速度、方位角以及俯仰角。本实施例中，采用平均单元CFAR实现目标检测功能。

不同天线间发送的波形需要保证相互正交，采用DDM-MIMO方案发射信号能够带来显著的分集增益。设计可得每根天线接收信号的离散傅里叶变换如下：

其中，和是快时间和慢时间的窗口函数，用于减轻频谱泄漏的影响。得到CFAR检测之前的RDM如下：

通过对使用CFAR，可以得到检测结果其中矩阵元素值为1或0，用于表示该格点中是否存在目标。

为获取多维参数信息以及实现速度解模糊效果，本发明提出的多帧联合探测方法中，首先发送信标帧，在发射过程中只激活一根发射天线，保证一个目标只对应RDM中的一个格点，唯一的得到目标的距离和速度；之后发送DDM帧，在发射过程中采用DDM-MIMO方案发射信号，激活所有发射天线，因此一个目标将在RDM中对应N_t个检测点。针对主动方和被动方的角度估计特点，分别采用对应的角度估计算法获取角度参数信息。

图5为信标帧和DDM帧经过CFAR检测后的RDM上的参数估计以及信息调制示意图，表现了在主动方的两帧合并探测中，某一目标以及被动方在不同类型帧中所能进行数据调制的距离、实际参数对应的格点以及经过多域参数调制后的格点。

同一个目标对应的参数信息在信标帧和DDM帧中可能会发生变化。考虑到自动驾驶场景下的目标参数变化范围有限的特性，本发明提出了基于检测的参数信息恢复算法，用于实现两帧合并的目标检测以及参数估计。

基于检测的参数信息恢复算法具体步骤如下：

S1、初始化

将信标帧以及DDM帧的RDM经过CFAR检测，得到和 表示从信标帧中获得的RDM，Y表示从DDM帧中获得的RDM。

定义用于确定是否为同一目标的参数阈值分别表示距离、速度、方位角以及俯仰角的阈值；定义表示更新得到的目标数，初始值设为0；设备保存有之前帧估计得到的L个目标对应的距离、速度、方位角以及俯仰角的四维参数

S2、根据距离和速度更新目标检测

按照与的快时间和慢时间的网格依次进行目标搜索，定义快时间索引为i_f，慢时间索引为i_c，其中i_f∈{0,1,...,N_f-1}以及i_c∈{0,1,...,N_c-1}。

若同时满足以下两个条件：

则在已估计目标列表中搜索与i_f和对应的距离和速度最接近的第i个目标。使用i_c-N_c/2是因为慢时间维度第N_c/2个索引表示0m/s。

若在已估计目标列表中，满足且则将该搜索所得目标与已有目标判定为同一个目标，更新该目标参数估计的列表，其中上标(I)表示“初始”，用于与最终的目标参数列表进行区别。若不满足阈值条件，表示该目标为一个全新目标，更新对应的新目标数量存储

在网格格点遍历结束后，和的下标为表示存在个新目标。对于采用不同下标表示的不同目标，其包含的距离以及速度元素数量可能不相同。

S3、根据角度参数估计更新目标检测

通过RDM得到的目标可能存在一簇数据代表同一个目标的情况，或者RDM一个格点对应距离和速度相同但是角度不同的目标的情况。因此需要进一步对目标进行区分。初始化L为0，定义中间变量定义作为循环第一层，定义作为循环第二层，其中|·|_c表示集合的基数。

根据循环定义依次进行检索，并按如下公式获取阵列响应矢量：

其中表示四舍五入取整的函数，如果X为R，表示主动方进行目标探测，具有到达角等于离开角的特性，因此可使用MIMO雷达中的虚拟阵列技术扩展天线孔径，提高角度估计的性能。中列表示接收天线的索引，行表示发射天线的索引，按照先水平方向后垂直方向重新排列如下：

其中，n_t∈0,1,...,N_t-1，n_r∈0,1,...,N_r-1，且p是由发射天线和接收天线组成的虚拟阵列的阵列响应。对p进行零填充后，使用离散傅里叶变换，并使用CFAR检测获取目标数量N_T。采用分层相关和基于梯度的算法(对于分层相关和基于梯度的算法，具体参见文献“译名：在混合场波束偏斜效应下利用太赫兹超大可重构智能表面探测用户的信道和位置”，其作者，英文名称出处为“Z.Li,Z.Gao and T.Li,"Sensing User'sChannel and Location With Terahertz Extra-Large Reconfigurable IntelligentSurface Under Hybrid-Field Beam Squint Effect,"in IEEE Journal of SelectedTopics in Signal Processing,vol.17,no.4,pp.893-911,July 2023.”)获取和

如果X为C，表示被动方进行参数估计，因为到达角和离开角不相等，因此无法使用虚拟阵列技术扩展天线孔径。然而，由于的列也可视为阵列信号处理中的多个快照，因此仍然可以利用发射天线带来的维度，采用子空间超分辨率算法获取和

定义i_n＝{1,2,…,N_T}，在循环中根据对同一目标所得到角度估计，按照阈值条件进行分类。在已有角度估计和中搜索与估计的和最接近的第j个目标，其中表示序列x的算术平均值。

若且满足角度估计对应的阈值条件，则判定与之前帧对应的目标为同一目标，并对该目标的参数估计值进行存储：

若不满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定与之前帧对应目标为距离和速度相同但是角度不同的不同目标，更新存储 判断结束后，进行的更新。

S4、获取参数估计结果

所有步骤结束后，得到包含L个估计目标的列表，其中每个目标包含参数估计对所有目标对应的参数值分别计算算术平均值，作为最终结果。

步骤3、步骤2结束后，主动方获取了环境中的目标参数信息。由于主动方和被动方之间尚未建立同步，因此设备间存在同步时延，需要被动方进行同步调整。

被动方进行同步时延调整具体步骤如下：

3.1、在步骤2中，被动方同样接收主动方发送的两帧用于目标探测的连续调频波，接收信号中包含时间偏移信息为同步时延与距离时延之和。

3.2、主动方保持静默，被动方按照步骤2中的两帧合并探测方法，同样发送包含一个信标帧和一个DDM帧的连续调频波，并通过基于检测的参数信息恢复算法实现目标检测和参数估计。被动方此时接收的回波信号中，包含两倍距离时延的时间偏移信息。

3.3、被动方将上述所得的时间偏移信息进行对比，确定设备间的同步时延，并在被动方进行相应调整，以实现与主动方的同步。

在步骤3中，被动方不仅实现了与主动方之间的自适应时间同步，同时也实现了目标探测功能。

步骤4、步骤3完成同步后，主动方持续保持静默，被动方采用开关键控传输识别方案发送同步信息，用于通知主动方同步成功，建立设备间的通信链路。

步骤5、步骤4结束后双方设备进入通信过程，开始信息传输。主动方进行多域参数调制并实现目标探测跟踪，而被动方利用先验信息对接收信号进行数据解调处理以及参数估计，并允许进行持续的跟踪和状态更新。

主动方进行多域参数调制后，主动方所接收的回波信号表示为：

被动方的接收信号表示为：

其中，f_r ^(D)∈{0,1,...,N_f/2-1}表示嵌入在距离中的通信信息，f_v ^(D)∈{0,1,...,N_c-1}或f_v ^(D)∈{0,1,...,N_c/N_t-1}表示信标帧或者DDM帧嵌入在速度中的通信信息，β^(D)表示嵌入在幅度中的通信信息，表示嵌入在离开角中的通信信息。是预测的方向向量，用于抵消当前帧中不携带信息的实际离开角。

假设方向估计的准确度为ε，每帧可以传输的比特数为：

其中，或取决于该帧为信标帧还是DDM帧，N_Q是正交幅度调制的阶数，ε_θ和分别表示AoD和EoD的最高精度。为保证通信信息调制不受到参数变化影响，通信调制的间隔需要远大于参数变化的间隔。

步骤5的具体过程为：

5.1、主动方已知所发射的嵌入信息的连续调频波，而不需要进行额外的补偿或同步处理，因此主动方通过扩展卡尔曼滤波算法实现环境中的目标检测以及目标追踪效果。

5.2、被动方接收主动方发送的包含调制信息的连续调频波，接收信号中包含嵌入的通信信息以及参数信息，因此被动方需要依次进行预测、参数估计以及数据解调。被动方的目标跟踪和数据解调方案具体的步骤如下：

5.2.1、被动方保存有之前帧的目标参数信息，并基于之前帧的目标参数信息，对目前的参数信息进行预测，获得当前帧的预测参数估计，称为预测值。

5.2.2、通过步骤2中的目标检测以及参数估计算法，获取当前目标在嵌入通信信息的情况下所对应的参数信息。根据预测的参数估计结果与当前所得的参数信息之间差异，从多维参数中提取嵌入的通信信息。

5.2.3、被动方去除通信信息导致的参数变化影响，得到不包含通信信息的参数估计结果，将该参数估计作为当前目标的参数估计，称为测量值。由于通信调制间隔大于预测参数信息与真实参数信息之差，因此测量值和预测值并不相同，而是存在一定的差异。

5.2.4、根据先前目标参数的预测结果，以及不包含通信信息的真实参数估计结果，对目标参数进行参数融合，得到融合值。参数融合可以提高估计的精度、增强系统的鲁棒性，减少目标检测的不确定性。该参数融合结果可用于实现下一帧的目标参数预测。

5.2.5、此后，由于主动方已知准确通信信息，而被动方未知准确通信信息。考虑到自动驾驶场景的高动态性，被动方在通信解调过程中可能会累积误差，导致错误解调。因此，被动方需要定期向主动方反馈其对主动方的追踪以及数据解调状态，并由主动方基于反馈信息决定进行持续的通信传输或者重新进行同步。

图6展示了主动方的距离、角度以及相对速度的估计和跟踪效果图。其中，主动方同时跟踪被动方和另外一辆车，并进行与被动方数据传输。其他车辆大约在第170帧出现，由图可知，主动方可以很好地跟踪以及区分这辆车和被动方。图7展示了被动方的距离、角度以及相对速度的估计和跟踪效果图。其中另一辆车在第130帧左右出现，约在第230帧左右消失，由图可知，被动方可以很好地跟踪以及区分这辆车和主动方。以上图例有效验证了所提出的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法的目标探测功能的可实现性以及性能优越性。

图8表示在不同参数设置下的数据解调误码率性能，有效验证所提出的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法的通信功能的可行性和有效性。图中“M”表示兆赫兹。最差误比特率为1是因为如果检测失败，则认为所有数据完全错误。由图可知，距离、速度和复振幅参数解调出的数据的误比特率始终相同，这表明一旦检测到目标，解调就会成功，不存在检测成功但解调失败的情况。当时间固定而带宽变化时，在相同的误比特率下，所需的信噪比逐渐增加。这是因为带宽越大，获得的采样点就越多，通过相干叠加能够得到增强的等效信噪比。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设备分为主动联合通信探测设备和被动联合通信探测设备，简称主动方和被动方，分别表示在通信过程中用于发送信息和接收信息的设备；主动方和被动方通过时频资源块识别方案获取时频资源块使用信息以及确定联合通信探测所用时频资源块；

步骤2：确定双方共用的时频资源块后，主动方采用两帧合并探测方法发送连续调频波，包括一个信标帧以及一个多普勒分复用DDM帧，并通过基于检测的参数信息恢复算法实现目标检测以及参数估计；

步骤3：被动方采用两帧合并探测方法实现目标检测以及参数估计，并根据时延信息进行同步时延调整，实现与主动方的时间同步；

步骤4：被动方按照开关键控传输识别方案向主动方发送确认信息，通知主动方同步完成，建立双方通信链路；

步骤5：双方开始进行信息传输，主动方进行多域信息调制，而被动方利用先验信息进行数据解调以及目标探测，此后进行持续的跟踪和状态更新操作。

2.如权利要求1所述的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，其特征在于，所述时频资源块识别方案，其具体过程为：

1.1、主动方保持静默，并使用特殊连续调频波S-Chirp与接收的环境中信号进行混频，获取当前时频资源块使用信息；根据资源块使用信息，主动方排除所有已使用资源块并选择一个可用的资源块，在该资源块中根据开关键控传输识别方案发送线性调频信号；

其中，时频资源块包含于传输连续调频波所用时频资源中，定义单个时频资源块的持续时间为最大无模糊距离对应时延的两倍；定义S-Chirp的调频斜率与传输连续调频波相同，且单个S-Chirp持续时间为单个时频资源块持续时间的一半；S-Chirp与接收信号的混频过程中，使用截止频率与采样频率相同的低通滤波器进行滤波；

在开关键控传输识别方案中，单个线性调频信号是否传输表示信息1或0；环境中其他设备发送的连续调频波总是存在，而某一方发出的信号间歇性地出现和消失；信号接收方通过S-Chirp混频识别约定信息，实现资源块使用信息或同步信息的传递；

1.2、被动方生成S-Chirp与接收信号进行混频以及低通滤波，根据中频信号以及约定信息识别主动方所用资源块；此后被动方与主动方均使用相同时频资源块实现联合通信探测功能。

3.如权利要求1所述的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，其特征在于，所述步骤2中，主动方采用两帧合并探测方法，通过基于检测的参数信息恢复算法实现目标检测以及参数估计，具体过程为：

2.1、将信标帧以及DDM帧的距离-多普勒图RDM经过恒虚警率CFAR检测，得到CFAR检测后的RDM和其中表示从信标帧中获得的RDM，表示从DDM帧中获得的RDM；

定义距离、速度、方位角以及俯仰角的阈值，用于确定是否为同一目标；此外，设备存有之前帧检测得到的目标列表以及目标对应的参数估计；

2.2、按照RDM网格依次进行目标搜索，如果格点对应数据满足在DDM帧中的对应位置都为1，且在信标帧中对应位置不为0，则根据格点索引对应的距离和速度信息，在现有目标列表中搜索最接近的目标；

如果格点索引与某一目标的参数满足速度和距离的阈值条件，则判定与前一帧为同一目标，并存储对应的距离和速度参数值；如果现有目标都不满足阈值条件，则表示该目标为新出现的目标，更新目标列表并存储对应的距离和速度的参数值；

2.3、通过RDM得到的目标可能存在一簇数据代表同一个目标的情况，或者RDM一个格点对应距离和速度相同但是角度不同的目标的情况，因此需要对目标进行进一步区分；

在步骤2.2中，得到的同一目标包含多个参数值；对每个目标的所有参数值进行遍历，并计算阵列响应矢量；若为主动方发起的目标探测，则对阵列响应矢量进行重新排列，采用多输入多输出MIMO雷达中的虚拟阵列技术扩展天线孔径，并采用分层相关和基于梯度的算法，获取方位角和俯仰角的角度估计；若为被动方发起的目标探测，则利用发射天线的维度，采用子空间超分辨率算法，获取方位角和俯仰角的角度估计；

根据得到的同一目标的角度估计，按照角度阈值条件进行分类，若满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定为同一目标，并对参数估计值进行存储；若不满足方位角和俯仰角的阈值条件，则判定为距离和速度相同但是角度不同的不同目标，更新目标列表并对参数估计值进行存储；

2.4、得到所有包含参数估计的目标列表，对所有目标的参数值计算算术平均值，作为目标的最终参数估计结果。

4.如权利要求1所述的一种TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，其特征在于，所述步骤3，被动方根据时延信息进行同步时延调整的具体过程为：

3.1、在步骤2中，被动方同样接收主动方发送的两帧连续调频波，接收信号中包含时间偏移信息为同步时延与距离时延之和；

3.2、主动方保持静默，被动方按照步骤2中的两帧合并探测方法进行目标探测，接收的回波信号包含对应两倍距离时延的时间偏移信息；

3.3、被动方将步骤3.1与3.2中所得的时间偏移信息进行对比，用于确定设备间的同步时延，并进行调整以实现与主动方的同步。

5.如权利要求1所述的TSN中连续调频波多域参数调制的联合通信探测方法，其特征在于，所述步骤5，具体过程为：

5.1、主动方在连续调频波的距离、速度以及幅度中进行多域信息调制，并通过扩展卡尔曼滤波算法实现目标追踪；

5.2、被动方接收主动方发送的包含调制信息的连续调频波，接收信号中包含通信信息以及参数信息；被动方根据接收信号以及先验信息进行目标跟踪和数据解调；

被动方的目标跟踪和数据解调方案具体的步骤如下：

5.2.1、被动方基于之前帧所得目标参数信息，预测下一时刻的参数估计值；在多域参数调制中，为保证信息调制不受到参数变化的影响，通信调制间隔需要保证大于预测参数信息与真实参数信息之差；

5.2.2、根据预测参数估计，被动方从多维参数中提取包含的有效通信信息；

5.2.3、被动方去除通信信息导致的参数变化影响，得到不包含通信信息的目标参数估计，称为测量值；

5.2.4、被动方基于目标参数的预测结果和不包含通信信息的真实参数估计结果，得到目标参数的融合结果，称为融合值，用于被动方进行下一帧的跟踪以及数据解调；

5.3、此后，被动方定期向主动方反馈其对主动方的追踪以及数据解调状态，并由主动方基于反馈信息决定进行持续的通信传输或者重新进行通信同步。