面向5G演进的通感融合链路级仿真平台设计及性能评估

2022-09-30宋朋高孙立珂赵中原

信息通信技术与政策 2022年9期

宋朋高孙立珂赵中原

(北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876)

0 引言

通感融合(Integrated Sensing and Communication，ISAC)是将通信系统的通信功能同雷达的感知功能进行融合，从而共享软硬件资源实现无线感知和通信功能的技术[1]。标准化方面，许多公司、高校等机构在系统架构[2]、波形设计[3]以及波束管理[4]等方面对通感融合技术进行了大量研究。通感融合可以进一步提高通信和感知的协同性能，通信系统可以提高感知功能的准确度、时效性等；同时，感知功能也能帮助通信系统预测用户位置，从而提升通信系统性能。通感融合技术有着广泛的应用前景，在智慧交通、感知辅助通信等许多场景中都有通信与感知的双重需求。未来进一步的通感融合技术研究需要仿真结果作为支撑，本文设计了通感融合的链路级仿真平台来支撑对通感融合中可能研发的新技术进行可行性与性能评估。

1 系统模型及通感融合方案

1.1 场景分析

仿真平台设计的应用为高速公路场景，在高速公路场景中，基站固定在道路中央龙门架上，通信目标与感知目标均为行驶中的车辆。基站工作在毫米波频段，基站承担通感融合信号发射及雷达感知信号接收的功能。通信用户与感知目标为不同的对象，因此通信用户与感知目标的位置与速度可以不同。高速公路场景中的业务需求及评估指标如表1所示。

表1 平台应用场景业务需求

1.2 雷达感知原理

在正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统中，假设发送端的调制符号系列为dTx(μ,n)。在接收器中，以相反的顺序执行相同的步骤，恢复到调制信号dRx(μ,n)。

在雷达接收端，接收的回波信号为y(t)，则

×exp(j2πfn(t-τ0))exp(j2πfDt)

(1)

由式(1)可以看出，对于固定的OFDM符号μ，多普勒频率fD对不同的子载波没有单独影响，而传输时延τ0则会在不同子载波上产生线性相移；对于固定的子载波n，传输时延对不同的OFDM符号没有单独影响，而多普勒频率则会在不同OFDM符号上产生线性相移。即反射物体引入的距离和多普勒对调制符号具有完全正交的影响。距离仅沿频率轴引入线性相移，多普勒则仅沿时间轴引入线性相移。因此，可以使用合适的处理算法独立地恢复距离和多普勒。

对于单个调制符号，移动物体对于dRx(μ,n)的影响可以量化为

(2)

为了获得更具描述性的表示，调制符号帧现在被视为一个矩阵，其中每一列代表一个 OFDM 符号，每一行代表一个子载波，则

(3)

(4)

1.2.1 目标距离估计原理

在式(4)中，距离R转换为调制符号之间沿频率轴的线性相移。评估到反射物体的距离最方便的方法是计算kR(n)的离散傅立叶逆变换[5]：

k=0,…,Nc-1

(5)

1.2.2 目标速度估计原理

同理，速度v转换为子载波之间沿时间轴的线性相移。评估感知目标的速度最方便的方法是计算kD(n)的离散傅立叶变换。

l=0,…,Nsym-1

(6)

通过对IDFT[kR(n)]及DFT[kD(μ)]向量分别求峰值，即可推出感知目标到雷达的距离及相对速度。

2 链路级仿真平台设计

2.1 系统架构与仿真流程

通感融合链路级仿真平台基于5G NR标准和Matlab开发环境。平台采用具备优良通信和感知性能特性的循环前缀正交频分复用(Cyclic Prefix-OFDM，CP-OFDM)通感融合信号波形，并建立无线通信和雷达感知信道模型，支持基站与用户下行数据信道的无线通信，同时基站对回波信号进行雷达处理，实现对用户速度、距离和方位等信息感知的链路级仿真性能评估。平台的系统架构与仿真流程如图1所示，主要功能可以分为无线通信和雷达感知两部分。其中，上半部分为基站对回波信号的雷达感知流程，下半部分为基站与用户下行数据信道的无线通信流程。平台总体采用模块化结构设计思路，架构清晰，搭建简便，具备较好的系统扩展性。

图1 系统架构与仿真流程图

2.2 发射信号设计

在基站发射端，采用5G NR的CP-OFDM通感融合信号波形。在时域中，一个无线帧长度为10 ms，包含10个长度为1 ms的子帧。一个子帧内的时隙数取决于系统的子载波间隔(Subcarrier Spacing，SCS)，若子载波间隔为15×n kHz，则一个子帧可分割为2n个时隙。其中，每个时隙包含14个CP-OFDM符号，其中，第0个和第7个为长符号，其CP长度会长于其余CP-OFDM符号。

在频域，12个连续的子载波构成一个物理资源块(Physical Resource Block，PRB)。NR最大可支持400 MHz系统带宽，在TS 38.101[6]中规定了固定系统带宽及SCS下的PRB数量，即当系统带宽和SCS确定时，可用的子载波数也是确定的。

2.3 无线信道及感知目标建模

无线通信信道采用协议38.901规定的CDL-D信道模型[7]，感知信道采用双向信道，即从雷达至目标车辆，并经目标车辆反射再返回至雷达过程中通感融合信号所经历的信道。感知信道受到大尺度衰落影响，被目标车辆反射的一体化回波信号再经过空间中散射体的散射，在到达雷达接收机时其信号强度已经很小了，因此在计算和仿真时可以近似忽略。因此，雷达信道只考虑视距(Line of Sight，LOS)径。

由1.2节可知，对目标速度及位置进行感知需要雷达接收信号的时域及频域特性，因此感知信道采用双选信道，同时拥有时间选择性和频率选择性两种特性。感知信道建模公式如下[8]：

(7)

其中，Gp为包括雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)的大尺度增益，计算公式在式(15)中给出，βp为小尺度复信道增益，在一个相干处理间隔内连续[9]，ej2πvpt为多普勒造成的相位影响，e-j2πτpf为传输时延造成的相位影响，Arad(φp,θp)是收发两端的天线导向矩阵，Np为直射径数，Np=1表示单目标模型，Np>1表示多目标模型。具体而言，仅关注第0条路径，即LOS径的物理参数。

为了尽可能贴合5G NR通信信道实现方法，式(7)中βp和Arad(φp,θp)的表达式如式(8)(9)。

(8)

其中，Frx,u,θ、Frx,u,φ为接收天线在θLOS,ZOA,φLOS,AOA方向的场向量，Ftx,s,θ、Ftx,s,φ为发射天线在θLOS,ZOD,φLOS,AOD方向的场向量，θLOS,φLOS为LOS簇的垂直角度和水平角度。

(9)

为了得到大尺度增益Gp，还需要对感知目标RCS进行建模。

高速公路场景中的目标多为运行中的车辆，为了简化计算，将汽车目标建模为4×4×2 m的长方体，将长方体的中心作为汽车模型的位置。

在全局坐标系中，将雷达的位置设置为坐标系原点，目标位置到原点之间的向量模长即为目标与雷达之间的距离。

将感知目标拆分成若干个简单面元，每个面元的RCS由尺寸因子A、材料因子Rt及方向性系数D构成[10]，RCS计算方法如下：

RCS=A×Rt×D

(10)

(1)如图2所示，尺寸因子A即目标的每个简单面元在入射投影口镜面上的投影面积。入射投影口镜面为过目标中心点且垂直于入射波方向的平面。计算每个面元的投影面积A，计算方法如下：

图2 雷达目标投影面积计算

A=x×w

(11)

式中，x表示面元的投影线长度，w表示面元的投影线宽度。

(2)感知目标反射率(材料因子)Rt是由目标材料的电磁参数(即材料介电常数和磁导率)决定的，材料因子Rt计算方法如下：

(12)

式中，μ为目标材料的磁导率，ξ为目标材料的介电常数。本文中取汽车常用的铝合金作为目标材料。

(3)感知目标面元的方向性系数受不同入射方向(雷达视角)下的目标表面形状特性影响。当感知目标的面元为平面时，方向性系数计算公式如下[11]：

(13)

式中，ap和bp为感知目标面元的长和宽；φp为入射波相对于平面的水平入射角；ψp为入射电磁波与平面法线的夹角，λ为入射电磁波波长。

完成尺寸因子、材料因子及方向性系数的计算后，将目标所有面元的RCS累积求和，得到目标的总RCS。

(14)

式(8)中，N为目标表面上的面元总数量。

根据RCS计算感知信道的大尺度增益Gp，由雷达方程[12]：

(15)

其中σRCS,p为目标p的RCS，rp为目标p与雷达之间的距离。

2.4 回波接收与参数估计

对于目标感知，在雷达接收端，回波信号经过OFDM解调制过程后，进行雷达收端的波束赋形，将物理天线维度的接收数据映射到逻辑天线端口维度，之后对感知目标的距离及速度信息进行估计。在1.2中已经对距离与速度谱联合估计算法原理进行了介绍，下面为雷达接收端联合估计检测的步骤[2]。

首先去除发送端信息，用雷达接收端调制符号矩阵除以基站发射端调制符号矩阵，得到Ddiv之后，进行速度估计与距离联合估计，计算Ddiv矩阵中每列元素(即每个子载波上)的DFT，得到矩阵Ddiv-fft；计算Ddiv矩阵中每行元素(即每个OFDM符号上)的IDFT，求出做完IDFT后矩阵中的最大元素序号(k,l)，并根据k和l计算目标速度与距离。

(16)

最后，将上一步中得到的矩阵的行转化为距离，列转化为速度，画出归一化二维雷达图像。分别对矩阵每一行即每一列求和，画出感知速度/距离图像。