压胜法术在多远距离用有效:【2022 · 第4期】面向远距离目标感知通信一体化的OFDM信号波形设计
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面向智能反射面辅助通信的深度学习信号检测
迁移学习在6G无线通信中的应用综述
03
《移动通信》2022年第4期
专题“面向6G的智能感知与信息处理”
面向远距离目标感知通信一体化的
OFDM信号波形设计
宋佳1压胜法术在多远距离用有效，赵艺帆2，昌硕1，黄赛1
【摘 要】车对车（V2V）通信中，通信性能和感知性能是两个重要的性能指标，合适的波形设计能够提高感知的精度和通信的效率压胜法术在多远距离用有效。通过对远距离V2V场景进行感知通信一体化波形设计，提出基于正交频分复用（OFDM）信号的脉冲分组索引导频调制（PIMPOFDM）波形设计方案。该方案在发射端利用发送数据控制OFDM时频结构中的导频嵌入位置，接收端对导频矩阵进行脉冲压缩重构，并对重构后的导频矩阵进行二维傅里叶变换，实现对目标速度和距离的测量。仿真结果表明，PIMPOFDM方案减少了雷达探测图中虚警目标峰值的个数和幅度，这样既减少了目标运动对目标距离感知带来的影响，又能够利用导频位置的随机性多传输一部分数据比特，从而提升通信效率和感知精度。
【关键词】OFDM；感知通信一体化；PIMPOFDM；V2V
doi:10.3969/j.issn.10061010.2022.04.003
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：10061010(2022)04001408
引用格式：宋佳,赵艺帆,昌硕,等. 面向远距离目标感知通信一体化的OFDM信号波形设计[J]. 移动通信, 2022,46(4): 1421.
0 引言
随着无线通信技术和无线探测技术的发展，雷达和通信在硬件结构及频谱资源上逐渐有更多的相似性 [12] 压胜法术在多远距离用有效。雷达通信一体化概念（JRCS, Joint Radar and Communications System）的提出，证明雷达和通信能在同时满足感知与通信的性能需求下共享频谱资源及射频硬件平台，这为新的系统概念和应用提供独特的可能性 [35] 。
雷达和通信进行联合设计有很多好处：雷达技术通过通信进行联网可获得探测数据的快速融合 [6] ；雷达信号可辅助通信信号获得信道估计 [7] ；利用通信链路获取信道信息，可增强雷达任务 [8] ，有助于雷达探测提升对目标速度、距离和角度等信息的探测精度压胜法术在多远距离用有效。目前雷达通信一体化有很多优势场景，其中典型的应用场景即为车联网 [911] 。
展开全文
雷达通信一体化方案设计包括很多层面，需要从波形设计 [12] 、功率优化 [13] 、多址接入、无线资源管控等多方面入手，进行通感一体化的联合最优设计 [14] 压胜法术在多远距离用有效。本文关注基础的物理层信号波形设计。雷达通信一体化波形设计方案随着技术的发展也在不断改进，早期模式是以雷达波形为主的一体化设计，如：邹广超等人提出了将用于雷达探测的线性调频信号与用于通信的二进制相移键控（BPSK, Binary Phase Shift Keying）信号相乘，接收端使用盲源分离的同态滤波解调 [15] 方法分离出雷达和通信信号，这种方法虽然保证了通信和雷达探测的可靠性，但接收端复杂度较高；李晓柏等人提出了用离散相位调制将通信信号加载到线性调频信号上的方案，并利用宽带模糊函数分析了多载波一体化信号特征 [16] ，但此方案中雷达和通信信号之间仍存在相互干扰。随着多天线技术的发展，空间调制和波束成形技术逐渐发展 [1719] 。文献[20]提出了利用雷达信号的空间图样分布传递通信信号的方案，该方案实现了通信信号和雷达信号之间的干扰分离，且利用雷达图样简化了接收端的信号处理流程，但此方案下通信性能的频带利用率较低。以通信波形为主的一体化设计也是一大方向。文献[21]提出将用于雷达传感的调频连续波和用于通信的OFDM信号进行非正交叠加，可获得良好的感知精度，且在不降低通信操作数据速率的情况下，实现通过雷达感知功能执行信道估计的方案。文献[22]和[23]关注联合雷达通信波形设计的时频谱形状，通过最优化方案获得共享频谱的联合雷达通信系统的性能最大化。除了和雷达传感信号联合之外，OFDM信号可单独作为感知信号 [24] 。将OFDM信号作为感知探测信号的优点是它不存在距离多普勒耦合，且在OFDM信号中插入导频后，可利用导频单独估计待测目标的速度和距离 [25] 。由于块状导频和梳状导频占据的OFDM时频资源格较多，为了提高通信效率，提出了一种时域频域连续的导频设计方案，并利用OFDM信号的感知探测锁定频谱峰值，再与多信号分类算法相结合以获得更准确的探测性能 [26] ，此方案在简化计算量的基础上提高了探测精度，并具有良好的抗噪声性能。C. D. Ozkaptan等人在远距离感知通信一体化场景中，提出了导频序列在载波中阶梯周期放置的步进型索引导频方案（SMPOFDM, Stepped Modulation of Pilots Based on OFDM） [24] ，进一步压缩了导频所占的资源格的数量且保证了可探测的最大无模糊距离，但是它的距离探测中会出现虚警目标，其频谱利用率也有限。文献[27]提出V2V通信场景中OFDM导频结构在短距离通信和远距离通信的动态切换，实现了根据车辆负载动态调整通信速率的设计。
本文通过对索引导频的位置进行探究，提出了面向远距离感知通信一体化场景的脉冲分组索引导频调制（PIMPOFDM, Pulse Index Modulation of Pilots Based on OFDM）波形设计方案压胜法术在多远距离用有效。该方案在发射端将部分通信数据比特映射为导频位置，接收端利用导频信号的自相关特性对信号进行脉冲压缩重构，恢复导频结构，进行目标的速度和距离探测。并利用通信数据的随机性设计导频结构，可以消除由于目标运动带来的距离模糊旁瓣，提高测量精度，且可以传递一部分额外的数据比特。本文首先给出了远距离V2V通信系统的模型；然后重点介绍PIMPOFDM的波形设计方案并给出系统接收模型，进行通信和感知性能分析；最后进行系统仿真验证。
1 系统模型
图1给出了远距离V2V通信的场景示意图压胜法术在多远距离用有效。在该场景中，车辆信号与基站通信采用随机接入机制。当车辆进入基站范围内，首先进行竞争接入，成功接入的车辆将获得基站分配的一组标识序号和标识码。其中，标识序号作为车辆接入标志，与标识码相对应，以保证每辆车标识码唯一；标识码是OFDM时频资源格中的导频码序列，即自相关性较强的M序列。标识码可用来执行感知探测功能，也可用于通信的信道估计。标识序号和标识码的引入，保证了在复杂的空间环境中车辆只接收自己发出信号的回波，这有利于接收模型的简化。 如图1所示，A车进行探测时，只接收B车和C车对A车的回波信号，不接收C车的发射信号，即A车的通信功能和探测功能为时分双工模式。
2 波形设计及性能分析
2.1 PIMPOFDM信号波形设计
图2给出了PIMPOFDM波形设计方案的发送端信号处理流程压胜法术在多远距离用有效。二进制数据源产生的数据比特为P，将P分为P 1 和P 2 两部分，其中P 1 用来映射一组OFDM脉冲起始导频所在的位置，P 2 为OFDM信号中数据子载波上的通信数据。
设在一个相干处理时间间隔（CPI, Coherent Processing Interval）内可处理U个脉冲，α个脉冲为一组，则共有U/α组压胜法术在多远距离用有效。T PRI 为脉冲重复间隔， Ts 为一个时频资源格所占的时间。每个OFDM脉冲内，共有M个OFDM符号和N个子载波，包含Nr 个导频子载波和Ns 个数据子载波Nr =N/α。OFDM基带信号的时域表示如下：
将每组脉冲中导频子载波的起始位置按索引调制方式分配，则第一个OFDM脉冲的导频起始位置有α种选择，第二个脉冲的导频起始位置有(α1)种选择，以此类推，第b个脉冲的导频起始位置有(αb+1)种选择，b=1,…,α压胜法术在多远距离用有效。因此，PIMPOFDM方案中，起始导频子载波的位置是随机的，且每一组的导频子载波能覆盖全部的带宽，产生α!种可能的导频图样。将导频图样与数据比特对应，即可利用不一样的导频图样传递信息比特数据。通过这种索引调制的方式每一组多传输的比特数为⌊log 2 (α!)⌋，则每一帧多传输的比特数为：
每传输M个OFDM符号静默一段时间，T OFDM 是传输一个完整的OFDM符号所需的时间，M个OFDM符号传输MT OFDM 秒；静默时间间隔T off =T PRI MT OFDM ，T off 既可用于提升速度分辨率，也可用于帧头传输以进行脉冲同步压胜法术在多远距离用有效。
含有导频分配的OFDM时频资源格如图3所示压胜法术在多远距离用有效。一个CPI里含有9个OFDM脉冲，分为三组；一个OFDM符号包含12个子载波，其中有8个数据子载波和4个导频子载波，导频子载波在频域均匀分布。每一组导频起始子载波的位置由比特映射决定，数据比特与子载波位置映射关系如表1所示。图3中有三组脉冲。第一组脉冲中，第一个脉冲起始子载波的位置索引为1，第二个脉冲起始子载波的位置索引为3，第三个脉冲起始子载波的位置索引为2，则其对应的数据比特为01。图3中PIMPOFDM方案导频图样传输的数据比特为01/00/11。
确定导频位置之后，在导频位置插入巴克码，而非导频位置插入通信数据压胜法术在多远距离用有效。
2.2 基于重构导频脉冲压缩矩阵的接收处理方法
与发射机相对应，接收机的数据接收流程如图4所示压胜法术在多远距离用有效。
发送端基带信号经过上变频调制到载波f c 上压胜法术在多远距离用有效，即：
其中，R g 为运动目标到信号源的距离；v g 为运动目标相对于信号源的运动速度；c为光速；a g 为信号经过无线信道的衰减；w g (t)为加性高斯白噪声压胜法术在多远距离用有效。
式子中包含的第一个指数项对应逆离散傅里叶变换（IDFT, Inverse Discrete Fourier Transform）操作，第二、三个指数项对应由目标与源车辆之间的相对速度和距离造成的多普勒频移及相位偏移，第四个指数项对应由于多普勒频移可能造成的载波间干扰压胜法术在多远距离用有效。为保证子载波正交性，正确解调出OFDM符号，选取的载波间隔远大于多普勒频移，因此第四个指数分量的影响可忽略不计。对上述信号进行离散傅里叶变换可以消去第一个指数分量解调出OFDM符号，忽略第四个指数项后，接收信号可以表示为：
式(7)展示了目标与源车辆之间的距离和相对运动对传输序列产生的影响压胜法术在多远距离用有效。
由于提出的PIMPOFDM波形设计方案中包含用于感知探测的导频序列和用于通信传输的随机数据，其中导频序列含有强自相关性，因此通过相关运算可检测出导频子载波的位置压胜法术在多远距离用有效。保留接收信号中导频子载波位置处的数据，将接收信号经过匹配滤波器后进行采样输出为：
经过匹配滤波器之后，对E(n,k,δ)沿着k轴在峰值处采样，得到大小为NU的矩阵E压胜法术在多远距离用有效。E每列中导频子载波所在的位置对应的值非零，数据子载波所在的位置对应的值为零。将每组中导频子载波位置对应的非零值合并成一个列向量，最终得到大小为NU/α的矩阵Ê。下面对目标信息矩阵Ê进行二维IDFT运算。
2.3 性能分析
（2）雷达性能分析
IMPOFDM测速测距的性能指标与SMPOFDM一致压胜法术在多远距离用有效，其相对距离分辨率为：
由此可以看出，实际传输中子载波总个数影响最大无模糊距离（导频子载波覆盖整个频带），每组脉冲个数影响最大无模糊速度，每一帧中传输的脉冲个数U影响相对速度分辨率压胜法术在多远距离用有效。
3 仿真与分析
3.1 仿真设置
为了验证PIMPOFDM方案的可行性，本文对远距离场景进行了合理的参数设置并通过Matlab仿真平台搭建程序证明压胜法术在多远距离用有效。在建立的仿真程序中，SMPOFDM方案和PIMPOFDM方案参数设置均如表2所示，一帧PIMPOFDM由1 024个脉冲组成，分为64个脉冲组。PIMPOFDM结构包含1 024个子载波，其中有64个雷达子载波和960个数据子载波，数据子载波上传输的是经过BPSK调制的随机比特数据，雷达子载波上传输的是具有良好自相关特性的3位巴克码。每个PIMPOFDM符号的时间周期为0.68 μs，循环前缀的时间为0.17 μs，所以一个PIMPOFDM符号的持续时间为0.85 μs。
3.2 仿真分析
（1）通信性能分析
图5表示PIMPOFDM方案下，利用导频图样传输的额外数据比特与导频子载波占比的关系曲线压胜法术在多远距离用有效。可以看出，随着单个CPI内能处理的最大脉冲数U与分组脉冲数α的增大，导频子载波占比1/α减少，每个脉冲分组里面可使用的PIMPOFDM图样增多，额外传输的数据比特量增加。但是在传输更多的额外数据比特的同时，导频图样增多带来的解码复杂度也会随之增高。
（2）感知性能分析
图6表示N=1024、α=16、导频子载波个数为64时的双目标感知雷达探测图压胜法术在多远距离用有效。设定两个目标，其中一个目标与源的相对距离为75.1 m，另一个目标与源的相对距离为84.2 m，相对源目标的相对速度均为17 m/s。设定的这两个目标离的相对较近，雷达探测图中出现峰值的地方被认为是检测到的目标所在的地方。从图6可以看出，SMPOFDM方案中出现峰值的地方较多，且旁瓣峰值对应的Z值较大，因此相比于SMPOFDM方案，PIMPOFDM方案的探测准确度更高。
图7表示N=1024、α=16、导频子载波个数为64时的双目标相对速度估计剖面图和相对距离估计剖面图压胜法术在多远距离用有效。可以看出，PIMPOFDM方案减少了距离探测的旁瓣数量和大小，改善了距离探测性能。这是因为PIMPOFDM方案使得导频图案更具有随机性，不再像SMPOFDM方案一样呈阶梯形周期性变化。将一帧PIMPOFDM脉冲进行分组，由额外的数据比特决定每一组中每个脉冲的导频子载波位置后，每一组脉冲中的导频图样不再完全相同，而是覆盖了更多的情况。因此，一个CPI内接收机对PIMPOFDM波形经过脉冲压缩导频矩阵重构之后，消除了目标运动对距离估计带来的影响。PIMPOFDM方案中也出现了一些较低的峰值，这是索引调制分配的导频子载波图样与子载波位置映射关系不完全匹配引起的。但PIMPOFDM方案下目标对应的归一化响应幅度尖峰明显，对结果影响较小。从图7（c）和（d）中可以看出，SMPOFDM方案和PIMPOFDM方案探测目标的相对速度剖面图一致，对速度的测量均有误差，这是导频重构时在时域有一定压缩引起的，该误差可通过时域扩展消除。
4 结束语
本文提出了一种PIMPOFDM远距离感知通信一体化波形设计方案压胜法术在多远距离用有效。相比于SMPOFDM波形设计方案，PIMPOFDM方案既能利用导频位置的随机性传递额外的比特数据来提高频谱效率，又减少了距离估计中出现的容易被误判成目标的干扰尖峰。仿真结果表明，在雷达性能和通信性能上，PIMPOFDM波形设计均优于SMPOFDM波形设计。如何将PIMPOFDM技术的研究扩展到MIMO技术上，引入MIMO的空间调制特性，并利用MIMO实现目标的方位角测量将是未来进一步研究的方向。
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★原文发表于《 移动通信》2022年第4期★
doi:10.3969/j.issn.10061010.2022.04.003
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：10061010(2022)04001408
引用格式：宋佳,赵艺帆,昌硕,等. 面向远距离目标感知通信一体化的OFDM信号波形设计[J]. 移动通信, 2022,46(4): 1421.
作者简介
赵艺帆：硕士毕业于北京邮电大学通信工程专业，现任职于北京字节跳动网络技术有限公司，主要研究方向为雷达通信一体化波形设计压胜法术在多远距离用有效。
昌硕：博士毕业于北京邮电大学信息与通信工程，目前在北京邮电大学博士后站、北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室工作，主要研究方向为信号处理、视觉跟踪、视觉检测与多传感器融合压胜法术在多远距离用有效。
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