CN114325679A

CN114325679A - 基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法

Info

Publication number: CN114325679A
Application number: CN202111229414.8A
Authority: CN
Inventors: 袁伟杰; 李双洋; 刘凡; 崔原豪; 穆俊生; 景晓军
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; Southern University of Science and Technology
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; Southern University of Science and Technology
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本申请提供一种基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法，通过雷达端和目标端实现，所述方法，包括：步骤1：雷达端根据通过步骤4得到的目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形；步骤2：雷达端发送时延多普勒域的ISAC波形；步骤3：目标端接收时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测；步骤4：雷达端接收目标端反射的回波，根据回波对目标端进行定位得到目标端的位置信息，并得到时延多普勒域的信道参数。本申请将雷达端得到的时延多普勒域的信道信息直接用于基于时延多普勒域的信号设计，降低了实现感知通信一体化技术的复杂度，并提高了通信可靠度。

Description

基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法。

背景技术

感知即探测物理环境的参数，例如测速、目标定位等；通信即两点或多点之间进行信息传输，感知通信一体化，是指将感知和通信两个功能融合在一起，可以在对周围目标进行探测的同时与相关目标实现通信，从而降低网络成本并提高定位的精度以及通信的可靠度。感知通信一体化技术，可以应用在无线通信、智能交通等相关领域。

现有技术中的感知通信一体化技术，利用基于时频域调制的通信信号的传输与反射来实现感知与通信；基于时频域调制的通信信号，例如OFDM信号。然而，基于时频域调制的通信信号实现的感知通信一体化技术，需要较复杂的信道估计算法来进行通信信号的接收与处理，同时，由于时频域信道的特性使得基于时频域调制的通信信号需要频繁更新信道信息，从而增加了信号接收处理复杂度并进一步导致感知通信的效率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法。

基于上述目的，本申请提供了一种基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法，通过雷达端和目标端实现，所述方法，包括：

步骤1：所述雷达端根据通过步骤4得到的所述目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形；

步骤2：所述雷达端发送所述时延多普勒域的ISAC波形；

步骤3：所述目标端接收所述时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测；

步骤4：所述雷达端接收所述目标端反射的回波，根据所述回波对所述目标端进行定位得到所述目标端的位置信息，并得到所述时延多普勒域的信道参数。

从上面所述可以看出，本申请提供的基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法，通过雷达端和目标端实现，所述方法，包括：步骤1：雷达端根据通过步骤4得到的目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形；步骤2：雷达端发送时延多普勒域的ISAC波形；步骤3：目标端接收时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测；步骤4：雷达端接收目标端反射的回波，根据回波对目标端进行定位得到目标端的位置信息，并得到时延多普勒域的信道参数。本申请将雷达端得到的时延多普勒域的信道信息直接用于基于时延多普勒域的信号设计，降低了实现感知通信一体化技术的复杂度，并提高了通信可靠度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法的一种流程示意图；

图2为根据本申请实施例提供的雷达端和目标端交互的一种场景示意图；

图3为根据本申请实施例提供的时延多普勒域的ISAC波形构建方法的一种流程示意图；

图4为根据本申请实施例提供的发送信号构建方法的一种流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如背景技术部分所述，基于时频域调制的通信信号实现的感知通信一体化技术，需要较复杂的信道估计算法来进行通信信号的接收与处理，同时，由于时频域信道的特性使得基于时频域调制的通信信号需要频繁更新信道信息，从而增加了信号接收处理复杂度并进一步导致感知通信的效率较低。

有鉴于此，本申请提出一种基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法。

参考图1，其为本申请实施例提供的基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法的一种流程示意图；

基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法，包括：

S110、雷达端根据通过S140得到的目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形。

ISAC(Intergrated Sensing and Communication)：联合感知与通信，ISAC波形为联合感知与通信波形。

在一些实施场景中，雷达端发送时延多普勒域的ISAC波形，接收目标端反射的回波，再发送时延多普勒域的ISAC波形，再接收目标端反射的回波……，循环往复的进行如上操作。其中，除雷达端第一次发送的时延多普勒域的ISAC波形是通过初始化构建的外，雷达端发送的时延多普勒域的ISAC波形，均是根据接收的目标端反射的回波构建的。

雷达端根据接收的目标端反射的回波对目标端进行定位，得到目标端的位置信息，并得到时延多普勒域的信道参数。

在一些实施例中，目标端的位置信息，包括：

目标端与雷达端的相对角度和相对距离。

在一些实施例中，时延多普勒域的信道参数，包括：

相对多普勒频移。

多普勒频移是指当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。当运动在波源前面时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低。

S120、雷达端发送时延多普勒域的ISAC波形。

雷达端的信号覆盖范围内有至少一个目标端，作为一个示例，雷达端上设置有N_T个天线用于发送信号，每个目标端上设置有N_R个天线用于接收信号。

雷达端对于不同的目标端，发送的时延多普勒域的ISAC波形不同。

参考图2，雷达端的信号覆盖范围内有三个目标端，雷达端分别发送时延多普勒域的ISAC波形，接收目标端反射的回波，再分别发送时延多普勒域的ISAC波形，再接收目标端反射的回波……，循环往复的进行如上操作。

S130、目标端接收时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测。

在一些实施例中，目标端接收时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测，包括：

估计雷达端的信道衰落参数。

在一些实施例中，估计雷达端的信道衰落参数，包括：

其中，

为信道衰落参数；c为光速；f_c为载波频率；d_k为相对距离。

根据信道衰落参数计算雷达端的发送功率。

在一些实施例中，根据信道衰落参数计算雷达端的发送功率，包括：

其中，P_k为发送功率。

根据发送功率计算目标端接收到的接收信号，并对接收信号进行信号检测得到传输符号序列。

在一些实施例中，根据发送功率计算目标端接收到的接收信号，包括：

其中，y_k[n,m]为接收信号；x_k[n,m]为第k个目标端对应的传输符号序列；w[n,m]为高斯白噪声采样点。

在一些实施例中，对接收信号进行信号检测得到传输符号序列，包括：

其中，x_k[n,m]为第k个目标端对应的传输符号序列；

为传输符号序列对应的星座点集合。

S140、雷达端接收目标端反射的回波，根据回波对目标端进行定位得到目标端的位置信息，并得到时延多普勒域的信道参数。

在一些实施例中，根据相关技术中的的雷达信号处理方式，即可实现根据回波对目标端进行定位得到目标端的位置信息，并得到时延多普勒域的信道参数，本申请对此未有改进。

参考图3，其为根据本申请实施例提供的时延多普勒域的ISAC波形构建方法的一种流程示意图。

在一些实施例中，雷达端根据通过S140得到的目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形，包括：

S210、构建至少一个发送信号。

参考图4，其为根据本申请实施例提供的发送信号构建方法的一种流程示意图。

在一些实施例中，构建发送信号，包括：

S310、获取目标端对应的传输符号序列。

传输符号序列为时延多普勒域的ISAC波形中的实质信息内容。

第k个目标端对应的传输符号序列表示为x_k，1≤k≤K，K为目标端的个数，对于不同的目标端，发送信号可能不同。

S320、根据传输符号序列，构建目标端对应的时频域传输符号。

具体包括：

其中，X_k[n,m]为第k个目标端对应的时频域传输符号；M为子载波个数；N为子符号个数；x_k[n',m']为第k个目标端对应的传输符号序列；e为自然常数；j为虚数；Δf为子载波间隔；t为时间变量；T为子符号持续时间；n为时域符号索引，m为频域符号索引，n＇为多普勒域符号索引；m＇为时延域符号索引；

S330、根据时频域传输符号构建发送信号。

具体包括：

其中，s_k(t)为第k个目标端对应的发送信号；g_tx(t-nT)为发送端成形波形。

在一些实施例中，雷达端的信号发送对象为多个目标端，即需要为每个目标端构建其对应的发送信号。

假设存在K个目标端，则K个发送信号构成的发送信号集合为：

s(t)＝[s₁(t),s₂(t),...,s_K(t)]^T。

其中，[……]^T表示转置运算。

S220、根据相对多普勒频移、目标端与雷达端的相对角度，构建波束成形矩阵。

波束成形矩阵表示为F，其大小为N_T×K。其中，N_T为雷达端上设置的用于发送信号的天线的个数，K为目标端的个数。

波束成形矩阵F中，第k列的向量为

其中，P_k为发送功率；e为自然常数；j为虚数；

为相对多普勒频移，t为时间变量；

为第k个目标端对应的引导向量。

其中，

其中，

为相对角度。

S230、根据发送信号和波束成形矩阵构建时延多普勒域的ISAC波形。

其中，

为时延多普勒域的ISAC波形；F为波束成形矩阵；s(t)为发送信号集合。

具体的，雷达感知信息中包含目标时延多普勒域的相关信息，相关技术中的雷达感知信息需要通过一定计算来推测时频域的信道信息，从而用于信号设计，这部分计算往往带来额外的计算并且需求的较高的实现复杂度。本申请将这些信息直接应用于基于时频域调制的信号设计，因此，本申请有效降低了复杂度。

相关技术中的基于时频域设计的ISAC信号无法直接利用时延多普勒域的信道信息，相比于时延多普勒域的信道参数，时频域信道状态变化较快，因此，相关技术中的感知通信一体化网络需要频繁地应用雷达来获取目标的感知信息从而估计信道参数，这使得系统的效率较低，并且开销较大。本申请通过从时延多普勒域设计ISAC信号，由于时延多普勒域的信道参数相比于时频域的信道参数更加稳定，因此不需要频繁地需要估计信道参数，因此可以提升系统效率并降低所需开销。

相比于时延多普勒域的信道参数，相关技术中的时频域的信道参数往往较为密集，即不同时刻、不同频率的信道相应不同，因此在ISAC信号发送以及接收时预编码与检测的复杂度较高，并且导致通信的可靠度较低。本申请通过从时延多普勒域设计ISAC信号，由于时延多普勒域的信道参数具有稀疏的特性，因此相比于时频域调制的信号，本申请所需的发送端预编码以及接收端检测的复杂度较低，并且由于时延多普勒域调制信号存在着时频域扩展的特性，其通信可靠度相比于时频域调制信号更高。

需要说明的是，本申请实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

在相关技术中的感知通信一体化系统中，ISAC信号的设计通常基于时频域设计。本申请充分的考虑了时延多普勒域的信号设计方法，将雷达感知得到的时延多普勒域的信道参数与信号设计相结合，从而提升了通信的可靠度。同时由于雷达可以直接获得时延多普勒域的信道信息因此无需将其转换至时频域来进行信号设计，从而加快了处理速度。在另一方面，考虑到时延多普勒域信道参数的特性，本申请所提出的方法可以大幅度的降低信道估计的次数，从而节约了成本。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

需要说明的是，本申请的实施例还可以以下方式进一步描述：

一种基于时延多普勒域信号处理的感知通信一体化方法，包括：

步骤1：雷达端根据通过步骤4得到的目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形；

步骤2：雷达端发送时延多普勒域的ISAC波形；

步骤3：目标端接收时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测；

步骤4：雷达端接收目标端反射的回波，根据回波对目标端进行定位得到目标端的位置信息，并得到时延多普勒域的信道参数。

可选的，目标端的位置信息，包括：

目标端与雷达端的相对角度和相对距离。

可选的，时延多普勒域的信道参数，包括：

相对多普勒频移。

可选的，雷达端根据通过步骤4得到的目标端的位置信息和时延多普勒域的信道参数构建时延多普勒域的ISAC波形，包括：

构建至少一个发送信号；

根据相对多普勒频移、目标端与雷达端的相对角度，构建波束成形矩阵；

根据发送信号和波束成形矩阵构建时延多普勒域的ISAC波形。

可选的，构建至少一个发送信号，包括：

获取目标端对应的传输符号序列；

根据传输符号序列，构建目标端对应的时频域传输符号；具体包括：

其中，X_k[n,m]为第k个目标端对应的时频域传输符号，1≤k≤K；M为子载波个数；N为子符号个数；x_k[n',m']为第k个目标端对应的传输符号序列；e为自然常数；j为虚数；Δf为子载波间隔；t为时间变量；T为子符号持续时间；n为时域符号索引，m为频域符号索引，n＇为多普勒域符号索引；m＇为时延域符号索引；

根据时频域传输符号构建发送信号；具体包括：

可选的，根据相对多普勒频移、目标端与雷达端的相对角度，构建波束成形矩阵，包括：

波束成形矩阵的大小为N_T×K；

波束成形矩阵中，第k列的向量为

其中，P_k为发送功率；

为相对多普勒频移；

为第k个目标端对应的引导向量；

其中，

其中，

为相对角度。

可选的，目标端接收时延多普勒域的ISAC波形，并进行时延多普勒域的信道估计和信号检测，包括：

估计雷达端的信道衰落参数；

根据信道衰落参数计算雷达端的发送功率；

可选的，估计雷达端的信道衰落参数，包括：

其中，

为信道衰落参数；c为光速；f_c为载波频率；d_k为相对距离。

可选的，根据信道衰落参数计算雷达端的发送功率，包括：

其中，P_k为发送功率。

可选的，根据发送功率计算目标端接收到的接收信号，包括：

其中，y_k[n,m]为接收信号；w[n,m]为高斯白噪声采样点；

对接收信号进行信号检测得到传输符号序列，包括：

其中，

为传输符号序列对应的星座点集合。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。