太赫茲感知通信一體化波形設(shè)計(jì)與信號(hào)處理

余顯斌，呂治東，李漣漪，Nazar Muhammad Idrees，張鹿

（1.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.之江實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121）

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與傳統(tǒng)的電子信息領(lǐng)域深度融合，催生出沉浸式體驗(yàn)、全息傳送、拓展現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等一系列新興業(yè)務(wù)[1]，這些新興業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)往往依賴(lài)于多種傳統(tǒng)的信息技術(shù)手段。業(yè)務(wù)量的增加本質(zhì)上是對(duì)帶寬資源需求的擴(kuò)張，而在頻譜擁塞問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，更好地推進(jìn)信息技術(shù)需要發(fā)展一體化技術(shù)。得益于先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，雷達(dá)感知和無(wú)線通信系統(tǒng)可以采用相似的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這使感知通信一體化成為可能[2]。該技術(shù)通過(guò)共享收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更有效、更緊湊的硬件設(shè)計(jì)，能夠顯著提升資源利用效率，因此受到了許多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注[3-4]。

同時(shí)，新興業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和頻譜資源需求壓力的緩解需要提高雷達(dá)和通信系統(tǒng)的載波頻率。太赫茲波段，即頻率在0.1～10 THz的電磁波，能夠提供幾十GHz的超大帶寬，可以滿(mǎn)足許多新興業(yè)務(wù)的帶寬需求[5]。近年來(lái)，研究人員開(kāi)展了很多有關(guān)太赫茲感知[6]與太赫茲通信[7]領(lǐng)域的研究，太赫茲波在感知方面能夠?qū)δ繕?biāo)的距離、速度進(jìn)行毫米級(jí)的高分辨率估計(jì)，在通信方面具有Tbit/s的超高速數(shù)據(jù)傳輸能力[8]；同時(shí)太赫茲波的波長(zhǎng)更小，能夠在相同尺寸內(nèi)集成更多的天線，更適合小型一體化部署。最近，得益于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，以及太赫茲波在一體化系統(tǒng)中的潛在優(yōu)勢(shì)，面向太赫茲頻段的感知通信一體化正成為下一個(gè)研究熱點(diǎn)[9-10]。

感知通信一體化作為提供感知互聯(lián)，兼具高智能化和高共享度的技術(shù)，是智慧家庭、智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，該領(lǐng)域的研究包括通信體系架構(gòu)、信息基礎(chǔ)理論、數(shù)字信號(hào)處理算法等[12]。發(fā)送端波形設(shè)計(jì)方面，雷達(dá)和通信波形通過(guò)時(shí)分復(fù)用[13]、頻分復(fù)用[14]、碼分復(fù)用[15]和空分復(fù)用[16]等方式可以實(shí)現(xiàn)功能的一體化，這類(lèi)波形往往實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但會(huì)產(chǎn)生額外的資源開(kāi)銷(xiāo)并造成探測(cè)盲區(qū)、通信和雷達(dá)信號(hào)相互干擾等問(wèn)題。另一類(lèi)波形設(shè)計(jì)的思路是直接設(shè)計(jì)一體化波形，按照應(yīng)用場(chǎng)景可分為面向感知的一體化波形[17]和面向通信的一體化波形[18]。這類(lèi)波形往往從已有的波形出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但可能無(wú)法滿(mǎn)足特定場(chǎng)景下的性能需求，可通過(guò)編碼增加波形自由度[10]或通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題設(shè)計(jì)新的波形以滿(mǎn)足某些約束條件[19-20]等手段改善波形性能。接收端信號(hào)處理方面，需要消除雷達(dá)和通信數(shù)據(jù)之間、不同用戶(hù)和不同系統(tǒng)之間的干擾，同時(shí)要考慮如何提升探測(cè)性能并降低誤碼率[21]。

太赫茲波與感知通信一體化技術(shù)的融合，被認(rèn)為是未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。與已有綜述研究工作相比[10,22-23]，本文從太赫茲頻段信號(hào)損傷嚴(yán)重、傳播衰減嚴(yán)重、通信容量和距離受限等問(wèn)題出發(fā)，對(duì)一體化波形設(shè)計(jì)和接收端信號(hào)處理等技術(shù)進(jìn)行分析。波形設(shè)計(jì)將分別從基于已有雷達(dá)波形、基于已有通信波形，以及感知-通信性能優(yōu)化等方面展開(kāi)討論。接收端信號(hào)處理主要考慮雷達(dá)和通信的信號(hào)恢復(fù)和干擾消除，以提升一體化系統(tǒng)性能。作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的例子，本文搭建了工作在97 GHz 頻段的16-QAM 正交頻分復(fù)用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)0.042 m的距離分辨率和0.79 m/s的速度分辨率，且通信誤碼率低于軟判決前向糾錯(cuò)（SD-FEC,soft-decision forward-error correction）閾值。最后簡(jiǎn)要分析了太赫茲頻段感知通信一體化技術(shù)發(fā)展面臨的技術(shù)難題和下一階段的主要研究方向。

1 面向感知的一體化波形設(shè)計(jì)

感知通信一體化的應(yīng)用場(chǎng)景之一是利用通信輔助感知服務(wù)，考慮到雷達(dá)是感知的一種主要形式，因此本文主要討論雷達(dá)感知，相關(guān)理論基本適用于其他感知場(chǎng)景。以雷達(dá)波形作為通信調(diào)制信號(hào)的載波，能夠在盡可能保證雷達(dá)性能的前提下實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)[24]。一般地，通信信息的調(diào)制會(huì)影響雷達(dá)波形的自相關(guān)特性[25]，同時(shí)會(huì)增大旁瓣功率[26]，由于現(xiàn)有太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)受限于功率，這種影響是極為顯著的，可通過(guò)編碼等策略，犧牲一定的傳輸效率獲得更好的模糊函數(shù)圖和主瓣旁瓣功率比。此外，單載波波形設(shè)計(jì)方案往往頻譜利用效率較低，不能夠滿(mǎn)足某些場(chǎng)景下對(duì)傳輸速率的需求，采用多載波傳輸可以改善上述問(wèn)題[27]。

1.1 基于現(xiàn)有雷達(dá)信號(hào)的波形設(shè)計(jì)

1.1.1單載波波形設(shè)計(jì)方案

線性調(diào)頻（LFM,linear frequency modulation）脈沖波形具有恒定包絡(luò)、高距離-多普勒分辨率等特性，在太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[6]?；诂F(xiàn)有雷達(dá)信號(hào)的波形設(shè)計(jì)主要以LFM信號(hào)為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)制或編碼加載通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)感知通信一體化。

文獻(xiàn)[28]將幅值鍵控（ASK,amplitude shift keying）與LFM 信號(hào)結(jié)合，然而ASK 調(diào)制嚴(yán)重破壞了LFM 信號(hào)的恒包絡(luò)特性，同時(shí)對(duì)信噪比要求較高。為獲得更好的一體化性能，文獻(xiàn)[29]將最小相位頻移鍵控（MSK,minimum frequency shift keying）信號(hào)調(diào)制到LFM 脈沖上。MSK-LFM 一體化波形產(chǎn)生框架如圖1 所示，差分編碼后的通信數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換（S/P,serial/parallel）得到同相（I,in-phase）和正交（Q,quadrature）信號(hào)，分別對(duì)兩路信號(hào)調(diào)制后再將其加載到LFM 載波上，相加得到MSK-LFM 波形。

圖1 MSK-LFM 一體化波形產(chǎn)生框架

實(shí)驗(yàn)表明，MSK-LFM 一體化信號(hào)不會(huì)造成距離-多普勒分辨率的損失，但會(huì)面臨功率泄露[30]、帶間干擾[31]等問(wèn)題。Chen 等[30]討論了雷達(dá)接收機(jī)帶寬近似于發(fā)射信號(hào)帶寬時(shí)，MSK-LFM 信號(hào)功率泄露與調(diào)制數(shù)據(jù)的關(guān)系，提出了犧牲一定信道容量以消除功率泄露的方法。Alabd 等[31]通過(guò)在LFM 信號(hào)的某一時(shí)間段上調(diào)制MSK 信號(hào)降低帶間干擾，相比于在整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間上調(diào)制，更能保證整體性能。

上述方法中的通信信號(hào)均來(lái)自低階調(diào)制，通信速率不高。為提高通信速率，文獻(xiàn)[32]將LFM 信號(hào)作為多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（QAM,quadrature amplitude modulation）信號(hào)的載波。仿真結(jié)果表明，當(dāng)通信信號(hào)滿(mǎn)足零均值條件時(shí)，MQAM-LFM 信號(hào)的模糊函數(shù)比LFM 信號(hào)更接近“圖釘形”。由于QAM 信號(hào)在一定程度上會(huì)影響LFM 信號(hào)的恒包絡(luò)特性，研究人員基于OFDM 提出將一系列頻率正交項(xiàng)作為L(zhǎng)FM 信號(hào)的相位[33-34]以提高通信速率。

將通信數(shù)據(jù)通過(guò)相移鍵控（PSK,phase shift keying）調(diào)制到LFM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)一體化的技術(shù)同樣受到研究人員的關(guān)注[35]。這是由于PSK-LFM 具有很好的恒包絡(luò)特性，能夠有效利用高功率放大器產(chǎn)生太赫茲一體化信號(hào)且不易造成非線性失真。文獻(xiàn)[34]結(jié)合減相位角PSK 和M 序列實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻相位離散，得到相關(guān)特性好的一體化波形。文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)了基于連續(xù)相位調(diào)制（CPM,continues phase modulation）的CPM-LFM 信號(hào)，解決因PSK-LFM 相位不連續(xù)所導(dǎo)致的頻譜效率降低問(wèn)題。此外，Sahin 等[36]在CPM-LFM 每個(gè)符號(hào)內(nèi)部調(diào)制通信信號(hào)以提高通信速率，但這種方法會(huì)造成主瓣旁瓣功率比下降。文獻(xiàn)[37-38]分別采用低密度奇偶檢驗(yàn)碼和預(yù)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)CPM-LFM 一體化波形，進(jìn)一步提高了頻譜利用率。

1.1.2多載波波形設(shè)計(jì)方案

上述單載波波形設(shè)計(jì)方案難以在兼顧感知性能的同時(shí)獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率和頻帶利用率，在新型汽車(chē)?yán)走_(dá)[39]等對(duì)傳輸速率和頻譜效率要求較高的場(chǎng)景下，可采用多載波設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[40]提出了一種基于步進(jìn)頻率（SF,stepped frequency）的一體化波形。SF 信號(hào)易于產(chǎn)生，可以提供大帶寬和高分辨率[41]，但可用參數(shù)缺少隨機(jī)性，且難以保證雷達(dá)性能不受通信數(shù)據(jù)的影響[42]。為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[43]通過(guò)引入偽隨機(jī)序列，提高頻譜利用效率、降低設(shè)備間干擾。

另一類(lèi)多載波波形設(shè)計(jì)方案是利用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換（FrFT,fractional Fourier transform）。FrFT將信號(hào)表示為L(zhǎng)FM 信號(hào)的代數(shù)和，在目標(biāo)檢測(cè)[44]、成像[45]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FrFT 一體化信號(hào)產(chǎn)生框架如圖2 所示。文獻(xiàn)[46]利用FrFT 產(chǎn)生一系列偽正交子載波實(shí)現(xiàn)多載波傳輸，通過(guò)加入保護(hù)序列和交織解決信道間干擾（ICI,inter-channel interference），設(shè)計(jì)自適應(yīng)子載波持續(xù)時(shí)間算法提高頻帶利用率。文獻(xiàn)[46]提出的波形與LFM 信號(hào)具有相近的探測(cè)概率和虛警概率，雖然存在輕微的分辨率損失，但通信性能與OFDM 相當(dāng)。文獻(xiàn)[47]通過(guò)將特定階的FrFT 分給指定的用戶(hù)實(shí)現(xiàn)了多信宿通信。

圖2 FrFT 一體化信號(hào)產(chǎn)生框架

1.2 感知性能優(yōu)化的波形設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)的一體化波形性能受限于波形體制、調(diào)制方式等，一般只能在某一個(gè)指標(biāo)上取得較好的效果，而在以感知為主的應(yīng)用場(chǎng)景下，需要兼顧雷達(dá)接收端信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR,signal to interference plus noise ratio）[48]、雷達(dá)互信息（MI,mutual information）[49]、信號(hào)截獲概率[50]、克拉美羅下界（CRLB,Cramér-Rao lower bound）[51]等指標(biāo)。這類(lèi)問(wèn)題常通過(guò)最優(yōu)化理論進(jìn)行建模，其關(guān)鍵在于目標(biāo)函數(shù)和約束條件的選擇，以及優(yōu)化問(wèn)題的求解。

文獻(xiàn)[48]以接收信號(hào)SINR 以及目標(biāo)沖激響應(yīng)和接收信號(hào)的MI 作為目標(biāo)函數(shù)，把發(fā)射信號(hào)功率和通信信道容量作為約束條件設(shè)計(jì)一體化波形，但求解復(fù)雜度較高。為提高計(jì)算效率，Kang 等[52]采用分步求解的方式，首先在雷達(dá)功率的約束條件下最小化SINR 并求得最優(yōu)解，再以該解為起點(diǎn)搜索滿(mǎn)足信道容量約束的解，實(shí)現(xiàn)了更低的計(jì)算復(fù)雜度。

雷達(dá)發(fā)射功率是影響太赫茲感知通信一體化系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵指標(biāo)。文獻(xiàn)[50]考慮在信號(hào)雜波和高斯噪聲的影響下獲得低截獲概率，給定可接受的SINR 閾值并最小化發(fā)射功率。上述工作是基于系統(tǒng)能夠獲得目標(biāo)精確譜的假設(shè)，Shi 等[53]假設(shè)系統(tǒng)不能獲得目標(biāo)的精確譜，以MI 和信道容量為約束條件，考慮目標(biāo)對(duì)通信信號(hào)的不同散射強(qiáng)度，優(yōu)化波形以達(dá)到最小化最壞情況雷達(dá)發(fā)射功率。

CRLB 與信道容量相對(duì)應(yīng)，可以表征雷達(dá)系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[54]討論了雷達(dá)目標(biāo)定位的費(fèi)歇耳信息矩陣（FIM,Fisher information matrix）和CRLB。Liu 等[51]以最小化CRLB 為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)保證每個(gè)用戶(hù)具有預(yù)定義的SINR。對(duì)于單用戶(hù)場(chǎng)景，文獻(xiàn)[51]推導(dǎo)了點(diǎn)目標(biāo)和拓展目標(biāo)的最優(yōu)閉式解；對(duì)于多用戶(hù)場(chǎng)景，利用半定松弛方法將其轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃，并證明了解的存在性。

2 面向通信的一體化波形設(shè)計(jì)

除了面向感知的一體化波形設(shè)計(jì)研究之外，許多場(chǎng)景也需要實(shí)現(xiàn)以通信為主、感知為輔的功能。目前此方向的研究大多是基于OFDM 波形，或者在OFDM 基礎(chǔ)上做出一定的改進(jìn)。在一定雷達(dá)功能約束的條件下，如何設(shè)計(jì)波形來(lái)優(yōu)化太赫茲一體化系統(tǒng)的頻帶利用率、通信速率、信號(hào)與干擾加噪聲比等通信性能，在以通信為主的場(chǎng)景下至關(guān)重要。

2.1 基于現(xiàn)有通信信號(hào)的波形設(shè)計(jì)

2.1.1基于傳統(tǒng)正交頻分復(fù)用波形

OFDM 憑借其抗多徑衰落、調(diào)制效率高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于太赫茲通信領(lǐng)域，成為太赫茲雷達(dá)通信一體化共用波形的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)之一[55]。

文獻(xiàn)[55]提出基于OFDM的一體化系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)回波通信信息進(jìn)行補(bǔ)償和解相干處理，并利用子空間投影，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離和速度聯(lián)合高分辨率估計(jì)。文獻(xiàn)[56]通過(guò)動(dòng)態(tài)星座擴(kuò)展，調(diào)整星座點(diǎn)位置，以減小相同相位出現(xiàn)的概率，降低OFDM 峰均比。此外，文獻(xiàn)[57]采用混沌相位編碼調(diào)制方式，從混沌序列中獲取相位碼，實(shí)現(xiàn)了較低水平的峰值平均包絡(luò)功率比和較低的旁瓣電平，同時(shí)保持了較高的雷達(dá)分辨率和抗干擾能力。由于不同子載波上的隨機(jī)通信信息會(huì)影響模糊函數(shù)，從而降低感知性能，文獻(xiàn)[58]提出通過(guò)預(yù)調(diào)制的方式保證不同通道間通信信息的良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，從而削弱了通信對(duì)于感知的影響。

OFDM 在通信和雷達(dá)中有不同的狀態(tài)，一般在通信中是連續(xù)的，在雷達(dá)中是不連續(xù)的脈沖狀，所以在OFDM 通信雷達(dá)一體化系統(tǒng)中對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間的距離有很高的要求。多輸入多輸出（MIMO,multiple-input multiple-output）天線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在分集增益、自由度和通信速率等方面都有良好的表現(xiàn)，同時(shí)太赫茲頻段的波長(zhǎng)更短，在相同設(shè)備尺寸下能夠集成更多的天線，有潛力充分發(fā)揮MIMO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，太赫茲M(mǎn)IMO OFDM 越來(lái)越多地被應(yīng)用于通信感知一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[59-61]。

基于MIMO 和OFDM 融合的一體化系統(tǒng)在文獻(xiàn)[62]中初步實(shí)現(xiàn)，利用MIMO 雷達(dá)發(fā)射的波束主瓣進(jìn)行目標(biāo)感知、利用副瓣強(qiáng)度進(jìn)行通信，相當(dāng)于幅度調(diào)制。此外，文獻(xiàn)[63]用不同的加權(quán)向量實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。在上述2 種一體化系統(tǒng)中，一個(gè)通信符號(hào)由若干雷達(dá)脈沖表示，所以通信速率較低，且只能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的測(cè)距功能。為保證不同天線間的正交性，文獻(xiàn)[64]設(shè)計(jì)了多天線步進(jìn)頻率OFDM 通信信號(hào)，并提出了感知目標(biāo)距離和角度的精估計(jì)算法。MIMO OFDM 一體化系統(tǒng)中保證不同天線間的正交性是必不可少的；文獻(xiàn)[65]中通過(guò)對(duì)時(shí)頻塊資源的隨機(jī)選取，保證同頻帶不同天線間的正交性。在與太赫茲技術(shù)結(jié)合方面，Yuan 等[59]基于寬帶太赫茲信道模型，設(shè)計(jì)了一種考慮各子載波信道狀態(tài)信息的碼本搜索算法，該算法在接收信號(hào)微弱的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更低的計(jì)算復(fù)雜度。

2.1.2基于改進(jìn)的正交頻分復(fù)用波形

恒包絡(luò)正交頻分復(fù)用（CE-OFDM,constant envelope-orthogonal frequency division multiplexing）就是在恒包絡(luò)信號(hào)的相位中植入OFDM 信號(hào)，在接收端可以通過(guò)接收信號(hào)相位提取到通信數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[66]表明CE-OFDM 波形可以改善由傳統(tǒng)OFDM帶來(lái)的峰值平均功率比高、高功率放大器出現(xiàn)非線性失真等問(wèn)題，提出的一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多徑信道中的高速率數(shù)據(jù)傳輸，并且具有較高的檢測(cè)分辨率。

MIMO OFDM 太赫茲通信雷達(dá)一體化系統(tǒng)中，為保證較高方位分辨率，要求波形具有恒定包絡(luò)且正交。文獻(xiàn)[67]提出將發(fā)射信號(hào)經(jīng)OFDM 調(diào)制，然后與線性調(diào)頻信號(hào)混頻后到達(dá)發(fā)射天線；接收端采用與發(fā)射端相同的信號(hào)進(jìn)行混頻，然后通過(guò)快速傅里葉變換（FFT,fast Fourier transform）處理和解星座獲得數(shù)據(jù)，其信號(hào)處理流程如圖3 所示。但雷達(dá)需要對(duì)整個(gè)一體化信號(hào)進(jìn)行匹配處理，然而調(diào)制數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會(huì)對(duì)模糊函數(shù)性能造成影響，文獻(xiàn)[67]通過(guò)平均模糊函數(shù)對(duì)損失的雷達(dá)性能做出了評(píng)估。該方法要求OFDM 載波間隔等于線性調(diào)頻信號(hào)帶寬，由于調(diào)頻連續(xù)波的頻譜并不發(fā)生重疊，因此頻譜利用率很低，需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖3 OFDM 一體化信號(hào)處理流程

文獻(xiàn)[68]提出了多斜率鍵控調(diào)制的調(diào)頻連續(xù)波一體化系統(tǒng)，感知的目標(biāo)信息由差拍處理后的頻率值來(lái)獲得，目標(biāo)速度由相鄰脈沖相位差進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)不同斜率的相關(guān)處理解調(diào)得到通信數(shù)據(jù)。正交啁啾分復(fù)用（OCDM,orthogonal Chirp division multiplexing）類(lèi)似于OFDM，將不同的Chirp 信號(hào)進(jìn)行復(fù)用，不同的是OFDM 以傅里葉變換為基礎(chǔ)，OCDM 以菲涅爾變換為基礎(chǔ)，通過(guò)比較2 個(gè)變換的核心公式可以得到，OCDM 系統(tǒng)可以在OFDM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加2 個(gè)附加相位模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)[69]。OCDM 系統(tǒng)原理如圖4 所示，其中θi(i=1,2)為菲涅爾變換相比于傅里葉變換的附加相位矩陣，θi-1(i=1,2)為對(duì)應(yīng)的逆矩陣。

圖4 OCDM 系統(tǒng)原理

文獻(xiàn)[70]提出的OCDM通信雷達(dá)一體化系統(tǒng)是復(fù)用方式的一體化，可以進(jìn)行通信數(shù)據(jù)獲取和雷達(dá)圖像生成，與傳統(tǒng)OFDM 一體化系統(tǒng)相比，有更低的誤碼率值，但計(jì)算復(fù)雜度要求和旁瓣電平更高。文獻(xiàn)[69]分析了能夠提高雷達(dá)分辨率精度的周期圖和多信號(hào)分類(lèi)（MUSIC,multi-signal classification）雷達(dá)信號(hào)處理算法，OCDM 感知通信一體化復(fù)用系統(tǒng)信號(hào)處理過(guò)程如圖5所示。仿真結(jié)果證明，MUSIC更適合于高信噪比場(chǎng)景，而周期圖方法更適用于太赫茲系統(tǒng)的低信噪比場(chǎng)景。

圖5 OCDM 感知通信一體化復(fù)用系統(tǒng)信號(hào)處理過(guò)程

2.2 通信性能優(yōu)化的波形設(shè)計(jì)

雷達(dá)和通信系統(tǒng)之間共享頻譜資源是解決頻譜擁塞的一個(gè)重要方法。上文所述CE-OFDM 一體化波形可以改善傳統(tǒng)OFDM 峰均比過(guò)大的問(wèn)題，但其通常以犧牲頻譜資源為前提。所以在保證感知功能的前提下，如何提高頻譜資源成為一體化波形設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。文獻(xiàn)[68]中調(diào)制斜率的改變會(huì)導(dǎo)致信號(hào)帶寬改變，損失系統(tǒng)頻帶利用率。文獻(xiàn)[71]中通過(guò)相位調(diào)制以及相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，對(duì)信號(hào)峰均比和頻譜效率進(jìn)行折中處理，分析了調(diào)制指數(shù)對(duì)2 個(gè)性能指標(biāo)的影響。文獻(xiàn)[72]提出通過(guò)干擾對(duì)齊預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)系統(tǒng)和多通信系統(tǒng)之間的頻譜共享。

SINR 作為通信系統(tǒng)中重要的技術(shù)指標(biāo)，也是通信雷達(dá)一體化設(shè)計(jì)中優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[73]通過(guò)預(yù)編碼技術(shù)最大化SINR；文獻(xiàn)[74]在MIMO通信雷達(dá)一體化系統(tǒng)中利用交替迭代算法實(shí)現(xiàn)SINR 最大化，其中通信運(yùn)用隨機(jī)單位波形矩陣處理信號(hào)，雷達(dá)運(yùn)用欠奈奎斯特采樣矩陣處理信號(hào)。為解決優(yōu)化過(guò)程中出現(xiàn)的非凸問(wèn)題，文獻(xiàn)[75]采用深度學(xué)習(xí)和半正定規(guī)劃方法設(shè)計(jì)恒模 MIMO OFDM 波形，該波形能夠在低信噪比條件下得到更高的SINR。

通信速率也是衡量通信質(zhì)量的重要指標(biāo)，文獻(xiàn)[76]采用雷達(dá)回波輔助波束成形，相比傳統(tǒng)的基于純通信協(xié)議的波束跟蹤，能夠大幅減少導(dǎo)頻的影響，提升通信速率。文獻(xiàn)[77]開(kāi)發(fā)的共用雷達(dá)波形，實(shí)現(xiàn)了較大的頻譜利用率和通信速率。文獻(xiàn)[78]在文獻(xiàn)[77]的基礎(chǔ)之上采用連續(xù)頻譜算法，在提高波形設(shè)計(jì)計(jì)算效率的同時(shí)，使最優(yōu)通信速率大幅提升。文獻(xiàn)[79]通過(guò)復(fù)合速率衡量一體化系統(tǒng)中的通信性能，復(fù)合速率反映雷達(dá)產(chǎn)生干擾的間歇性，在雷達(dá)SINR的約束下設(shè)計(jì)雷達(dá)波形和通信系統(tǒng)編碼矩陣實(shí)現(xiàn)復(fù)合速率最大化。太赫茲M(mǎn)IMO OFDM 具有明顯的波束斜視效應(yīng)，即不同的子載波傳播方向不同，采用傳統(tǒng)的編碼技術(shù)會(huì)造成嚴(yán)重的增益損耗[60-61]。文獻(xiàn)[60]設(shè)計(jì)了稀疏天線結(jié)構(gòu)以及模擬/數(shù)字混合預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)通信速率最大化。文獻(xiàn)[61]驗(yàn)證了在波束斜視效應(yīng)下傳統(tǒng)的空間稀疏預(yù)編碼性能下降，提出利用基向量逼近最優(yōu)預(yù)編碼/組合器，以減輕波束斜視效應(yīng)。

3 接收端信號(hào)處理技術(shù)

3.1 通信信號(hào)接收處理技術(shù)

在本文討論的一體化波形共用的場(chǎng)景中，接收端雷達(dá)回波和通信信號(hào)共存，接收機(jī)需要對(duì)同時(shí)接收到的雷達(dá)回波和通信信號(hào)進(jìn)行分離，并且在通信接收端需要抑制雷達(dá)回波的干擾，從而降低通信接收端的誤碼率。根據(jù)雷達(dá)和通信系統(tǒng)是否共享相對(duì)位置、傳輸波形和信道狀態(tài)等信息，可以將通信接收端分為協(xié)作和非協(xié)作2 種模式。

針對(duì)協(xié)作模式，雷達(dá)干擾是高幅度窄脈沖的周期性干擾，所以可以將這種情況下的雷達(dá)干擾看作加性信號(hào)。文獻(xiàn)[80]基于單載波系統(tǒng)，研究雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)通信接收機(jī)性能的影響，并進(jìn)一步考慮了脈沖干擾相位的不確定性，設(shè)計(jì)的二維信號(hào)星座能夠更好地處理未知雷達(dá)干擾，在不同的條件約束下實(shí)現(xiàn)了傳輸速率最大化、誤碼率最小化。文中驗(yàn)證了低功率雷達(dá)干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)的星座趨向于同心六邊形，高功率情況下趨向于非等間距脈沖幅度調(diào)制（PAM,pulse amplitude modulation）形狀，而中等功率情況下介于二者之間。這些結(jié)果的發(fā)現(xiàn)對(duì)通信雷達(dá)的協(xié)同有重要作用。

針對(duì)非協(xié)作模式，文獻(xiàn)[73]基于多未知雷達(dá)干擾通信接收端的模型，提出基于壓縮感知和原子范數(shù)約束的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了在雷達(dá)信號(hào)稀疏情況下，恢復(fù)通信原始信號(hào)并消除雷達(dá)干擾的目的。文獻(xiàn)[73]還提出了聯(lián)合波形估計(jì)和解調(diào)的2 種算法，分別基于并網(wǎng)壓縮感知技術(shù)和壓縮感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更好的誤碼率性能。文獻(xiàn)[81]介紹的2 種算法利用了干擾的適當(dāng)表示以及包含了數(shù)據(jù)塊誤差的向量的稀疏性，同樣提高了通信性能。

同時(shí)，通信速率提升要求接收機(jī)性能的提升，為應(yīng)對(duì)太赫茲一體化信號(hào)特別是高階調(diào)制信號(hào)在產(chǎn)生和傳輸中的信號(hào)損傷，通信信號(hào)的接收需要精度更高、失真更小的數(shù)字估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)，以克服信號(hào)畸變，提升傳輸性能。常用數(shù)字下變頻、I/Q補(bǔ)償、信道均衡、載波信號(hào)恢復(fù)算法鏈實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字接收[7,82]。

3.2 雷達(dá)信號(hào)接收處理技術(shù)

雷達(dá)接收端常通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理方法降低通信信號(hào)和各類(lèi)雜波干擾對(duì)感知性能的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)目標(biāo)參數(shù)的高分辨估計(jì)。

降低干擾方面，雷達(dá)接收端的干擾主要包括一體化波形中的通信信息、其他一體化系統(tǒng)的干擾以及傳輸過(guò)程中的各類(lèi)雜波。文獻(xiàn)[81]將雜波視為加性噪聲，討論了雜波干擾對(duì)雷達(dá)估計(jì)速率的影響。文獻(xiàn)[83]采用相關(guān)接收機(jī)近似發(fā)射信號(hào)以去除雜波，顯著降低了噪聲水平。同時(shí)，也有很多針對(duì)多用戶(hù)[47]和多系統(tǒng)[84]場(chǎng)景下降低干擾的研究。上述討論是基于干擾強(qiáng)度低于信號(hào)強(qiáng)度的情形，當(dāng)干擾信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí)，傳統(tǒng)的濾波算法存在信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)[84]，可用CLEAN 算法和匹配追蹤等貪心算法，通過(guò)投影、迭代的方式消除干擾分量，當(dāng)干擾在時(shí)域、頻域或空域滿(mǎn)足稀疏條件時(shí)，能夠十分有效地去除干擾[85-86]。此外，交叉方向乘子法（ADMM,alternating direction method of multipliers）在SF 雷達(dá)超分辨干擾去除中效果顯著，Johnston 等[87]討論了MPSK-SF 一體化波形干擾去除問(wèn)題，基于機(jī)器學(xué)習(xí)思想設(shè)計(jì)了ADMM 網(wǎng)絡(luò)。ADMM 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流如圖6 所示，其中y表示輸入序列，Uk表示雙更新層，Xk表示重建層，Ξk表示松弛層，Zk表示非線性變換層，k=1,2,…,K，x表示輸出序列。該網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的ADMM迭代算法展開(kāi)為一系列神經(jīng)層，利用已有數(shù)據(jù)和基于梯度的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)和超參數(shù)進(jìn)行更新，結(jié)果表明，其計(jì)算誤差和成本明顯低于傳統(tǒng)ADMM 算法。

圖6 ADMM 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流

目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方面，文獻(xiàn)[88]考慮多普勒頻移較低的情形，選擇OFDM 一體化波形的部分子載頻進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)時(shí)延和多普勒估計(jì)。文獻(xiàn)[89]證明了基于FFT的脈沖壓縮方法與匹配濾波等效，有效地提取目標(biāo)的距離和速度信息。為進(jìn)一步提高分辨率，文獻(xiàn)[55]將接收回波投影到子空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)參數(shù)的超分辨估計(jì)?；跀?shù)據(jù)符號(hào)的圓周相關(guān)能夠有效抑制模糊函數(shù)、拓展雷達(dá)探測(cè)距離[90]，Mercier 等[91]討論了接收端常用提高探測(cè)性能的各類(lèi)濾波器，結(jié)果表明基于圓周相關(guān)的濾波器總體表現(xiàn)更好。將機(jī)器學(xué)習(xí)方法用于一體化系統(tǒng)的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)也受到研究人員的關(guān)注[92-93]，這類(lèi)方法能夠有效降低太赫茲傳輸中面臨的信號(hào)損傷、非線性干擾等問(wèn)題，但往往對(duì)信噪比有一定的要求。文獻(xiàn)[92]將分層深度學(xué)習(xí)的方案用于一體化信號(hào)識(shí)別與處理，接收信號(hào)經(jīng)傅里葉同步壓縮變換（FSST,Fourier synchro-squeezing transformation）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN,convolutional neural network）處理后，能夠提取OFDM 波形的前綴長(zhǎng)度、子載波數(shù)、子載波間隔等參數(shù)。文獻(xiàn)[93]利用殘差注意力多尺度累積卷積網(wǎng)絡(luò)（RamNet,residual attention multiscale accumulation convolutional network）提取更豐富的一體化信號(hào)特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RamNet 能夠在嚴(yán)重信道損傷的情況下識(shí)別波形參數(shù)，更適合在太赫茲一體化系統(tǒng)中應(yīng)用。Wu 等[94]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)多任務(wù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功率接收機(jī)用于目標(biāo)參數(shù)估計(jì)，該接收機(jī)能夠有效降低太赫茲一體化系統(tǒng)的非線性噪聲。

4 感知通信一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)展示一種97 GHz 基于OFDM 信號(hào)的感知通信一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.042 m的距離分辨率和0.79 m/s的速度分辨率，通過(guò)16-QAM 加載通信數(shù)據(jù)，在8.08 Gbit/s的傳輸速率下，實(shí)現(xiàn)了低于SD-FEC 閾值的誤碼率。該一體化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)為下一步太赫茲頻段一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了思路。

OFDM 一體化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理如圖7 所示，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。對(duì)16-QAM OFDM 基帶波形進(jìn)行上采樣后通過(guò)I/Q 混頻器得到3 GHz的中頻信號(hào)，之后將中頻信號(hào)輸入120 GSa/s 采樣率的任意波形發(fā)生器（AWG,arbitrary waveform generator）。在輻射到自由空間前，利用W 波段混頻器與94 GHz信號(hào)混頻得到97 GHz的信號(hào)，通過(guò)20 dB 增益的W 波段放大器將信號(hào)功率抬升到0 附近。收發(fā)端采用一對(duì)增益為30 dBi的錐形喇叭天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輻射與接收。接收天線接收到的回波使用與發(fā)送端相同的W 波段混頻器降至中頻，對(duì)數(shù)字采樣示波器（DSO,digital sampling oscilloscope）按照16 GSa/s采樣率得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行重采樣、I/Q 混頻處理，得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)或通信數(shù)據(jù)，采用插入導(dǎo)頻的方式在頻域進(jìn)行信道估計(jì)，利用信道矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離和速度的估計(jì)。

表1 OFDM 一體化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖7 OFDM 一體化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理

雷達(dá)感知性能測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，其中圖8(a)為單一靜止目標(biāo)測(cè)試結(jié)果，圖8(b)為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止目標(biāo)同時(shí)測(cè)試結(jié)果。將目標(biāo)放置在距天線0.605 m 處得到圖8(a)所示的測(cè)試結(jié)果，其中T1為目標(biāo)的真實(shí)距離像，T2和T3分別由目標(biāo)的二次反射和墻壁反射產(chǎn)生。通過(guò)傳送帶讓目標(biāo)（0.015 m×0.02 m）以5 m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)得到圖8(b)所示的結(jié)果，由于接收端使用混頻器同時(shí)產(chǎn)生了正負(fù)邊帶，因此出現(xiàn)了T4和T5這2 個(gè)對(duì)稱(chēng)的速度像，可通過(guò)使用W 波段I/Q 調(diào)制器或外加濾波器消除運(yùn)動(dòng)方向的不確定性。

圖8 雷達(dá)感知性能測(cè)試結(jié)果

歸一化信號(hào)頻譜與通信接收端星座圖如圖9 所示，其中深色代表收發(fā)端相距0.6 m 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，淺色代表不考慮實(shí)驗(yàn)空間墻體反射影響的仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在8.08 Gbit/s 比特率下的誤碼率為0.01，低于SD-FEC的閾值1.5×10-2，而在沒(méi)有背景反射的情形下，仿真誤碼率能夠達(dá)到3.6×10-4。

圖9 歸一化信號(hào)頻譜與通信接收端星座圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了近些年感知通信一體化的研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注波形設(shè)計(jì)和接收端信號(hào)處理技術(shù)；分別基于感知和通信2 個(gè)方面，闡述了國(guó)內(nèi)外一體化波形的典型設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案；從提高一體化整體性能出發(fā)，介紹了雷達(dá)和通信接收端信號(hào)處理技術(shù)；最后展示了一種97 GHz 基于OFDM 信號(hào)的一體化系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

感知通信一體化系統(tǒng)的研究正在不斷地向前推進(jìn)，結(jié)合在不同領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用情況，未來(lái)的感知通信一體化系統(tǒng)具有以下發(fā)展趨勢(shì)。

1) 工作頻段向更高頻段發(fā)展。典型地，太赫茲波具有豐富的帶寬資源，支持Tbit/s的通信速率，被認(rèn)為是6G 重要的備選方案，同時(shí)支持毫米級(jí)分辨率成像，能更有效地服務(wù)于未來(lái)感知通信一體化功能。

2) 單功能向多功能轉(zhuǎn)變。過(guò)去對(duì)于一體化系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要集中在大容量高速通信、距離和速度感知。未來(lái)研究將在優(yōu)化已有功能的基礎(chǔ)上，增加更多功能，如角度感知、隱蔽性通信等。

3) 融合度不斷提高。一體化波形設(shè)計(jì)工作將由復(fù)用波形設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向共用波形設(shè)計(jì)，同時(shí)在接收端，雷達(dá)回波處理過(guò)程和通信信號(hào)處理過(guò)程也需要融合，進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)資源。

4) 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法。在干擾中正確分離雷達(dá)回波信號(hào)和通信信號(hào)是保證一體化系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。機(jī)器學(xué)習(xí)可以統(tǒng)計(jì)雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)特性上的不同，進(jìn)行準(zhǔn)確分類(lèi)，從而更好地從干擾中分離信號(hào)。

綜合相關(guān)研究進(jìn)展可以看出，在感知通信一體化領(lǐng)域，尤其在太赫茲頻段，仍然存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)亟待解決。

1) 太赫茲頻段自身的技術(shù)難點(diǎn)。由于各類(lèi)噪聲和分子吸收效應(yīng)，太赫茲信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的路徑損耗和傳播損傷，此外，太赫茲信號(hào)還面臨著波束斜視效應(yīng)明顯等問(wèn)題。表2 展示了太赫茲感知通信一體化的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和典型解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 太赫茲感知通信一體化的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

2) 雷達(dá)和通信之間干擾嚴(yán)重。雷達(dá)回波和通信信號(hào)共享頻譜，接收端在已知通信信號(hào)模型時(shí)可以較好地分離出感知信息，但當(dāng)通信信息模糊時(shí)，就會(huì)造成相互干擾。同時(shí)，在一體化系統(tǒng)中處理通信信號(hào)會(huì)面臨頻譜擴(kuò)展的問(wèn)題，當(dāng)擴(kuò)展的頻譜超過(guò)雷達(dá)帶寬時(shí)，會(huì)對(duì)帶寬之外的其他用戶(hù)造成干擾。

3)“不失真”的矛盾。雷達(dá)是對(duì)信道信息的探測(cè)，通信是對(duì)信源信息的探測(cè)，都有“最大化”且“不失真”獲取信息的要求。通信和雷達(dá)都可以通過(guò)提高信噪比和帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化。但在不失真方面，雷達(dá)要求模糊函數(shù)的旁瓣低，否則高旁瓣和偽峰都會(huì)造成感知虛假目標(biāo)，而通信為標(biāo)定或補(bǔ)償信道，常常在通信信號(hào)中加入導(dǎo)頻、循環(huán)前綴等信號(hào)，導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多的偽峰。

4) 一體化性能評(píng)估的基礎(chǔ)研究。在以往一體化系統(tǒng)的研究中，對(duì)雷達(dá)和通信系統(tǒng)分別采用不同的指標(biāo)評(píng)估系統(tǒng)性能，目前雖然有工作在研究一體化評(píng)估指標(biāo)，如復(fù)合速率，以期兼顧兩方面的功能，但這類(lèi)一體化指標(biāo)與檢測(cè)概率、均方誤差等常用指標(biāo)之間的關(guān)系并不明確，需要進(jìn)一步研究。

隨著社會(huì)信息化程度的不斷深化，感知通信一體化程度必將越來(lái)越高，功能也越來(lái)越豐富，未來(lái)有望得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮重要作用。