基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，具体为：建立雷达通信一体化系统的发射模型，每个发射天线都配备了一对单比特量化器，分别用于量化信号的实部和虚部；建立通信系统接收模型、雷达系统接收模型；将最小化通信系统多用户干扰和雷达波束图相似性两者一起作为优化目标，并引入一个权重因子权衡通信和雷达性能，将单比特量化条件作为约束条件，得到一体化系统模型的优化问题；求解单比特量化的参考波形矩阵；针对一体化系统模型的优化问题，基于单比特量化的参考波形矩阵求得目标函数的最优解，实现雷达通信一体化发射波形优化。本发明专利技术实现目标感知与用户通信功能的同时尽可能地降低了成本和功耗，硬件利用率高。硬件利用率高。硬件利用率高。

【技术实现步骤摘要】
基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法


[0001]本专利技术属于发射波束形成
，具体涉及一种基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法。

技术介绍

[0002]MIMO技术发源自通信领域，而后发扬到雷达领域。MIMO通信系统具备的空间分集能力可以极大程度改善多径衰落对通信稳定性的影响，具备的空间复用能力能够在空间上形成多个独立的并行通道，进而实现多路数据流的传输，提高了系统容量。MIMO雷达系统拥有波形分集能力，其发射端可以独立辐射不同波形的相关或正交信号，使其在抑制衰减、增强分辨率等场景中都表现出良好的性能。而将MIMO技术应用于雷达通信一体化设计，既能充分利用MIMO技术带来的诸多优势，又能推动一体化系统的革新发展。现有的雷达通信联合系统可以分为：1)雷达通信共存系统；2)雷达通信一体化系统。
[0003]然而，作为提升大规模阵列的DOA估计性能、容量和可靠性的核心——无限分辨率的数模转换器(Analog
‑
to
‑
Digital，DAC)和模数转换器(Analog
‑
to
‑
Digital Conversion，ADC)，将大大增加硬件成本和电路功耗。因此，低分辨率DAC，尤其是单比特DAC的应用，对于降低大规模系统的硬件成本和电路功耗十分有用。此外，使用单比特DAC的一个附带优势是产生的信号是恒模的，不会像传统的DFRC设计方案那样产生过高的峰均功率比，从而影响放大器的工作效率，故可采用低成本的放大器。
>[0004]一方面，目前已有的单比特量化方法大多是集中于研究雷达和通信中的一种功能的实现，而并非同时在单比特量化的基础上同时实现雷达通信功能。例如基于单比特量化的MIMO雷达发射波形设计，通过控制整体旁瓣与主瓣比(Integrated Sidelobe to Mainlobe Ratio，ISMR)，使发射能量尽可能地集中在主瓣区域(感兴趣的区域)，最小化旁瓣区域的能量泄露，同时限制发射信号为单比特量化信号，实现了基于单比特量化的MIMO雷达发射波形设计方案。并将所设计的单比特量化方案与无限分辨率量化方案进行了比较，在能量聚焦于主瓣方面只有少量的性能损失，并且所提出算法的收敛速度与无限分辨率量化方案速度相近。这证明了单比特量化方案在大规模MIMO阵列中的优势，但是发射波形仅仅包含雷达的探测目标功能，没有考虑与用户的通信功能。另一方面，现今关于雷达通信一体化发射波形设计的研究，基本都是基于无限分辨率的量化器的方案。此种方案一般将雷达和通信性能指标中的一种作为优化目标，另一种作为约束条件，以达到同时保障雷达和通信性能的目的。例如考虑在全向波形设计和定向波形设计的情景下，最小化下行链路多用户干扰的设计方案。对于上述联合优化问题，分别提出总功率约束和每天线功率约束的条件下求解方案，并阐述了相关问题的低复杂度算法。结果表明这种设计方式使得雷达和通信性能都能得到较好的保障，证明了雷达通信一体化波形的可行性，但是在大规模MIMO系统中使用的是无限分辨率的量化器，硬件成本和功耗将是十分巨大的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，在雷达通信一体化系统发射端使用单比特量化技术，实现目标感知与用户通信功能的同时尽可能地降低成本和功耗。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、建立雷达通信一体化系统的发射模型，每个发射天线都配备了一对单比特量化器，分别用于量化信号的实部和虚部；
[0008]步骤2、建立通信系统接收模型、雷达系统接收模型；
[0009]步骤3、将最小化通信系统多用户干扰和雷达波束图相似性两者一起作为优化目标，并引入一个权重因子权衡通信和雷达性能，将单比特量化条件作为约束条件，得到一体化系统模型的优化问题；
[0010]步骤4、求解单比特量化的参考波形矩阵；
[0011]步骤5、针对一体化系统模型的优化问题，基于单比特量化的参考波形矩阵求得目标函数的最优解，实现雷达通信一体化发射波形优化。
[0012]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0013](1)所设计的雷达通信一体化系统能在向下行链路通信用户发送通信符号同时探测感兴趣的目标，并接收目标的回波信号以估计目标的DOA，做到了使一个发射波形同时具有雷达探测功能和通信功能；
[0014](2)要发射的通信信号经过QPSK调制以及预编码之后，使用一对单比特量化器而不是高精度量化器分别量化信号的实部和虚部，降低了射频链路的成本和功耗；
[0015](3)将通信的多用户干扰和雷达的波形相似性作为优化目标，同时增加权重因子用于平衡通信和雷达系统各自的性能，能更好地适应实际应用场景；
[0016](4)在求解问题模型时，运用了交替方向乘子法代替了传统的半正定规划算法，有效地降低了求解问题的计算量。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例所述的基于单比特量化的DFRC发射波形优化方法的流程示意图。
[0018]图2为本专利技术实施例所述的基于单比特量化的DFRC发射波形优化方法与基于无限分辨率量化器的DFRC发射波形设计方法在权重因子ρ＝0时对比的效果图。
[0019]图3为本专利技术实施例所述的基于单比特量化的DFRC发射波形优化方法在不同权重因子下的发射波束形成的效果图。
[0020]图4为本专利技术实施例所述的基于单比特量化的DFRC发射波形优化方法在不同权重因子下的误码率随信噪比变化情况的效果图。
[0021]图5为本专利技术实施例所述的基于单比特量化的DFRC发射波形优化方法在不同权重因子下的和速率随信噪比变化情况的效果图。
具体实施方式
[0022]下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细描述。
[0023]本专利技术提出了一种基于单比特量化的雷达通信一体化(Dual
‑
Functional Radar
‑
Communication,DFRC)发射波形优化方法，DFRC基站(Base Station,BS)以大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)阵列为基础，发射具有雷达和通信功能的一体化波形信号。一体化波形可以在估计感兴趣目标波达方向(Direction Of Arrival,DOA)的同时为下行链路的通信用户提供通信服务。首先将要发射的二进制通信信息进行串并转换、星座图映射、发射波束形成以及单比特量化之后，通过射频(Radio Frequency,RF)链路发射出去，一部分信号被下行链路的单天线通信用户接收，实现通信功能；另一部分信号则被探测目标反射回基站，实现雷达DOA估计功能。每个发射天线都配备了一对低成本的单比特量化器，分别用于量化信号的实部和虚部。而接收端假设配备了无限分辨率的量化器，能够不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立雷达通信一体化系统的发射模型，每个发射天线都配备了一对单比特量化器，分别用于量化信号的实部和虚部；步骤2、建立通信系统接收模型、雷达系统接收模型；步骤3、将最小化通信系统多用户干扰和雷达波束图相似性两者一起作为优化目标，并引入一个权重因子权衡通信和雷达性能，将单比特量化条件作为约束条件，得到一体化系统模型的优化问题；步骤4、求解单比特量化的参考波形矩阵；步骤5、针对一体化系统模型的优化问题，基于单比特量化的参考波形矩阵求得目标函数的最优解，实现雷达通信一体化发射波形优化。2.根据权利要求1所述的基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，其特征在于，步骤1所述建立雷达通信一体化系统的发射模型，具体如下：雷达通信一体化系统即DFRC系统阵列采用MIMO阵列，发射端为一个具有N
t
根天线的均匀线性阵列，接收端同样是具有N
r
根天线的均匀线性阵列，两个阵列的阵元间距均为半波长，系统为下行链路中的K个单天线的通信用户设备提供服务；经过正交相移键控调制的通信信号乘以预编码矩阵并经过单比特量化器量化之后得到发射信号其中L表示雷达脉冲/通信帧数；发射信号的模型为：式中为复数的单比特量化函数，用于分别量化信号的实部和虚部，其中sign(
·
)表示符号函数；系统的总发射功率为P
T
，为发射功率归一化因子，为QPSK发射字符表，且有若x
i,j
表示矩阵X的第i行、第j列个元素，则故总发射功率P
T
满足3.根据权利要求2所述的基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，其特征在于，步骤2中建立通信系统接收模型的具体过程如下：通信接收信号为：其中表示通信接收信号，为通信信道状态信息矩阵，有且下行链路的通信信道为瑞利平坦衰落信道；是加性高斯白噪声矩阵，每个元素都满足均值为零、方差为式(2)中HX
‑
S项表示多用户干扰信号，第i个用户每帧的接收信干噪比γ
i
表示为：
式(3)中s
i,j
表示矩阵S的第(i,j)个元素，表示信道矩阵第i列的转置，x
j
表示发送信号的第
j
列，表示求数学期望，为噪声的方差；由上式得到系统的和速率R为：其中γ
i
表示第i个用户每一帧接收到的信干噪比，K为通信用户的数量，R为系统和速率；由式(3)和式(4)看出和速率与多用户干扰的能量有关，将多用户干扰能量最小化能够获得最大单用户信干噪比，故最小化多用户干扰以实现最大化达到和速率。4.根据权利要求3所述的基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，其特征在于，步骤2中建立雷达系统接收模型的具体过程如下：雷达接收信号为：式中，Y
R
为雷达接收信号，X为发射信号，表示目标响应矩阵，其中α为目标的反射系数，和分别为阵列的接收和发射导向矢量，是每个元素的方差都为的加性高斯白噪声矩阵，设远场中存在U个方位角不同的点目标，则雷达接收信号变为：上式α
i
为第i个目标的反射系数，a
r
(θ)和a
t
(θ)分别为阵列的接收和发射导向矢量，N
R
为雷达接收噪声矩阵，X为发射波形矩阵；发射波形矩阵X的协方差矩阵表示成R
X
＝(1/L)XX
H
，其中L为通信帧数，得发射波束方向图P
d
(θ)＝a
tH
(θ)R
X
a
t
(θ)，发射波束方向图的设计等同于设计发射信号的协方差矩阵，假设由参考波形X0计算得到期望的发射波束方向图，那么以波形相似性作为评估雷达DOA估计性能的准则，最小化波形相似性的值即能够保证发射波形X接近参考波形X0，从而得到期望的发射波束方向图。5.根据权利要求4所述的基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，其特征在于，步骤3中一体化系统模型的优化问题，具体构建过程如下：将最小化通信系统多用户干扰和雷达波束图相似性两者一起作为优化目标，并引入一个权重因子ρ∈[0,1]权衡通信和雷达性能，将单比特量化条件作为约束条件，得到如下优
化问题：式中，H为通信信道矩阵，X为发射波形矩阵，S为想要发射的通信符号矩阵，X0为期望波束方向图的参考矩阵，x
i,j
表示矩阵X的第i行、第j列个元素，为QPSK发射字符表；要求解上述优化问题，需要先确定期望的参考波形矩阵X0，且X0应为单比特量化矩阵。6.根据权利要求5所述的基于单比特量化的雷达通信一体化发射波形优化方法，其特征在于，步骤4所述求解单比特量化的参考波形矩阵，具体如下：采用整体旁瓣与主瓣比的方法，将发射波形矩阵堆叠成向量的形式，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：席峰，方陈浩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：