一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法

技术领域

本发明涉及雷达通信技术领域，尤其涉及一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法。

背景技术

随着无线信息产业的爆炸式增长，无线通信正经历着巨变，频谱因而变得越来越拥挤。作为雷达和无线通信领域一个新兴的研究课题，提出的方法大致可分为两大类，即具有独立平台的双功能雷达通信系统和通信雷达频谱共存系统。在频谱共存系统中，两个系统的性能指标通常是互斥的，引起相互干扰。早期的研究主要基于通过控制相互干扰来进行发射设计，现有的许多频谱共存系统设计仅针对雷达或仅针对通信系统进行干扰管理。此外，空间复用被孤立地应用于通信系统或雷达系统，缺乏对于由两个系统的协调运行带来的潜在性能提升的考虑。随着认知无线网络的最新发展，雷达和通信系统可以感知彼此的存在，从而促进雷达和通信系统之间的协同设计。然而，协同设计中使用的多重约束会增加计算负担。虽然用于稳健设计的波束形成器存在于更广泛的阵列信号处理领域，但低复杂度的频谱共享设计仍有待于探索。

发明内容

本发明提供一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法，解决的技术问题在于：如何对雷达系统、通信系统进行联合设计，实现低计算复杂度稳健的频谱共享，在保障通信系统最低速率的前提下，在更短的时间内实现雷达信干噪比最大化。

为解决以上技术问题，本发明提供一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法，该雷达通信频谱共存系统包括采用单静态MIMO脉冲雷达的雷达系统与采用MIMO通信网络的通信系统，通信系统与雷达系统在同一频段共存，两个系统的采样时间同步且均采用均匀线性阵列，所述方法包括步骤：

S1：以最大化雷达系统信干噪比为目标，在雷达波形相似度、雷达波形归一化能量、通信系统发射功率、通信系统最低可实现通信速率的联合约束下，建立求解通信系统码本

S2：在固定雷达系统波形s的前提下，将所述原问题转化为第一子问题并进行求解，得到通信系统码本

S3：在固定通信系统码本

S4：基于确定的系统先验信息及通信系统码本

S5：以最优通信系统码本

进一步地，雷达系统具有M

将x(l)定义为时刻l时的通信码字，雷达侧存在P个杂波干扰源，Q个通信干扰源，通信侧存在M个不相关点源雷达信号干扰；

在步骤S1中，雷达系统信干噪比表示为：

s表示雷达系统波形；

所述原问题建立如下：

其中，C

s

表示/>

表示空时信道矩阵，H表示通信信道矩阵，/>

进一步地，在步骤S2中，第一子问题表示为：

对所述第一子问题进行求解的具体过程包括步骤：

A1、对所述第一子问题的目标函数使用一阶泰勒展开，得到：

其中，

A2、最小化

其中，

A3、使用拉格朗日对偶技术对所述新第一子问题求解。

进一步地，在步骤A3中，使用拉格朗日对偶技术对所述新第一子问题求解，构造的拉格朗日函数形式如下：

其中，μ

通过求解如下对偶问题，得出所述原问题的解：

其中，g(μ

定义中间变量

其中，U为

采用次梯度方法求解上述对偶问题，得出通信系统码本X

进一步地，在步骤S3中，所述第二子问题表示为：

对所述第二子问题进行求解的具体过程包括步骤：

B1、对所述第二子问题的目标函数使用一阶泰勒展开，得到：

其中，

B2、定义

其中，

B3、使用雷达波形局部化设计方法对雷达波形进行单独设计，利用二阶锥规划方法求解所述新第二子问题，得到雷达系统波形s。

进一步地，所述步骤B3包括步骤：

B31、使用LDFRW方法对L个雷达波形

其中

s.t.C

C

C

其中，雷达在n时刻的发射信号为s(n)，共发送L个脉冲；λ用于控制惩罚力度，取值为正；ε是引入的松弛变量；

B32、利用二阶锥规划方法求解转化后的所述新第二子问题，得到雷达系统波形s。

进一步地，雷达侧干扰与噪声之和的协方差矩阵

雷达系统自干扰协方差矩阵

通信系统干扰协方差矩阵

进一步地，雷达干扰协方差矩阵

进一步地，在步骤S4中，确定的系统先验信息包括通信系统收发机之间的信道矩阵H，联合收发导向向量V

本发明提供的一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法，为了在多个约束条件下信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)最大化，抑制共存系统的相互干扰，设计了目标函数(原问题)；基于目标函数是非凸的，本方法进一步导出了一个迭代过程来计算一系列子问题，允许每个原始变量有一个低复杂度的解析解。首先在通信系统有限功率约束下，求解出最大化信干噪比的通信系统码本。然后，根据信干噪比最大化准则得出雷达系统最优滤波权向量，用以抑制通信信号对雷达的干扰。最后，借助雷达波形局部化设计(Local Design For Radar Waveform,LDFRW)，可以将雷达发射波形优化问题进行转化，利用二阶锥规划(Second-Order Cone Programming,SOCP)得出最优雷达系统发射波形。

本发明提供的一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法，对通信系统和雷达系统进行联合设计，能够有效提升雷达侧接收信干噪比，进而提升干扰背景下的参数估计及信号检测精度，提升共存系统性能。另一方面，本发明所提方法均能在10次迭代达到收敛，稳健性得到了保证。同时，与基于半正定规划、牛顿迭代法、二阶锥规划的设计方法相比，本发明的有效性得到了说明。此外，相比于前述算法，本发明所提方法计算复杂度更低，能够以更低的计算代价获得更高的雷达侧信干噪比，进而提升频谱共存系统性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的不同雷达波形相似度γ下，雷达侧信干噪比的收敛性能对比图；

图3是本发明实施例提供的不同雷达波形相似度γ下，雷达侧信干噪比随通信侧最低可实现速率的关系对比图；

图4是本发明实施例提供的本发明的设计与基于半正定规划、牛顿迭代法、二阶锥规划的频谱共存方法对比图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

雷达通信频谱共存系统包括采用单静态MIMO脉冲雷达的雷达系统与采用MIMO通信网络的通信系统，通信系统与雷达系统在同一频段共存，两个系统的采样时间同步且均采用均匀线性阵列。本发明建模为，雷达系统具有M

本发明所提供的方法具体包括步骤：

S1：以最大化雷达系统信干噪比为目标，在雷达波形相似度、雷达波形归一化能量、通信系统发射功率、通信系统最低可实现通信速率的联合约束下，建立求解通信系统码本

S2：在固定雷达系统波形s的前提下，将原问题转化为第一子问题并进行求解，得到通信系统码本

S3：在固定通信系统码本

S4：基于确定的系统先验信息及通信系统码本

S5：以最优通信系统码本

说明：在矩阵运算中，

为确定雷达侧信干噪比，需明确雷达接收信号，由雷达期望接收信号、杂波干扰、通信系统干扰、噪声干扰构成，建模为：

其中：α

为确定雷达侧干扰功率和噪声功率，需确定雷达侧干扰与噪声之和的协方差矩阵

其中，

对雷达系统发射波形而言，本方案考虑了雷达波形与参考波形之间的相似度，将雷达系统自干扰协方差矩阵

其中，

本算法假定的频谱共存场景为雷达在通信系统工作期间以间断的方式进行通信，通信信号经过Q条反射路径到达雷达接收端。因此通信系统干扰协方差矩阵

其中，

通信侧总干扰R

雷达侧输出信干噪比可以表示为：

w为雷达接收滤波器权向量。

为最大化雷达侧输出雷达信干噪比，本发明使用最大化信噪比准则确定雷达接收滤波器权向量w，由下式给出：

将接收滤波器权向量代入雷达侧输出信干噪比公式中，得到：

而对于通信系统来说，假设有M个不相关点源雷达干扰信号到达通信接收机，则通信侧雷达干扰可建模为：

其中，γ

定义中间变量

y

其中，

假设路径衰减系数γ

其中，

即，在步骤S1中，共存系统优化目标为雷达侧输出信干噪比，由下式计算得出：

其中，

基于上述分析，在步骤S1中，原问题建立如下：

其中，C

s

表示/>

表示空时信道矩阵，H表示通信信道矩阵，/>

在步骤S2中，固定雷达系统波形，优化通信系统码本，第一子问题表示为：

s.t.C

C

对第一子问题进行求解的具体过程包括步骤：

A1、考虑到步骤S2中的第一子问题的目标函数

其中，

A2、最大化雷达侧信干噪比，即最小化

s.t.C

C

其中，

A3、使用拉格朗日对偶技术对新第一子问题求解。

使用拉格朗日对偶技术对新第一子问题求解，构造的拉格朗日函数形式如下：

其中，μ

通过求解如下对偶问题，得出原问题的解：

其中，g(μ

引入中间变量

其中，U为

采用次梯度方法求解上述对偶问题，得出通信系统码本

在步骤S3中，第二子问题表示为：

对第二子问题进行求解的具体过程包括步骤：

B1、对第二子问题的目标函数使用一阶泰勒展开，得到：

其中，

B2、定义

s.t.C

C

C

其中，

B3、使用雷达波形局部化设计(Local Design For Radar Waveform,LDFRW)方法对雷达波形进行单独设计，利用二阶锥规划(Second-Order Cone Programming,SOCP)方法求解新第二子问题，得到雷达系统波形s。

步骤B3包括步骤：

B31、使用LDFRW方法对L个雷达波形

其中

s.t.C

C

其中，雷达在n时刻的发射信号为s(n)，共发送L个脉冲；λ用于控制惩罚力度，取值为正；ε是引入的松弛变量；

B32、利用二阶锥规划方法求解转化后的新第二子问题，得到雷达系统波形s。

本发明提供的一种雷达通信频谱共存系统的高性能频谱共享配置方法，为了在多个约束条件下信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)最大化，抑制共存系统的相互干扰，设计了目标函数(原问题)；基于目标函数是非凸的，本方法进一步导出了一个迭代过程来计算一系列子问题，允许每个原始变量有一个低复杂度的解析解。首先在通信系统有限功率约束下，求解出最大化信干噪比的通信系统码本。然后，根据信干噪比最大化准则得出雷达系统最优滤波权向量，用以抑制通信信号对雷达的干扰。最后，借助雷达波形局部化设计(Local Design For Radar Waveform,LDFRW)，可以将雷达发射波形优化问题进行转化，利用二阶锥规划(Second-Order Cone Programming,SOCP)得出最优雷达系统发射波形。

对于共存系统，干扰信息可能会随着时间或位置的变化而变化，由于转向失配可能存在，在实际应用中，方向参数θ,

为说明本发明设计算法的有效性，仿真设定的频谱共存场景为：雷达发射天线为5，雷达接收天线数为5，通信系统发射天线数为3，通信系统接收天线数为3。PRI为20，雷达在一个PRI内发射6次脉冲，即L＝6。信道矩阵H、联合收发导向向量V

从图2可以看出，本发明将原优化问题转化为一系列可解子问题，有效地降低了雷达、通信系统频谱共存条件下系统参数求解的迭代次数，具有良好的收敛性，因而在频谱共存系统最优配置方面具有实用意义。

从图3可以看出，随着通信侧最低可实现速率的增加，雷达侧输出信干噪比逐渐减小。且γ在不同取值的条件下，本功能主体输出雷达侧信干噪比均在8db以上，说明本发明存在明显优势。

从图4可以看出，随着干噪比的增加，本发明所提的算法相较于传统的基于半正定规划(SDP算法)、牛顿迭代法(牛顿算法)、二阶锥规划的频谱共存方法(SOCP算法)，可实现雷达侧信干噪比下降缓慢。这是因为所提出的设计是对通信系统码本和雷达波形的联合设计，雷达波形设计可以有效地降低在通信系统上发射能量，并且使用信噪比最大化准则确定接收滤波器，不会在雷达中产生通信干扰。

本发明提供的方法既保证了所提算法的收敛性，又能实现通信系统、雷达系统参数的联合设计，算法的稳健性、计算速度都得到了保证，根据输入先验系统参数，利用交替迭代算法，能够有效地提升通信系统、雷达系统频谱共存系统的整体性能。

综上，本实施例提供的方案，与传统的基于半正定规划、牛顿迭代法、二阶锥规划方法相比，计算复杂度较低，即对于相同的系统硬件配置，该算法指导下的硬件系统能够在相同的最低通信系统可实现速率条件下，更快地实现雷达侧信干噪比的最大化，有效地提升频谱共存性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。