基于波形共用机制的雷达通信一体化研究进展

杨 超，张逸格，郑 霖

(桂林电子科技大学 广西认知无线电与信息处理重点实验室，广西 桂林 541004)

0 引言

由于未来电子对抗平台需要配备多种电子设备，但装备的体积、质量以及电磁兼容等问题往往难以满足实际应用需求。为此，多功能的一体化系统成为一种有效的解决途径。

最早的雷达-通信一体化系统出现于 1978年美国航空航天局(NASA)空间轨道飞行器，随后还有多功能射频综合系统AMRFC、具有信号处理模块共享机制的“宝石柱” “宝石台”以及海军集成桅杆技术计划等。近几年国外的一体化系统开发项目仍在继续，如2018美国国防高级研究计划局DARPA和洛马公司臭鼬工厂共同开展了“体系集成技术与实验”项目研发[1]，旨在基于信息系统的作战体系将侦查、探测、通信、干扰、打击及评估等各种作战单元进行无缝连接，以及为了增强单兵便携式多功能装备性能和多兵种协同作战的能力。2018年美国陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心发布的“未来士兵”研发板块[2]，介绍了未来单兵装备将具备环境势态感知、健康状态监控、人车/人与无人机的交互控制以及协同编队作战等功能。

早期的多功能一体化系统理念主要停留在设备层面上的集成，不同系统仍占据不同的频段资源。而随着信息化时代的发展，频谱资源越来越紧张，多个国家都在促进多系统多业务频率共享机制的发展。从电视白频谱到2.3 GHz、3.5 GHz频段的多种业务动态共享模式表明了各国对提高频谱资源利用率的迫切需求。我国为了推动频率共享机制的发展，也出台了相应的有力政策，如2013年的“宽带中国”战略中就明确了将2 300～2 400 MHz频段的雷达和移动通信频谱进行共享。因此，为了降低频谱资源的开销，波形共用机制下的雷达通信一体化波形设计研究成为近几年的热点。

本文首先阐述了基于维度复用的一体化波形设计存在的问题以及不同维度复用方式的优劣；然后详细介绍了两种主流波形体制的一体化波形设计，以及基于信息论的不同雷达性能评价指标下的一体化波形设计思路及研究进展；最后讨论了当前一体化波形存在的问题以及展望未来一体化系统发展方向。

1 基于维度复用的一体化波形设计

基于维度复用的一体化波形设计，即在时、频、码或空间纬度上利用不同正交资源加载不同功能的方式，如时分、频分、码分和空分(近几年)，该方式类似于通信系统里的多址方式。

不同维度复用方式的雷达通信一体化波形设计各具优缺点，表1列出了4种复用方式的优劣对比。

表1 不同维度复用的一体化波形设计对比

基于维度复用的一体化波形，并没有提高资源的利用率。若把时频码空四维看成一个四维资源块的话，这些方式只是通过划分资源块进行功能划分，仍存在资源竞争的关系。

2 基于现有体制的一体化共用波形设计

共用波形的一体化设计思路是采用相同波形并能够同时完成雷达和通信功能，所以并不存在资源竞争的问题。虽然共用波形信号可共用各维度资源，但是通信调制信息的随机性会对雷达系统的性能造成损失。

2.1 基于OFDM的共用波形设计

近几年由于调制效率高且抗多径衰落，使得OFDM信号在通信领域得到广泛应用。因此，不少学者试图在OFDM信号基础上设计适用于雷达通信一体化的波形，主要研究可分为两大类：OFDM和具有恒包络的CE-OFDM的一体化波形。

2.1.1 基于常规OFDM的一体化波形设计

在OFDM一体化波形设计中，文献[31]将多个OFDM符号作为一个一体化信号，通过调节多个符号的相位来优化OFDM的模糊函数，为此提出了基于多频互补相位编码的OFDM雷达信号，但通信信息只能通过对OFDM符号整体加载相位调制。随后，文献[32-33]改用直接序列扩频调制优化整体信号的模糊函数，这类方法虽然能够获得较好的模糊函数性能，但并没有考虑峰均比的问题。

由于信号峰均比高且OFDM信号仅有较小的时间出现高峰值[34]，这将造成射频功放的效率损失，同时还会因非线性失真导致带外辐射增加和误码性能下降。因此，需要在OFDM信号发射前降低信号的峰均比，文献[35]采用混沌相位编码对OFDM信号进行调制，结合自模糊函数和峰均比两个指标对相位参数进行优化。文献[36]利用动态星座扩展对OFDM的峰均比进行优化，对雷达目标检测性能影响并不大，其基本思想是通过对星座点位置的调整来减少相同相位出现的概率，从而降低信号的峰均比。

由于每个子载波上调制通信信息所带来的随机性会对模糊函数造成影响，文献[37-38]分析了随机调制的通信信息对雷达模糊函数带来的影响，并通过对通信信息进行预调制处理，以保证不同符号间所调制的通信信息具有良好的非周期自相关和互相关特性，从而降低了因通信调制所造成的雷达性能损失。

随着多天线结构的发展，为了提高一体化系统的目标方位估计精度，相关研究者也开始了MIMO OFDM的一体化系统设计。文献[39]提出MIMO OFDM雷达通信一体化系统，每根天线均发送步进频率OFDM通信信号，不同天线间也采用步进的频率保证天线间信号的正交性，如图1所示。类似文献[40]以多符合组帧结构发送，不同天线采用OFDM正交频分方式保证MIMO雷达发射信号的正交性。随后，文献[41]提出基于此架构的目标距离精估计和角度精估计算法。文献[42]进一步提出了一种随机复用调制的MIMO OFDM系统，不同天线均采用相同频带的OFDM信号，但需要进行时频块资源随机选取，以保证不同天线间发射信号的正交性，最后通过压缩感知算法可获得精确的角度估计值。由于MIMO雷达要求各天线发射正交波形，所以MIMO的引入并没有增加通信容量。

图1 MIMO OFDM一体化系统示意图Fig.1 Schematic diagram of MIMO OFDM integrated system

2.1.2 基于恒包络正交频分复用的一体化波形设计

为了获得恒包络的OFDM调制信号，文献[43]提出了恒包络正交频分复用(CE-OFDM)概念，其思想是将OFDM调制信号植入到具有恒包络信号的相位中。由于该OFDM调制加载到相位调制上需要保证OFDM是个实数信号，为此需要通过对称共轭设计子载波数据使其实数化。接收信号经过相位提取后，可获得已调制的实数OFDM信号，然后经过DFT处理从对应频点获得解调数据，其信号处理流程如图2所示。基于此，不少研究者试图将恒包络OFDM应用到雷达通信一体化系统中。

图2 CE-OFDM调制解调信号处理流程图Fig.2 CE-OFDM modulation and demodulation signal processing flow chart

文献[44]将P4码与CE-OFDM相结合可优化其模糊函数，研究表明其模糊函数特征具有图钉状的结构。但由于信号相位被实数OFDM调制，所以相位会出现严重的峰均比问题，进而造成其频谱效率下降。文献[45-47]针对CE-OFDM雷达通信一体化系统对信号峰均比和频谱效率两方面的问题，通过相位调制以及相关系统参数调节来对两个指标进行折中处理，同时分析了调制指数对两个性能指标的影响。由于CE-OFDM的相位调制系数会影响到距离估计性能，文献[48]分析了相位调制系数与距离估计性能之间的关系，在确保通信速率不变的条件下通过优化调制系数来提升距离估计精度。

总体来说，基于OFDM的一体化波形主要问题：一是存在大峰均比问题，虽然CE-OFDM可以解决恒包络问题，但代价是需要牺牲很多频谱效率；二是雷达模糊函数受到随机调制信息影响，虽然可以通过牺牲调制效率换取一定模糊函数性的提升，但是不同符号的模糊函数依然存在差异性，这会导致多脉冲积累时产生残余旁瓣调制等问题。考虑到LTE等多种通信物理层协议中主要还是采用OFDM体制，因此近期研究者也正在试图利用现有通信标准进行目标检测研究，期望在现有通信设备基础上附加环境感知功能。

另一种思路是直接在常用雷达波形上加载通信信息，常见的雷达波形有LFM、FSK以及MFSK等，因其具有恒包络特征，所以不存在峰均比问题，且自身也具有良好的模糊函数性能。因此，不少研究者也开始了基于雷达信号的一体化波形设计。

2.2 基于LFM的共用波形设计

作为雷达常用波形LFM，其具有恒包络特性，且可通过脉冲压缩获得高距离分辨力。基于此，许多学者将其与相位调制、FSK调制、多载波调制以及多斜率调制等通信调制方式相结合设计了雷达通信一体化波形。

2.2.1 基于相位编码调制

在LFM的基础上利用不同扩频序列代表不同信息，文献[49]采用直接序列扩频码作为通信信息嵌入在FM信号中，并指出该一体化波形的模糊函数性能与频谱扩展程度存在冲突且与M序列的相位关系有关,其信号调制过程如图3所示。

图3 基于相位编码调制的FMCW一体化波形设计示意图Fig.3 Schematic diagram of FMCW integrated waveform design based on phase coded modulation

由于直扩会存在相位跳变的问题，使得这类方法无法直接采用传统差拍处理，所以文献[50]采用群时延滤波先进行时延对准，然后去除直扩相位跳变的方法。但是该时延对准精度依赖于FMCW对差拍频率的估计，而时延对准的误差对相位跳变的补偿很敏感。

由于经连续相位调制(CPM)的FMCW,又称Polyphase-Coded FM (PCFM)具有更好的谱效率以及恒包络特性[51-52]，故文献[53]在PCFM波形基础上，对每个符号内部再进行通信调制，调制方式仍采用CPM以保证不影响谱效率和恒包络特性，但这种方法会对距离旁瓣产生调制作用，导致主旁瓣比下降。且由于距离旁瓣调制与调制信息有关，所以调制波形具有随机性，进而会对多普勒维的脉冲主旁瓣造成影响[54]。为此，还需要额外的距离旁瓣抑制处理来降低雷达性能的损失[55]。

2.2.2 基于FSK调制

文献[56]提出FSK+PN序列的雷达通信一体化系统，采用FSK调制实现通信功能，在多个FSK符号上加载PN序列以提高信号的相关性能，并把多个符号作为一个大时宽的信号进行相关处理可获得目标信息。文献[57]提出FSK调制与LFM相结合的一体化波形，并利用短时傅里叶变换进行频率的判决。文献[58]提出在一个LFM信号内部选择一小段时间进行MSK+LFM调制，并设置保护间隔以防止带间干扰，这样的设计对主旁瓣比影响较小。文献[59]搭建了一个FSK-LFM的系统测试平台，在实际环境下测试一体化系统的性能。此外，文献[60]采用多频点键控的LORA调制信号传输通信数据，雷达接收机通过dechirp处理后的差拍频率对目标距离速度进行估计，其信号处理流程如图4所示。

图4 多频点键控FMCW一体化系统Fig.4 Multi frequency keying FMCW integrated system

虽然该系统从通信角度无需多加处理，但是多频点的LORA对应的雷达脉冲重复时间非常短，这会导致它的不模糊距离非常短。总体来说，基于FSK一体化方法的调制效率还是太低。

2.2.3 基于多载波调制

① 频带重叠的OFDM FMCW，文献[61-62]采用FRFT-OFDM信号结构通过不同初始频率子LFM信号加载通信信息，并利用最大似然求解目标参数或通过调节幅度。为了降低多径环境下OFDM FMCW通信接收端处理的复杂度，文献[63]提出一种基于菲涅变换的正交Chirp分复用(OCDM)，该结构最大的特点是接收端的离散信号经菲涅变换后信号矩阵具有循环对称结构。所以在多径信道条件下，仍可采用单点均衡处理。随后，文献[64]提出基于OCDM的一体化系统，将Chirp基分成两部分，一部分加载通信信息，另一部分用于抑制峰均比，并分析了其模糊函数仍具有图钉状结构。这类方法的调制效率高，但存在严重的峰均比问题。

② 频带不重叠的多带FMCW，文献[65]将LFM与OFDM相结合提出OFDM Chirp一体化系统，发射信号首先进行OFDM调制，然后通过一个以线性调频信号为载波的混频器到达天线端。接收端采用同样的线性调频载波进行混频，然后通过FFT处理和解星座获得数据，其信号处理流程如图5所示。而雷达需要将对整个OFDM Chirp信号进行匹配处理，但调制数据的随机性会对其模糊函数性能造成影响，为此采用平均模糊函数对雷达性能进行了评估。该方法中OFDM与传统OFDM存在区别，其载波间隔要求等于线性调频信号带宽。由于FMCW的频谱并不发生重叠，所以频谱利用率很低。

图5 OFDM Chirp一体化信号处理流程图Fig.5 Flow chart of OFDM chirp integrated signal processing

2.2.4 基于多斜率调制

鉴于多斜率FMCW可解决单斜率存在的距离多普勒耦合[66]以及多目标配对问题[67]，文献[68]提出多斜率键控调制的FMCW一体化系统，该系统仍采用差拍处理后的频率值来估计目标信息，且通过相邻脉冲相位差估计目标速度。另一方面将通信信息加载在不同的斜率上，接收端通过不同斜率的相关处理来解调数据。最后，指出该一体化通信的误码性能与选择的斜率差有关，并通过硬件平台实测验证了该方法的可行性。该类方法问题在于斜率的改变会造成信号带宽在变，所以会损失系统频带利用率。而且差拍后的频率会随斜率而改变，从而会对多脉冲间的相干积累处理造成影响。

虽然多载波FMCW调制效率较高，但也失去了原本恒包络的优势，其余大部分FMCW一体化方式的调制效率依然较低。但换个角度来看，在雷达应用中通常所提供的带宽资源非常大，即使通信调制效率较低，也依然能够提供不小的通信容量。尤其对车载领域的雷达使用者而言，更重要是能够不损失雷达性能，通信只是额外的附加功能。且现在车载雷达领域FMCW已成为主流波形体制，所以FMCW波形的一体化体制与当前雷达传感器设备具有更好的兼容性，也具有更好的市场发展前景。

3 基于信息论的共用波形设计

为了从理论上获得最佳的一体化波形，以信息论为支撑，部分学者展开了一体化系统的理论界及最优波形的研究，以雷达性能评价指标可分为雷达互信息和雷达估计速率两类。

3.1 基于雷达互信息优化

西安电子科技大学廖桂生教授团队提出基于OFDM波形通过调节不同子载波上的能量来最小化雷达互信息量，同时联合通信容量进行组合加权，可在系统雷达性能和通信性能做折衷处理[69]。

北京邮电大学冯志勇教授团队提出基于CD-OFDM波形共享一体化信号，采用码分的OFDM结合串行干扰消除技术，通信和探测使用不同的码本资源，有效分离通信与探测信号，避免它们之间的干扰，安全性得以保障[70]。

同样采用OFDM体制，文献[71]通过优化OFDM波形最小化雷达互信息，从而降低蜂窝系统的小区间干扰。此外，还有将雷达互信息扩展至一体化MIMO系统，通过对MIMO阵列波形优化以调节波束达到降低双功能系统间干扰的目标，文献[72]探讨了MIMO雷达目标定位的克拉美罗界和互信息,以及分布式MIMO通信系统间的性能优化问题，文献[73]基于M进制的位置与相位联合调制以最小化接收信号的互信息量为优化目标，到达降低多系统间干扰的目的。

3.2 基于雷达估计速率优化

Bliss主要研究了具有独立雷达或通信功能的多系统间共存问题，并提出雷达的估计信息速率概念用来估计双功能系统的性能边界[74-75]。相关研究包括：文献[76]将不同系统发射的信号视为干扰，通过最大化雷达估计速率和通信速率，降低多系统间电磁干扰，从而解决雷达通信多系统共存问题。文献[77]进一步解释了雷达估计速率的内涵，指出通信速率与雷达估计速率的比特值并不相等。另外，考虑到雷达估计速率可作为目标估计参数的不确定性以及在给定的跟踪周期内信息传递量的度量，所以文献[78]进一步通过调节雷达的检测周期，以最大化雷达估计速率和通信速率，从而最小化雷达频谱共用对通信网络的影响。除了信干噪比外，匹配输出的波形主旁瓣也影响着一体化系统的性能，文献[79]对波形频谱进行加权，来调节距离主瓣和旁瓣对雷达估计速率和通信误码率所带来的影响。

此外，该思想还扩展到了一些其他应用场景，如将雷达作为中继的多系统合作模式，文献[80]提出基于雷达速率和通信速率优化的多用户频谱共用合作系统。在MIMO场景下不同雷达和通信系统间干扰视为一种多址干扰，通过调节阵列导向矢量获得最佳的雷达估计速率和通信速率[81]。但都未考虑实际杂波环境对一体化性能的影响，文献[82]分析了杂波干扰抑制对雷达估计速率的影响，然后将残余杂波视为一种加性噪声，最后研究了合作模式下多系统干扰对消后的性能。

4 未来一体化系统展望

① 新体制波形的出现，如近几年在通信领域出现的OTFS调制方式，不仅在距离多普勒域上具有良好的聚焦性，还具有良好的抗时频色散能力，使其在通信领域成为了新的焦点，也促使某些学者开始OTFS一体化系统的研究[83-84]。

② 雷达互信息和雷达估计速率并不能反映雷达的全部性能，如雷达的距离、多普勒、方位分辨率以及主旁瓣比等性能参数。因此，对波形优化的评价指标仍需进一步探讨。基于雷达互信息的方式，还需要先验信道信息且信道状态稳定，而实际中难以满足这种要求，应考虑在一定不确定性信道条件下设计具有稳健性的一体化波形方法。

③ 现阶段MIMO双功能一体化的系统，虽然可利用共同的波形，但是本质上还停留在空分方式上。对于双功能系统而言，并没有共同利用空间资源，尤其是一体化的通信功能并未利用到空间增益。近期Hanssanien提出了在不改变MIMO雷达波形结构的条件下实现一体化系统的通信功能，从空间索引的角度提出一种通过多天线发射波形的顺序来传递通信信息，并证明该方法并不会影响雷达系统性能，但其要求通信接收机具有波束方向的先验信息[85]。另一方面，文献[86]对空间顺序调制的通信效率和性能进行初步探讨。但不同天线波形匹配输出的不一致性，会导致空间调制产生波束旁瓣调制等问题，有待进一步解决。

④ 多基地的一体化问题。当前大部分研究主要集中在单基地模式，单基地收发一体模式下接收端可以获得通信信号的先验信息。但双基地或多基地模式下接收端缺乏先验的通信信号，无法直接分离或去除一体化波形中通信调制的影响，也无法直接采用对应的匹配滤波器，因此需要讨论收发分离体制下雷达杂波对通信解调的影响，以及通信非理想解调情况下对一体化性能的影响。

此外，一体化双工问题、上下行多址问题也受到了关注，Hassanien团队基于空分的方式提出一种一体化上行链路多址方案[87]。

⑤ 当前大部分研究与现有设备的兼容性较差，为了更好地适应产业界的需求，部分研究人员也已经开始利用一些现有标准进行一体化系统设计与验证。

5 结束语

本文总结了近几年雷达通信一体化波形设计的研究进展。整体来看，波形共用机制已然是当前一体化主推的方向，而考虑到已有通信和雷达设备的兼容性，OFDM与LFM体制依然是当前两大主流一体化波形形式，同时还出现了OTFS等新体制波形。但大部分研究并未考虑系统复杂度，以及现有标准的兼容性、多节点协同等问题，所以仍然难以推广至实际应用。另外，基于信息论的一体化波形优化方式可从理论上评估波形优劣，成为一体化波形优化的新风向标。但其先验信息在实际中难以提前获得，所以应思考基于信息论的波形优化设计问题中如何降低其对先验信息的依赖性，才能在实际应用中起到指导作用。此外，一体化系统还存在双工、上下行链路多址以及双多节点一体化组网等问题有待研究。