一种雷达通信一体化5G信号设计方法技术

本发明专利技术公开一种雷达通信一体化5G信号设计方法，应用于5G通信与低空目标探测等领域，主要解决现有雷达通信一体化技术中通信信号和雷达信号相对独立的问题；本发明专利技术的方法，首先，基于5G通信帧结构建立雷达通信一体化信号模型；其次，以所设计信号频域子载波系数为优化变量，以探测性能和通信性能为目标函数，建立优化模型；最后利用本发明专利技术提出的基于区间线性相位压缩调制的时/频域交替设计算法求解优化模型，获取设计好的雷达通信一体化5G信号；本发明专利技术的优点是算法优化效率高，且能较大程度实现雷达信号和通信信号的结合。实现雷达信号和通信信号的结合。实现雷达信号和通信信号的结合。

【技术实现步骤摘要】
一种雷达通信一体化5G信号设计方法


[0001]本专利技术属于5G通信领域，特别涉及一种5G通信场景下雷达通信一体化信号设计技术。

技术介绍

[0002]与传统通信基站不同，5G通信基站采用相控阵天线，可以实现天线主瓣波束的快速灵活调度，为利用5G通信基站实现雷达通信一体化创造了条件。5G通信通常采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)信号，而OFDM信号因其频谱利用率高、抗干扰性能强等特点也被应用于雷达目标探测。但是由于通信机制和探测机制不同，目前5G通信OFDM信号难以有效进行目标探测，因此，设计5G通信OFDM信号，使其同时具备良好的通信性能和探测性能十分必要。
[0003]近几年来，国内外一些学者已就通信系统实现雷达通信一体化问题进行了部分研究。如文献“Integrated waveform for a joint radar
‑
communication system with high
‑
speed transmission[J].IEEE Wireless Communications Letters,2019,8(4):1208
‑
1211”研究了5G通信系统和雷达系统的相似性，指出了利用5G通信基站实现雷达通信一体化的可行性。文献“基于LFM信号相位/调频率调制的探通一体化共享信号设计[J].现代雷达,2018,6”基于5G通信系统发射接收雷达常用的线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)信号，实现了雷达通信硬件部分的结合。文献“Multiobjective optimization of OFDM radar waveform for target detection[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2010,59(2):639
‑
652”利用5G通信OFDM信号进行目标探测，但在信号处理时仍采用传统匹配滤波方法。
[0004]上述研究可以归结为以下两个方面：1)利用5G通信系统的部分硬件结构(如：天线和射频)发射和接收传统雷达信号；2)利用通信OFDM信号进行目标探测但在后续信号处理中仍沿用传统雷达信号处理方法。这就不可避免地引起了5G通信系统硬件与雷达信号的不匹配或5G通信信号和雷达信号处理方法的不匹配，制约了5G通信OFDM信号目标探测潜能的充分发挥，所以有必要通过设计雷达通信一体化5G信号来解决这两个失配问题。若能在保证一定通信性能的前提下设计通信OFDM符号实现目标探测，这不仅可以极大提高通信帧的利用率，而且能够实现通信和探测信号一体化。然而，这其中也存在两个较大的技术难题：1)5G通信帧结构中单个OFDM符号时长较短，直接利用单个OFDM符号进行目标探测无法获得合适的探测距离。2)一体化信号的通信性能和探测性能之间存在相互制约关系，难以同时取得最优。所以需要寻求高效的设计方法解决这两个技术难题。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种雷达通信一体化5G信号设计方法，通过发射单一波形同时实现探测和通信功能。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种雷达通信一体化5G信号设计方法，包括：
[0007]S1、基于5G通信帧结构建立雷达通信一体化5G信号模型；
[0008]S2、以步骤S1建立模型的雷达通信一体化5G信号的频域子载波系数为优化变量，以探测性能和通信性能为目标函数，建立优化模型；
[0009]S3、基于区间线性相位压缩调制的时/频域交替求解优化模型，得到设计好的雷达通信一体化5G信号。
[0010]步骤S1所述的雷达通信一体化5G信号模型具体为：雷达通信一体化系统包括雷达通信一体化5G基站和用户端，雷达通信一体化5G基站用来发射一体化信号并接收探测回波信号，用户端用来接收通信接收信号；雷达通信一体化5G基站天线主瓣所照射的探测区域Φ沿距离向被分割为M个距离分辨单元，雷达通信一体化5G基站和用户端之间有L条通信多径。
[0011]雷达通信一体化5G基站发射的一体化信号为加循环前缀的一体化信号，记一体化信号循环前缀时长为T
GI
，T
GI
满足以下条件：
[0012]T
GI
≥(V
‑
1)T
s
，其中，V＝max{M,L}。
[0013]为了减小接收机处能量移除循环前缀带来的能量冗余，将发射信号循环前缀置零，所述一体化发射信号的表达式为：
[0014][0015]其中，g(t)表示一体化发射信号，F
k
为调制前OFDM信号第k个子载波频域复加权系数，G(
·
)是调制函数，
△
f表示5G通信OFDM符号子载波间隔，t表示时间变量，N表示一体化发射信号的子载波个数，T
GI
表示一体化发射信号循环前缀时长，T
a
表示一体化发射信号的脉宽最大值。
[0016]探测接收信号，具体通过：在雷达接收机处，探测区域Φ内M个距离分辨单元的探测回波信号叠加得到，表达式为：
[0017][0018]其中，σ
m
为第m个距离分辨单元的雷达截面系数，R
m
为第m个距离分辨单元到雷达通信一体化5G基站的距离，τ
m
为信号到达第m个距离分辨单元的延时，w1(t)为探测过程中的噪声。
[0019]通信多径接收信号，具体为：在用户端，L条通信多径信号叠加得到通信接收信号：
[0020][0021]其中，ω
l
是第l条通信径中散射体的散射系数，R
l
为沿着第l条通信径从雷达通信一体化基站到用户端的距离，τ
l
为第l条多径信号的延时，w2(t)为通信过程中的噪声。
[0022]本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种雷达通信一体化5G信号设计方法，解决了现有雷达通信一体化技术中通信信号和雷达信号相对独立的问题。首先，基于5G通信帧结构建立了雷达通信一体化信号模型；其次，以所设计信号频域子载波系数为优化变量，以探测性能和通信性能为目标函数，建立了优化模型；最后利用本专利技术提出的基于区间线性相
位压缩调制的时/频域交替设计算法求解了优化模型，获取设计好的雷达通信一体化5G信号。本专利技术的优点是算法优化效率高，且能较大程度的实现雷达信号和通信信号的结合。
附图说明
[0023]图1为雷达通信一体化系统示意图。
[0024]图2为雷达通信一体化5G帧结构图。
[0025]图3为不同调制区间下的峰均功率比累计分布函数(Cumulative Distribution Fuction，CDF)曲线对比图。
[0026]图4为不同调制区间下的信噪比恢复因子CDF曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种雷达通信一体化5G信号设计方法，其特征在于，包括：S1、基于5G通信帧结构建立雷达通信一体化5G信号模型；S2、以步骤S1建立模型的雷达通信一体化5G信号的频域子载波系数为优化变量，以探测性能和通信性能为目标函数，建立优化模型；S3、基于区间线性相位压缩调制的时/频域交替求解优化模型，得到设计好的雷达通信一体化5G信号。2.根据权利要求1所述的一种雷达通信一体化5G信号设计方法，其特征在于，步骤S1所述的雷达通信一体化5G信号模型具体为：雷达通信一体化系统包括雷达通信一体化5G基站和用户端，雷达通信一体化5G基站用来发射一体化信号并接收探测回波信号，用户端用来接收通信接收信号；雷达通信一体化5G基站天线主瓣所照射的探测区域Φ沿距离向被分割为M个距离分辨单元，雷达通信一体化5G基站和用户端之间有L条通信多径。3.根据权利要求2所述的一种雷达通信一体化5G信号设计方法，其特征在于，雷达通信一体化5G基站发射的一体化信号为加循环前缀的一体化信号，记一体化信号循环前缀时长为T
GI
，T
GI
满足以下条件：T
GI
≥(V
‑
1)T
s
，其中，V＝max{M,L}。4.根据权利要求3所述的一种雷达通信一体化5G信号设计方法，其特征在于，步骤S2所述优化模型的表达式为：其中，λ表示峰均功率比，υ表示脉压后的信噪比恢复因子，ε表示误码率，g
n
表示雷达通信一体化5G基站发射的一体化信号的时域序列，n＝0,1,
…
,V
‑
2,V
‑
1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天贤，王舒玉，孔令讲，方学立，杨晓波，蔡光耀，王睿甲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：