基于自适应OTFS帧结构的雷达通信一体化方法及系统

基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统
技术领域
1.本发明涉及通信和雷达技术领域，具体涉及基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统。


背景技术：

2.目前来看，雷达和通信作为两个独立的系统分别按照各自的功能用途在不同的频段上独立设计，但随着通信载波的频率不断向高频搬移，通信设备和雷达设备共享频段逐渐成为发展趋势，随着这种趋势的不断推进，实现雷达通信一体化的愿景已经成为可能，其技术的关键在于设计出能够同时满足通信和雷达功能的信号波形。
3.现有的基于通信系统的雷达通信一体化技术方案，典型如主流的ofdm的雷达通信一体化系统，尽管在通信上具有高频谱利用率，在雷达上具有高分辨，但是ofdm雷达通信一体化信号的性能依赖于子载波间的正交性，在检测高速运动的物体时，易受到多普勒频偏的影响导致严重的码间干扰，同时它的峰值平均功率比较高；为解决ofdm一体化系统带来的问题，通过otfs调制技术实现在时延-多普勒域上调制信息，将传输的信号遍布整个时频域资源，利用全分集增益进行雷达处理，能够在高多普勒环境下与高速移动物体进行通信，减小了载波间干扰，实现更大的多普勒频率估计；但目前对于otfs雷达通信一体化的研究主要集中在雷达探测目标的参数估计和通信雷达波形的复用技术上，并没有对otfs信号的帧结构进行过多的考虑。
4.现有的雷达通信一体化方案介绍了otfs技术的基本实现原理，并将其与ofdm技术相比较，通过仿真验证其相比于ofdm技术而言能够有效克服高速运动时带来的多普勒平移，克服通信系统中存在的挑战，增加通信系统的鲁棒性，同时通过类比不同的导频序列和信道估计来改善otfs系统的误码率性能和估计性能。但实际上信道估计算法中不同导频序列的使用会降低频带利用率，造成频谱资源的浪费，同时otfs系统相比于ofdm调制系统，可能会遭受更大的延迟和多普勒平移，另外otfs信号在高密度通信的情况下会存在载波间的相互干扰的问题，系统鲁棒性降低，使得通信和性能下降。
5.同时在现有的雷达通信一体化采用时分复用的方法为雷达探测和通信传输分配工作时隙并插入保护带来实现通信雷达一体化系统多样化的功能需求。但实际上这种雷达通信一体化实现方式的不足之处在于其不能实现雷达和通信同时工作，会降低雷达通信一体化的信息传输效率，无法在通信的同时做到雷达定位；同时，其帧结构较为固定且插入的保护带无法自适应系统对雷达分辨率和通信数据量的要求会对otfs一体化信号的性能带来影响。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：传统的雷达通信一体化实现方式实现雷达和通信同时工作效果不佳，信号的帧结构较为固定不便于调整，难以同时兼顾雷达分辨率和通信数据量；本发明目的在于提供基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统，通过
自适应otfs帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信，解决上述技术问题。
7.本发明通过下述技术方案实现：本方案提供基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法，包括步骤：步骤一：对通信数据流进行otfs调制得到雷达通信一体化信号；步骤二：对雷达通信一体化信号进行自适应otfs帧结构优化处理；根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，优化过程包括调整每个帧结构中的中导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；步骤三：基站向用户端发送自适应otfs帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端向基站发送通信信号并反射雷达回波信号；步骤四：基站通信接收通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
8.本方案工作原理：传统的雷达通信一体化实现方式实现雷达和通信同时工作效果不佳，信号的帧结构较为固定不便于调整，难以同时兼顾雷达分辨率和通信数据量；本方案提供基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法，通过自适应otfs帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信；引入了动态调整帧结构的功能，不再局限于一种固定的帧结构，而是根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整设计，来满足一体化系统在不同场景中对通信和雷达性能的要求。这种设计使得一体化波形能够在系统对通信性能和雷达性能的要求下达到折衷和调整；有效解决上述技术问题。
9.进一步优化方案为，步骤一包括以下子步骤：s1：将串行通信数据流先进行信源压缩编码，再进行数字信号调制得到相对应的数据符号x[k，l]；k表示多普勒域的索引，l表示时延域的索引；s2：对调制好的数据符号进行otfs调制；其中数据符号在时延多普勒平面中，时延方向上以为间隔，多普勒频移方向上以1/(nt)为间隔；m代表频域上的子载波数量，n代表时域上的otfs符号数量，示通信数据流在时延多普勒域中时延方向的周期，1/t表示通信数据流在时延多普勒域中多普勒方向的周期。
[0010]
进一步优化方案为，s2包括以下子步骤：s21：定义时延多普勒平面数据网格为，满足：；s22：将时延多普勒域中的数据符号中mn个数据信息符号摆放至时延多普勒域信号网格中，对数据信息符号进行辛有限逆傅里叶变换，将数据符号由在时延多普勒域上的二维正交基函数扩展为时频域上的符号，m表示多普勒域的索引，n表示时延域的索引；映射过程满足：，其中m代表频域上的子载波数量，n代表时域上的otfs符号数量，j表示虚数单位；定义时频域的平面网格为，满足：
s23：通过海森堡变换将时频域中的符号转化为连续的时域发送信号x(t)，时域发送信号x(t)为雷达通信一体化信号，变换公式如下：，式中代表发送脉冲/波形，t代表时间。
[0011]
进一步优化方案为，步骤二包括以下子步骤：t1：构建典型的帧结构模型；t2：根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于典型的帧结构模型实时对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整，以保证所有通信性能参数和雷达性能参数均在阈值范围内；调整的范围包括：每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的分组、位置和数量。
[0012]
进一步优化方案为，典型的帧结构模型包括：第一典型帧结构模型，表达式为：其中为导频符号，0为保护符号，分别表示时延多普勒平面数据网格中的一个格子的多普勒轴上的坐标和时延轴上的坐标；第二典型帧结构模型，表达式为：；其中表示数据符号，表示当导频符号和任意数据符号之间的保护间隔≥最大多普勒频移和时延时，一个帧结构中包含的最大数据符号数量；同时也满足任意两个数据符号之间以及数据符号与导频之间的最小保护间隔宽度大于等于最大多普勒频移和最大时延，表示为：；其中表示最小多普勒频移保护间隔宽度，表示最小时延保护间隔宽度；第三典型帧结构模型，表达式为：其中表示第i组数据中含有个数据符号，每一组用大于等于最大多普勒频移和最大时延的保护间隔围绕，其中；第四典型帧结构模型，表达式为：
其中。
[0013]
进一步优化方案为，t2包括以下过程：获取通信性能参数和雷达性能参数：通信性能参数包括误码率、传输速率和频带利用率；雷达性能参数包括时延旁瓣干扰和多普勒旁瓣干扰；构建通信性能和雷达性能判断条件：条件a，误码率超过门限值；条件b，频带利用率≤频带利用率的最小额定值；条件c，传输速率≤传输速率的最小额定值；条件d，时延主瓣旁瓣比≥时延主瓣旁瓣比最大额定值；条件e，多普勒主瓣旁瓣比≥多普勒主瓣旁瓣比最大额定值；进行通信性能和雷达性能判断：当条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，减少在时延多普勒域中对每个数据符号和导频符号的保护带宽度至保护带宽度等于最大多普勒频移和时延，同时减少数据符号的分组数，增加每一帧结构包含的数据符号数量；当条件d和条件e至少有一个发生时，增加每一帧结构中对数据符号和导频符号的保护间隔并减少数据符号的数量；当条件d和条件e至少有一个发生，同时条件a，条件b和条件c中至少发生一个条件时，将数据符号分成n组，给每一组周围添加保护带。
[0014]
进一步优化方案为，基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理过程包括：g1：基站接收到雷达回波信号后进行otfs解调得到时延-多普勒域的雷达回波信号；g2：根据雷达回波信号确定otfs雷达回波信号的输入输出关系；g3：基于雷达回波信号的输入输出关系进行匹配滤波得到雷达信道响应函数；g4：对雷达信道响应函数进行检测和估计，确定基站与用户端的相对距离和相对速度。
[0015]
进一步优化方案为，g3包括以下子步骤：g31. otfs雷达回波信号的输入输出关系表示为：；其中r为接收回波符号列矢量、h为雷达信道传输函数列矢量，w为信道噪声列矢量；矩阵表示为：；其中均是由mn
×
1维含有多普勒频移和时延信息的不同发送符号列矢量x构成，用表示，n0=1，2，
…
，n0；m0=1，2，
…
，m0；mn表示一个帧结构中包含的符号个数，是将最大多普勒频移和最大时延经过归一化后表示的二维区域经过
等分后的个小区域个数，所有包含不同多普勒频移和时延信息的发送符号列矢量x的集合构成了，其中列矢量的下角标表示在二维时延多普勒与域个小区域中的一个具体区域的归一化多普勒频移和归一化时延，该区域经过去归一化后的时延和多普勒频移表示为：；g32：基于otfs雷达回波信号的输入输出关系匹配滤波变换得到维匹配滤波处理估计的雷达信道响应函数：，表示共轭转置，表示信道噪声；g为增益矩阵且。
[0016]
进一步优化方案为，g4包括以下过程：对雷达信道响应函数进行门限检测：对统计均值和方差，|*|表示绝对值，按高斯或瑞利模型构造的噪声分布设定门限；首先将维雷达信道响应函数按照每行m0个元素顺序排列成维矩阵，当矩阵中的某个元素时，视为有用户端，取出用户端对应的时延和多普勒信息，其时延信息为，多普勒频移信息为，用户端与基站的相对速度，满足下式关系：；其中c为光速，为载波频率，表示最大多普勒频移；基站与用户端的相对距离d
p
由下式确定：。
[0017]
本方案还提供基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化系统，包括：预处理模块、自适应帧结构设计模块、基站和用户端；预处理模块用于对通信数据流进行otfs调制得到雷达通信一体化信号；自适应帧结构设计模块用于对雷达通信一体化信号进行自适应otfs帧结构优化处理；自适应帧结构设计模块用于根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；基站向用户端发送自适应otfs帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端用于接收到来自基站的雷达通信一体化信号，同时反射雷达回波信号；基站还用于通信接收用户端的通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
[0018]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明提供的基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法及系统，通过自适应otfs帧结构优化处理方式实现帧结构动态调整以及雷达通信在时域上的全双工通信；引入了动态调整帧结构的功能，不再局限于一种固定的帧结构，而是根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整设计，来满足一体化系统在不同场景中对通信和雷达性能的要求；这种设计使得一体化波形能够在系统对通信性能和雷达性能的要求下达到折衷和调整。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：图1为基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法流程示意图；图2为仅含导频和保护符号的帧结构示意图；图3为保护符号围绕每个导频符号和数据符号的帧结构示意图；图4为保护符号围绕导频符号和各组数据符号的帧结构示意图；图5为传统的帧结构示意图；图6为对雷达通信一体化信号进行自适应otfs帧结构优化处理原理图；图7为由第一典型帧结构模型和第二典型帧结构模型匹配滤波后的模糊函数图像；图8为第三典型帧结构模型匹配滤波后的模糊函数图像；图9为第四典型帧结构模型匹配滤波后的模糊函数图像；图10为基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化系统结构示意图；图11为基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化系统结构原理图。
具体实施方式
[0020]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0021]
实施例1本实施例提供基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化方法，如图1所示，包括步骤：步骤一：对通信数据流进行otfs调制得到雷达通信一体化信号；步骤一包括以下子步骤：s1：将串行通信数据流先进行信源压缩编码，再进行数字信号调制得到相对应的数据符号x[k，l]；k表示多普勒域的索引，l表示时延域的索引；s2：对调制好的数据符号进行otfs调制；其中，数据符号在时延多普勒平面中，时延方向上以为间隔，多普勒频移方向上以1/(nt)为间隔；m代表频域上的子载
波数量，n代表时域上的otfs符号数量，表示通信数据流在时延多普勒域中时延方向的周期，1/t表示通信数据流在时延多普勒域中多普勒方向的周期。
[0022]
具体的s2包括以下子步骤：s21：定义时延多普勒平面数据网格为，满足：；s22：将时延多普勒域中的数据符号中mn个数据信息符号摆放至时延多普勒域信号网格中，对数据信息符号进行辛有限逆傅里叶变换，将数据符号由在时延多普勒域上的二维正交基函数扩展为时频域上的符号，m表示多普勒域的索引，n表示时延域的索引；映射过程满足：，其中m代表频域上的子载波数量，n代表时域上的otfs符号数量，j表示虚数单位；定义时频域的平面网格为，满足：；s23：通过海森堡变换将时频域中的符号转化为连续的时域发送信号x(t)，时域发送信号x(t)为雷达通信一体化信号，变换公式如下：，式中代表发送脉冲/波形，t代表时间。
[0023]
步骤二：对雷达通信一体化信号进行自适应otfs帧结构优化处理；根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的中导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；具体的，步骤二包括以下子步骤：t1：构建典型的帧结构模型；本实施例使用三种不同的性质的符号来设计otfs各帧的帧结构，实现通信性能与雷达性能的权衡，这三种符号为导频符号、保护符号和数据符号，其中导频符号用于信道估计，提高通信系统可靠性，保护符号用于避免导频和数据符号之间的干扰，提高雷达检测与估计性能，数据符号用于传输通信数据，提高通信系统的有效性；典型的帧结构模型包括：第一典型帧结构模型，表达式为：其中为导频符号，0为保护符号，分别表示时延多普勒平面数据网格中的一个格子的多普勒轴上的坐标和时延轴上的坐标；第一典型帧结构模型设计除了包含一个导频符号外，其余的时延多普勒域信号网格均放置保护符号，多个保护符号一同构成一个保护带且保护间隔远大于最大时延和多普勒频移，使得目标物体经过匹配滤波处理后得到的模糊函数不会受到旁瓣的干扰，其输出响应不会淹没在旁瓣之中并且具有非常尖锐的主瓣，实现雷达对目标的高精度检测与估计。
[0024]
如图2所示，图中为一个仅含导频和保护符号的帧结构设计，水平方向表示l
p
，竖直方向表示k
p
，图中“*”代表数据符号，
“○”
代表保护符号，
“×”
代表导频符号。
[0025]
第二典型帧结构模型，表达式为：；其中表示数据符号，表示当导频符号和任意数据符号之间的保护间隔≥最大多普勒频移和时延时，一个帧结构中包含的最大数据符号数量；同时也满足任意两个数据符号之间以及数据符号与导频之间的最小保护间隔宽度大于等于最大多普勒频移和最大时延，表示为：；其中表示最小多普勒频移保护间隔宽度，表示最小时延保护间隔宽度；第二典型帧结构模型设计在第一典型帧结构模型中加入了数据符号，每一个数据符号和导频符号均受到保护符号的保护，且所有的保护间隔均大于或等于最大时延和多普勒频移，消除了数据符号与数据符号、数据符号与导频符号之间的干扰，这也使得匹配滤波处理后得到的模糊函数同样不会存在旁瓣的干扰，在实现雷达对目标的高精度检测与估计的同时确保了通信信息传输的可靠性和一定的通信速率。
[0026]
如图3所示，保护符号围绕每个导频符号和数据符号的otfs帧结构设计，图中“*”代表数据符号，
“○”
代表保护符号，
“×”
代表导频符号。
[0027]
第三典型帧结构模型，表达式为：其中表示第i组数据中含有个数据符号，每一组用大于等于最大多普勒频移和最大时延的保护间隔围绕，其中；第三典型帧结构模型设计是在第二典型帧结构模型的基础上，加入更多的数据符号，将多个数据符号分成一组，每一组用大于或等于最大时延和多普勒频移的保护间隔围绕，由于各组数据中没有加入保护间隔，因此仅在各组数据内存在干扰，各组数据间不会存在干扰，在一定程度上能够提高通信信息的可靠性和通信速率，同时经过匹配滤波处理后得到的模糊函数存在旁瓣的干扰，不利于目标检测使得雷达检测精度和估计性能有所下降。
[0028]
如图4所示，保护符号围绕导频和各组数据符号的otfs帧结构设计，图中“*”代表数据符号，
“○”
代表保护符号，
“×”
代表导频符号。虚线框中为其中一组数据符号。
[0029]
第四典型帧结构模型，表达式为：
其中。
[0030]
第四典型帧结构模型设计则是把所有的数据符号归为一组，仅在导频符号和该组数据符号间添加导频符号，这种帧结构与传统的帧结构设计（如图5所示，图中“*”代表数据符号，
“○”
代表保护符号，
“×”
代表导频符号。虚线框中为其中一组数据符号）类似，数据符号间均会存在干扰，在一定程度上会降低通信信息的可靠性，同时经过匹配滤波处理后得到的模糊函数存在较大旁瓣的干扰，容易干扰或淹没目标物体经匹配滤波后产生的响应使得雷达对目标的检测精度与估计性能下降，但是能够在提供较大通信速率的同时具备一定的雷达检测和估计能力。
[0031]
每一种帧结构模型各有其特点，其对otfs帧结构的自适应动态设计就是基于这四种基本的帧结构进行变化和优化达到权衡通信的速率与雷达模糊函数的目的。实在际应用时，该模块根据系统对雷达和通信的性能的实时要求，基于上述四种不同帧结构设计模型实时地对otfs每一帧中包含的各类符号的数量和位置进行设计安排，来能满足当前系统性能需要；t2：根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于典型的帧结构模型实时对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行调整，以保证所有通信性能参数和雷达性能参数均在阈值范围内；调整的范围包括：每个帧结构中的导频符号、保护符号和数据符号的分组、位置和数量。
[0032]
通信系统的可靠性与误码率有关，当保护间隔大于等于最大多普勒频移和时延时，帧结构的数据符号间干扰降低，误码率降低可靠性增加，但每个帧结构中放置的数据符号数越多，频带利用率就越高，通信的速率就越高，有效性越好，因此需要权衡数据符号与保护符号在每个帧结构中的布置，同时雷达检测和估计精度与匹配滤波后得到的模糊函数有关，若模糊函数中旁瓣值较大，并且旁瓣区存在较大的起伏，存在遮挡效应，则不利于目标检测，估计精度也会随之下降，增加保护间隔会减小模糊函数中的旁瓣干扰同时提高多普勒分辨率进而提高雷达对目标的检测与估计精度，但是又会减少每个帧结构中的数据符号，因此需要权衡每个帧结构中与雷达和通信有关的符号布置，达到通信性能与雷达性能的平衡；根据实际通信性能参数和雷达性能参数，基于上述四种典型的帧结构的不同特点，动态调整设计每个帧结构，实现通信系统与雷达系统的权衡，既在既确保通信系统的有效性和可靠性（低误码率、传输速率和频带利用率）的同时也确保雷达系统对目标物体的检测与估计（高时延主瓣旁瓣比和高多普勒主瓣旁瓣比）性能。
[0033]
当通过雷达性能参数监测到雷达系统性能下降，如经过匹配滤波后得到的模糊函数存在较大旁瓣干扰或旁瓣区域中存在较大波动不利于目标检测导致雷达对目标的检测精度与估计性能下降，使得时延主瓣旁瓣比低于其阈值（时延主瓣旁瓣比阈值）或者多普勒主瓣旁瓣比低于其阈值（多普勒主瓣旁瓣比阈值）就增加每一帧结构中对数据符号和导频符号的保护间隔并减少数据符号的数量，并且把数据
符号分成更多的小组，每个小组用对应的保护间隔来降低各小组间的相互干扰，使得模糊函数主瓣更加尖锐，降低旁瓣干扰或淹没目标物体经匹配滤波后产生的响应，使得多普勒分辨率也得到了改善，提高雷达对目标的检测和估计性能，同时每个帧结构中包含的数据符号也确保了通信系统能够正常进行信息传输。
[0034]
当通过通信性能参数监测到通信系统性能下降，如误码率超过其阈值或者频带利用率低于其阈值（频带利用率阈值为0.7baud/hz）时，就减少在时延多普勒域中对每个数据符号和导频的保护带宽度仅让保护带宽度等于最大多普勒频移和时延，同时减少数据符号的分组数，增加每个帧结构包含的的数据符号数量进而提高通信系统的有效性和可靠性，同时每个帧结构中存在的保护间隔也确保了雷达系统能够正常进行目标检测和估计；当该模块监测到通信和雷达系统的性能均下降时，该模块会将时延多普勒域中的数据符号分成n组，给每一组周围添加保护带，降低时延和多普勒模糊，在提供有效的通信的同时保证了雷达检测的精度，实现通信性能和雷达性能要求之间的权衡。
[0035]
如图6所示，实时监测系统对通信性能和雷达性能的要求，当系统对通信性能要求增加时，就增加帧结构中的数据符号数量，减少数据分组数量，使保护间隔宽度刚好满足最大时延和多普勒频移，从而提高了通信系统的有效性和可靠性；当系统对雷达性能要求增加时，就增加帧结构中每一个数据符号和导频符号的保护带宽度，使保护间隔宽度大于等于最大时延和多普勒频移，从而提高雷达监测的检测精度和估计性能；当系统要求当系统和雷达性能均增加时，将帧结构中数据符号分成n组，给每一组周围添加保护间隔，在提供有效通信性能的同时保证雷达检测的精度。
[0036]
步骤三：基站向用户端发送自适应otfs帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端向基站发送通信信号并反射雷达回波信号；步骤四：基站通信接收通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
[0037]
基站通信接收通信信号，基站的接收机通过接收天线获得接收信号y(t)，接收信号y(t)为发送信号经过信道后叠加噪声n(t)得到，其表达式如下：，其中，是时延多普勒信道的传输函数，表示时延，表示多普勒平移，通过对导频序列的信道估计来确定。
[0038]
接收机对接收信号y(t)进行otfs解调得到时延多普勒域符号y[k,l]，具体步骤为：步骤4.1在用户端使用基站的逆操作，首先通过魏格纳变换（wigner transform）将接收信号y(t)与接收脉冲/波形进行匹配滤波得到互模糊函数，魏格纳变换如下：，其中，表示共轭运算，表示与y(t)的互模糊函数，即，为引入的积分变量，f表示频率变量然后对互模糊函数以间隔t=nt和进行采样，得到下式时频域信号：
步骤4.2对时频域信号进行辛有限傅里叶变换（symplectic finite fourier transform，ssft）得到时延-多普勒域上的信号，变换过程满足下式：。
[0039]
步骤4.3分离出两组不同的接收符号：第一组涉及导频和保护带的用于信道估计，得到通信信道的传输函数，第二组仅含数据的接收符号用于数据检测，得到估计信号；其中，分离出的导频符号可以估计出通信信道传输函数中的参数，包括时延和多普勒平移；在确定了通信信道的传输函数之后就可以得到输入输出的关系，进行数据检测得到估计信号；时延多普勒信道的传输函数表达式为下式：，其中，p是传播路径的数量，、、表示与第i条路径相关的复增益、延迟和多普勒频移，并且和定义为下式：其中和表示第i条路径相对于延迟多普勒网格γ中的时延抽头和多普勒抽头，因此离散形式的时延多普勒域通信信道传输函数可写作下式：利用导频进行信道估计可以得到每个路径的相关参数，进而得到在时延多普勒域中输入与输出的关系为：；其中，表示该传输路径的幅度增益，表示加性高斯白噪声矩阵且满足，表示取模运算，表示相移，其表达式可写作下式：根据上述关系，可以将时延多普勒域中输入与输出的关系用下述矩阵表示：，其中x为发送符号列矢量、y为接收符号列矢量、h为通信信道列矢量、u为信道噪声列矢量，并且他们满足由时延多普勒域中otfs中的输入-输出映射关系可知在用户端，接收信号是时延多普勒域信道与发送信号二维卷积的结果，导频部分用于信道估计，是信道与脉冲导频二维卷积的结果，当该部分接收到的信号能量大于某个门限值时，即判定为存在时延多普勒域信道脉冲响应，将各个信道响应值估计出后，即可求得矩阵h并将其用作信号检测。
[0040]
基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理过程包括：g1：基站接收到雷达回波信号后进行otfs解调得到时延-多普勒域的雷达回波信号；
g2：根据雷达回波信号确定otfs雷达回波信号的输入输出关系；g3：基于雷达回波信号的输入输出关系进行匹配滤波得到雷达信道响应函数；具体包括以下子步骤：g31. otfs雷达回波信号的输入输出关系表示为：；其中r为接收回波符号列矢量、h为雷达信道传输函数列矢量，w为信道噪声列矢量；矩阵表示为：；其中均是由mn
×
1维含有多普勒频移和时延信息的不同发送符号列矢量x构成，用表示，n0=1，2，
…
，n0；m0=1，2，
…
，m0；mn表示一个帧结构中包含的符号个数，是将最大多普勒频移和最大时延经过归一化后表示的二维区域经过等分后的个小区域个数，所有包含不同多普勒频移和时延信息的发送符号列矢量x的集合构成了，其中列矢量的下角标表示在二维时延多普勒与域个小区域中的一个具体区域的归一化多普勒频移和归一化时延，该区域经过去归一化后的时延和多普勒频移表示为：；g32：基于otfs雷达回波信号的输入输出关系匹配滤波变换得到维匹配滤波处理估计的雷达信道响应函数：，表示共轭转置，表示信道噪声；g为增益矩阵且当帧结构中的导频符号与数据符号以及数据符号间的保护间隔均大于或等于最大多普勒频移和最大时延时（如第一典型帧结构模型和第二典型帧结构模型），g为理想的单位对角阵，满足下式：g4：对雷达信道响应函数进行检测和估计，确定基站与用户端的相对距离和相对速度，具体包括以下子步骤：g41.对雷达信道响应函数进行门限检测：对统计均值和方差，|*|表示绝对值，按高斯或瑞利模型构造的噪声分布设定门限；首先将维雷达信道响应函数按照每行个元素顺序排列成的维矩阵，当矩阵中的某个元素时，视为有用户端，取出用户端对应的时延和多普勒信息，其时延信息为，多普勒频移信息为，用户端与基站的相对速度，满足下式关系：
其中c为光速，为载波频率，表示最大多普勒频移；基站与用户端的相对距离由下式确定：。
[0041]
由第一典型帧结构模型和第二典型帧结构模型进行匹配滤波后得到的模糊函数图像如图7所示，图中的网格底面是时延（delay）轴和多普勒（doppler）轴构成的二维平面，各轴单位分别是秒（ts）和赫兹（hz），将二维时延多普勒域归一化后分成了n0×
m0个小区域（n0行m0列）摆放在图中的二维平面并为每个区域赋予坐标，其中时延轴各区域对应的坐标范围是0到m
0-1，共m0个离散坐标，多普勒轴各区域对应的坐标范围是到
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，共n0个坐标，由此将匹配滤波后得到的模糊函数图像在二维时延多普勒域归一化后分成了n0×
m0个小区域上得到表示，由第三典型帧结构模型进行匹配滤波后得到的模糊函数图像如图8所示，图中各参数设置与图7一致由第四典型帧结构模型进行匹配滤波后得到的模糊函数图像如图9所示图中各参数设置与图7一致。
[0042]
实施例2本实施例提供基于自适应otfs帧结构的雷达通信一体化系统，如图10和图11所示，包括：预处理模块、自适应帧结构设计模块、基站和用户端；用户端包括：远端飞行设备、无人机设备以及其他的移动无线设备，如直升机、无人机和汽车等设备；所述自适应帧结构设计模块位于基站；预处理模块用于对通信数据流进行otfs调制得到雷达通信一体化信号；自适应帧结构设计模块用于对雷达通信一体化信号进行自适应otfs帧结构优化处理；自适应帧结构设计模块用于根据实际通信性能参数和雷达性能参数对雷达通信一体化信号的每个帧结构进行优化，所述优化过程包括调整每个帧结构中的中导频符号、保护符号和数据符号的组成结构；基站向用户端发送自适应otfs帧结构优化处理后的雷达通信一体化信号；用户端用于接收到来自基站的雷达通信一体化信号，同时反射雷达回波信号；基站还用于通信接收用户端的通信信号并基于通信信号进行信道估计处理；同时基站接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。
[0043]
基站包含有通信接收机和回波接收机，通信接收机接收回传数据后，根据回传数据进行信道估计处理；同时回波接收机接收雷达回波信号并基于雷达回波信号进行匹配滤波处理。回传数据经过otfs解调后得到用于目标检测与信道估计，通过对雷达回波信号进行匹配滤波处理得到估计出时延多普勒域雷达信道的模糊函数，根据模糊函数包含的时延和多普勒信息即可检测出目标物体的时延和多普勒信息并且计算出探测目标物体用户端与基站的相对距离和相对运动速度。
[0044]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。