基于串行时分CC-CDMA的雷达通信一体化.pdf

2023 年 9 月 Journal on Communications September 2023 第 44 卷第 9 期 通 信 学 报 Vol.44 No.9基于串行时分 CC-CDMA 的雷达通信一体化 李玉博1,2，崔健1,2，冯俊超1,2，陈晓玉1,2（1.燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066000；2.河北省信息传输与信号处理重点实验室，河北 秦皇岛 066000）摘 要：为了提升目标检测性能，解决多目标和多用户之间的自干扰和互干扰问题，基于串行时分互补码码分多址（CC-CDMA）技术提出一种雷达通信一体化系统。首先，借用码分复用机理在发射端通过广义普洛黑修莫尔斯（GPTM）序列调整互补码中不同子序列对不同时间片上信号的扩频顺序，生成雷达通信一体化信号。其次，雷达接收端通过 2 次处理，利用逐点最小化方法将处理结果进行融合，提升雷达子系统的目标检测能力。最后，在通信接收端使用对应发射端扩频顺序的子序列对接收到的信号进行解扩，通过交织编码和汉明编码进一步降低误码率。仿真结果表明，与其他雷达通信一体化系统相比，所提系统具有更低的误码率、更高的多普勒分辨率和更好的旁瓣抑制性能。关键词：雷达通信一体化；码分复用；串行时分；扩频；广义普洛黑修莫尔斯序列 中图分类号：TN957.51 文献标志码：A DOI:10.11959/j.issn.1000436x.2023183 Dual functional radar communication based on serial time division CC-CDMA LI Yubo1,2，CUI Jian1,2，FENG Junchao1,2，CHEN Xiaoyu1,2 1.School of Information Science and Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066000,China 2.Hebei Key Laboratory of Information Transmission and Signal Processing,Qinhuangdao 066000,China Abstract:In order to improve the performance of target detection and solve the problem of self-interference and mutual interference between multiple targets and multiple users,a radar communication integration system based on serial time division CC-CDMA was proposed.Firstly,the code division multiplexing mechanism was used to adjust the spread spec-trum sequence of different subcodes in the complementary code to the signals on different time slices at the transmitter through the generalized PTM sequence to generate the integrated signal of radar communication.Secondly,the receiving end of the radar processed the data twice,and the point-by-point minimization method was used to fuse the processing results to improve the target detection capability of the radar subsystem.Lastly,at the receiving end of communication,the subcodes corresponding to the spread spectrum sequence at the transmitting end were used to de-amplify the received signals,and the bit error ratio was further reduced by interleaved coding and Hamming coding.Simulation results show that compared with other radar communication integration systems,the proposed system has lower bit error rate,higher Doppler resolution and better side lobe suppression performance.Keywords:dual functional radar communication,code division multiplexing,serial time,spread spectrum,GPTM se-quence 收稿日期：20230602；修回日期：20230905 通信作者：崔健， 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62241110）；河北省高等学校科学研究重点基金资助项目（No.ZD2021105）；河北省重点实验室基金资助项目（No.202250701010046）；河北省自然科学基金资助项目（No.F2021203078）Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(No.62241110),The Science and Technology Project ofHebei Education Department(No.ZD2021105),Hebei Key Laboratory Project(No.202250701010046),The Natural ScienceFoundation of Hebei Province(No.F2021203078)128 通 信 学 报 第 44 卷 0 引言 随着 5G 和毫米波雷达技术的发展，雷达和通信系统趋于使用相同的频段，这将导致 2 个系统之间相互干扰1。此外，随着雷达和通信系统对频谱资源的需求不断增加，频谱资源的短缺问题日益严重2。为了解决这些问题，雷达通信一体化（DFRC,dual functional radar communication）系统被提出，该系统可以缓解雷达与通信之间的干扰，提高频谱资源的效率3。通常，DFRC 系统可以分为 2 种类型4。一种被称为共存雷达通信一体化系统，其中雷达和通信被视为 2 个独立的个体，旨在最大限度地减少雷达和通信子系统之间的相互干扰5。另一种被称为共用雷达通信一体化系统，其中发射波形被优化以同时执行雷达和通信功能6，以避免雷达和通信之间的相互干扰。DFRC 系统设计的主要挑战是如何在雷达和通信功能之间做出最佳的权衡。以此作为考虑的出发点，DFRC 系统的实现方法又分为算法优化方法和解析构造方法。近年来，有很多通过优化算法来实现 DFRC 系统的方法。Liu 等7以波形的协方差矩阵与给定的多输入多输出（MIMO）雷达最优协方差相等为约束，以最大化多用户信干噪比的效用函数为优化准则，建立并求解此优化问题，提升了一体化波形的干扰抑制能力。王佳欢等8构建了以最小化一体化波形的加权积分旁瓣电平为优化准则，以发射波形的能量、峰均功率比以及与通信波形之间的相位差为约束条件的优化问题，从而实现具有多普勒容忍性的通信感知一体化波形的构造。然而上述方法实现起来复杂度较高，还应考虑执行效率等问题，故从另一个角度出发，即通过解析构造方法来实现 DFRC 系统。Hassanien 等9设计了发射波束的旁瓣以不同的脉冲重复间隔（PRI,pulse repe-tition interval）传输通信信息，主瓣保持不变以保证雷达性能，但是每个 PRI 只能传送一个通信符号，通信速率较低。Jiang 等10为了提高通信速率，对传统的通信波形进行了改进，使其同时具有雷达和通信功能。Liu 等11提出了基于正交频分复用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）波形的 DFRC 系统，具有相当高的通信速率。然而OFDM 波形具有非恒定模量，为了尽可能地探测到目标，雷达发射机的放大器通常工作在非线性区域。当发射波形模量非恒定时，会造成严重的失真，降低雷达和通信性能。由此，Zeng 等12利用单载波波形替换 OFDM 波形来实现 DFRC 系统，从而克服上述方法所带来的局限。但是，上述方法中提出的 DFRC 波形均具有较高的自相关旁瓣，如果自相关旁瓣较高，则接收端处雷达截面面积小的目标回波可能被雷达截面面积大的目标旁瓣淹没。Tang 等13为了提升雷达接收端的旁瓣抑制水平，在码域上用m序列对雷达通信一体化信号进行扩频，通过峰值旁瓣比（PSLR,peak side lobe ratio）优化方法以很小的通信速率损失为代价对信号旁瓣进行了有效的抑制。然而这种方法中通信数据的随机性会干扰雷达的检测功能，Ma 等14使用 Gold 码作为扩频序列，设计了雷达通信一体化信号。将积分信号的分析转化为伪随机序列的性能分析，指出了扩频码与通信数据的相关性对模糊函数的旁瓣值具有一定的影响。上述方法并未应用于实际场景中，仅分析了在理论层面实现的可能性。Chen 等15提出了一种用 Wash 码作为扩频序列的码分多址（CDMA,code division multiple access）通信感知一体化系统，用于 6G 机器类通信，实现了通信的可靠性且提升了雷达探测精度。文献13-15主要是采用一维码作为扩频序列来设计基于 CDMA 的 DFRC 系统，这类扩频序列自相关函数的非零旁瓣会导致严重的多径干扰（MPI,multi path interference），互相关函数的非零值会导致严重的多址干扰（MAI,multiple access interference）。为了解决一维扩频序列较差的相关性质产生的干扰问题，赵航等16基于完全互补码良好的相关性建立了雷达通信一体化信号系统模型，提出采用子码匹配滤波的方式解决回波遮掩问题。然而该方法并没有对多用户以及多目标的干扰进行进一步的分析。Sharma等17基于多载波直接序列的CDMA（MC-DS-CDMA,multicarrier direct sequence CDMA）设计了一种通信感知一体化波形，将带宽划分为资源块，每个资源块由几个子载波组成，通信和雷达用户被划分为不同的资源块。该方法可以有效地对不同用户和目标之间进行干扰管理，对于通信用户，可以支持不同的数据速率；对于雷达用户，通过选择不同的编码方式设计出来的不同波形均具有理想的模糊函数。文献16-17设计的一体化波形可以有效地实现雷达和通信功能，但是并未考虑多普勒容忍性的问题。在实际应用中，雷达探测的目标是运动的，DFRC 系统与目标之间的相对径第 9 期 李玉博等：基于串行时分 CC-CDMA 的雷达通信一体化 129 向速度不可忽略，其产生的多普勒效应不仅会严重影响雷达的目标检测性能，也会降低通信质量。本文提出了基于串行时分复用（S-TDM,serial time division multiplexing）CC-CDMA 的具有多普勒容忍性的 DFRC 系统。在雷达信号处理部分考虑了多普勒容忍性的大小对多目标检测的影响，引入了 GPTM+二项式设计方法，通过 2 次处理流程使雷达接收端的波形具有较好的多普勒容忍性。第一次处理流程得到的距离多普勒谱具有很高的多普勒分辨率。第二次处理流程能够显著地扩大目标多普勒附近的清洁区。最后，对 2 次处理得到的距离多普勒谱进行逐点最小化处理，使其在一定的多普勒频移范围内距离旁瓣较低且具有较高的多普勒分辨率，可以有效地对多目标场景进行检测。在通信信号处理部分，基于串行时分 CC-CDMA 的结构搭建起来的 DFRC 系统能够完全消除多径干扰，从而得到优越的多径分集增益。文献16-17都是基于并行频分复用（P-FDM,parallel frequency division multiplexing）的 CC-CDMA 来设计一体化波形，其性能对于多径所引起的频率选择性衰落而言是敏感的，这就会导致完全互补码给 CDMA 系统带来的无多址干扰的特性被破坏。由于单载波的结构，串行时分CC-CDMA的DFRC系统实现起来远比并行频分 CC-CDMA 的 DFRC 系统简单，且单载波的结构不会引入额外开销。在节约开销的前提下可以更有效地消除多址干扰和多径干扰。1 基本概念 1.1 模糊函数 定义 118 假设()u t 为雷达信号的复调制包络，2 个目标的回波信号分别用1(,)u t、2(,)u t 表示，两者时延相差、频率相差，模糊函数定义为 j2(,)()()edtu t u tt =+(1)若 2 个目标静止，那么目标之间不存在相对运动，目标与雷达之间不存在多普勒频移。则信号的距离模糊函数为 ()()()du t u tt=(2)若 2 个目标之间存在径向速度，那么因径向速度不同导致接收回波存在多普勒频移差。则信号的速度模糊函数为 j2()()()edtu t u tt=(3)1.2 序列相关概念 定义 219 令011(,)Laa aa=?和b=01(,b b?1)Lb为长度为 L 的q进制序列，a和b之间的非周期互相关函数定义为 1*01*,0,0(),00,LiiiLa biiiabLRabL+=+=?(23)由式(23)可知，逐点最小化处理就是对 2 次处理得到的距离多普勒谱上的每个分辨单元d(,)t f进行逐点比较，取两者中的最小值赋给最终的距离多普勒谱d(),t f。所得到的d(),t f具有较大的旁瓣清洁区域，而且可以保持很高的多普勒分辨率，进一步提升了雷达通信一体化系统的目标检测性能。2.3 通信接收端模型 2.3.1 接收端模型 假设用户k传输的信道为多径慢衰落信道，其时延扩展为，则 DFRC 系统的通信接收端模型如图 5 所示，接收端收到的信号()r t 可以表示为 ()()()t,1()11()(;)()()()()KkkkLklkkKkkll kkkr tt stn tphstn th=+=+(24)其中，()klh表示用户k信号在第l个径的信道增益，k表示由路径损耗引起的信道衰落系数，()n t 表示高斯白噪声。首先，按照发射端使用广义 PTM 序列调整的扩频顺序，在不同的时间间隔内用相应的不同子码对用户g 各个径的数据进行解扩。针对用户k第z 个径接收到的第j个数据，采用相应的互补码中的第m个子码进行解扩，表示为()(),0()(1)()dcNTggx zbz kxyjr tjTmCtt=+(25)将式(24)中的()r t 代入式(25)可得 ()()(),t01,()()01()(1)()d()()d()ccKNTgkkx zlkbz gLl kkNTgmgklmyjphstjTmCttn t Ctt=+(26)其中，,z gl kk为同步误差和接收时延引起的信号到达接收端的时间差，其应小于不同子码扩频数据间的保护间隔。将式(11)代入式(26)可得 图 5 DFRC 系统的通信接收端模型 134 通 信 学 报 第 44 卷 1()()(),t001()()()0(111)()()t01()()00()()()()d()()d()()()d()()dccccKBNTgkkx zlikNTkggKNTkkkLklmmLBklimlkNTgmgyjphbiCtT Cttn t CttphbiCtT Cttn t Ctt=+=+(27)其中，()(),1()()Nggmm nccnCtcq tnTT=+为互补码中第m个子码对用户 g 进行扩频的扩频波形，()q t 为码片传输脉冲波形。根据 CCC 相关函数的定义可将式(27)化简为 ()()()()()(),t11,;()()kgKgkLmmkmlkx zlkRyjphbjNMN=+cc (28)其中，()0()()dcNTgmmNn t Ctt=，通过求解其期望及方差易知其仍然为一个高斯白噪声采样，然后将解扩后M 个时间间隔的输出结果合并 ()(),1()()()()t11()(),();()+Mggzm zkgKkklkmLklyjyjRphbjMN=CCw(29)其中，1MmmN=w=为高斯白噪声。最后将输出的结果通过码元判决、汉明解码和逆交织编码 3 个操作后，便可以得到较精准的用户 g 传输的比特信息。2.3.2 抗干扰能力分析 已知式(29)给出的用户 g 第 z 个径的检测结果()()gzyj中应包含有用信号U、多径干扰MPI、多址干扰MAI及噪声w，表示为 ()()()t1()()MAP1M()(),;KLklgkkzlkkgyjphbjRUIIMN=+=+CCw(30)根据式(7)所示的 CCC 的理想相关特性可得 ()()t()()()()t1()(,;0)()ggzgggggzgUphbjMNRphbj=CC(31)()()MAt1,()1)()1,;0LkKkklkkgz gllkkkgtIphbjRMNT=CC(32)()()MPt,()(1),()1,;0ggglz gl gLllzggcIphbjRMNT=CC(33)由此可知，根据 CCC 的理想相关特性，进入码元判决器的信号只包含有用信号和噪声，完全消除了多址干扰和多径干扰。3 仿真结果与分析 3.1 系统目标检测性能仿真 根据 CCC 的理想相关特性可知，使用 CCC 中不同子码扩频的 DFRC 系统可以在低信噪比的场景下对弱小的目标进行检测。但是 CCC 对多普勒频移非常敏感，只有在高频雷达系统中才可以保持目标检测性能，因为高频波段波长较长对多普勒敏感性比较低。然而本文提出的具有多普勒容忍性的串行时分CC-CDMA 雷达通信一体化系统可以克服CCC对多普勒频移敏感这一问题，因此该系统在高频波段和低频波段均可以完成对场景内多目标的检测。故设雷达的工作频率c1GHzf=，带宽10 MHzB=，采样率s10 Bf=,每位码元宽度c0.05sT=。本文考虑一个具有 6 个不同幅度的目标检测场景，各目标时延与多普勒值如表 1 所示。其中，目标 1、目标 2 和目标 3 为强目标，幅度为0 dB；目标 4、目标 5 和目标 6 为弱目标，幅度为 20 dB。为了检测系统检测目标的多普勒分辨率，设置目标 2和目标 3 的时延相同，仅能通过多普勒对两者进行区分。另外，设目标检测场景中包含一组零均值复高斯白噪声，SNR10 dB=。表 1 各目标时延与多普勒值 目标 时延/s 多普勒/rad 目标 1 112.4=1d1.3f=目标 2 217.2=2d0.8f=目标 3 317.2=3d1.2f=目标 4 412.7=4d0.5f=目标 5 58.4=5d1.9f=目标 6 621.4=6d2.3f=第 9 期 李玉博等：基于串行时分 CC-CDMA 的雷达通信一体化 135 第一次处理流程和第二次处理流程的目标检测场景仿真如图 6 所示。第一次处理中在发射端通过 GPTM 序列来调整不同时间片上的扩频顺序，接收端对接收到的信号用标准权重进行加权。从图6(a)可以发现，第一次处理的多普勒分辨率很高，且目标附近的距离旁瓣被较好地抑制了，目标能被较明显地分辨出来。但整个距离多普勒谱中仍存在许多旁瓣，将影响目标检测的性能，这就导致了弱目标4几乎被淹没在强目标1的旁瓣中难以被检测出来。第二次处理中发射端以标准的顺序对不同时间片上的信号进行扩频，接收端使用二项式系数对接收到的信号进行加权。从图 6(b)可以发现，第二次处理可以将旁瓣能量移到目标位置两侧沿着目标多普勒轴对称分布，在目标多普勒附近获得较大的清洁区域，该区域内旁瓣较低。因此，二项式设计法并没有抑制或减少旁瓣能量，而是对旁瓣能量的分布位置进行了调整。这种方法虽然可以对强目标附近的旁瓣进行有效的抑制，但是多普勒分辨率极低，这就使目标 2 和目标 3 无法被很好地区分。通过观察第一次处理和第二次处理得到的距离多普勒谱可知，目标的位置和幅度是相同的，但旁瓣的分布情况是不同的。将 2 次处理进行逐点最小化后，可以很好地将 2 次处理的优点结合起来。将图 7(a)与图 6(a)对比可知，距离旁瓣所在位置的幅度被明显减弱，旁瓣抑制性能得到了较好的改善。将图 7(b)与图 6(b)对比可知，各目标的多普勒分辨率均得到了显著提高。如图 7(a)所示，目标 4、目标 5 和目标 6 可以清晰地被区分，具有相同时延的强目标 2 和目标 3 也可以很好地被区分。接下来，按照上文提出的相似流程，仿真了使用 图 6 第一次处理流程和第二次处理流程的目标检测场景仿真 图 7 不同扩频码下的系统目标检测 136 通 信 学 报 第 44 卷 Wash 码扩频的 DFRC 系统。由于 Wash 码具有较差的自相关特性，且扩频序列的自相关性质和互相关性质都对模糊函数有一定的影响，因此其并不能保证良好的模糊函数。如图 7(b)所示，该系统并不能很好地区分各个目标的位置，无法进行有效的多目标检测。因此对比可知，基于 CCC 扩频的串行时分 CC-CDMA 的雷达通信一体化系统具有良好的目标检测性能。3.2 系统通信性能仿真 本节对本文所提系统的误码率及抗干扰能力进行仿真实验。仿真实验采用子码数为 4、码长为16 的CCC-(4,4,16)进行扩频，扩频因子 R=5；对比实验采用码长为64的Wash序列对雷达通信一体化系统进行扩频。在多径条件下，考虑系统具有 5 条多径衰落信道，其信道增益分别为 0.395、0.263、0.243、0.062、0.036。在多址条件下，考虑 4 个用户，每个用户发送的码元数为 10 240。仿真中把随机生成的 01 的 double 数转换成双极性码的1,1序列，作为发射的通信码元，信号采用 BPSK调制，系统中的保护间隔设置为0.4sGT=。图 8 和图 9 分别为使用 CCC 和 Wash 码对不同用户扩频时误码率随信噪比的变化曲线。由图 8和图 9 可知，2 种扩频方式的系统在多用户通信环境下的误码率曲线几乎重合，这是因为 CCC 和Wash 码都具有良好的互相关特性，在本文所提系统中均可以很好地区分每个用户发射的码元从而消除多址干扰。图 10 给出了在多径干扰和多址干扰共同作用下，本文所提系统在不同序列扩频时误码率随信噪比的变化，并且与文献17中所提出的基于并行频分CC-CDMA雷达通信一体化（CCC-MC-CDMA）系统的误码率进行对比。由图 10 可知，在 2 种干扰共同作用下，使用 CCC 扩频的串行时分系统的误码 图 8 使用 CCC 对不同用户扩频时误码率随信噪比的变化曲线 图 9 使用 Wash 码对不同用户扩频时误码率随信噪比的变化曲线 第 9 期 李玉博等：基于串行时分 CC-CDMA 的雷达通信一体化 137 率要远优于 Wash 码。这是因为扩频序列的自相关特性能够对抗多径干扰而 Wash 码具有较差的自相关性，系统中多径衰落信道对每个用户发送的信息产生一定的影响，从而导致较差的误码率。从图 10 中还可以看出，使用 CCC 扩频的并行频分系统的误码率要优于使用 Wash 码扩频的串行时分系统，但是相比于使用CCC扩频的串行时分系统的误码率性能要差一些。因此，本文所提系统可以很好地消除多径干扰和多址干扰，与 2.3 节给出的抗干扰特性的分析结论相吻合。图 10 多用户平均误码率对比曲线 4 结束语 本文提出了基于串行时分CC-CDMA的雷达通信一体化系统，并将其应用于多用户和多目标的场景。详细介绍了系统的接收端和发射端模型，并通过公式推导对其进行了性能分析。仿真结果表明，在多目标检测方面，相较于 Wash 码扩频的系统，本文所提系统可以使每个目标的附近具有一块面积较大的旁瓣清洁区域，并且具有很高的多普勒分辨率，可以有效分辨出场景中各个目标的位置。在信息传输方面，本文所提系统在多径和多址同时干扰下拥有更优的误码率。此外，基于串行时分的CC-CDMA 雷达通信一体化系统相较于并行频分的系统实现起来更加简单，单载波的形式可以减少很多不必要的资源开销。参考文献：1 KUMARI P,GONZALEZ-PRELCIC N,HEATH R W.Investigating the IEEE 802.11ad standard for millimeter wave automotive ra-darC/Proceedings of IEEE 82nd Vehicular Technology Conference.Piscataway:IEEE Press,2016:1-5.2 PAUL B,CHIRIYATH A R,BLISS D W.Survey of RF communica-tions and sensing convergence researchJ.IEEE Access,2016,5:252-270.3 LUONG N C,LU X,HOANG D T,et al.Radio resource management in joint radar and communication:a comprehensive surveyJ.IEEE Communications Surveys&Tutorials,2021,23(2):780-814.4 CHENG Z Y,HE Z S,LIAO B.Hybrid beamforming for mul-ti-carrier dual-function radar-communication 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