楊 超，張逸格，鄭 霖

(桂林電子科技大學(xué) 廣西認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引言

由于未來(lái)電子對(duì)抗平臺(tái)需要配備多種電子設(shè)備，但裝備的體積、質(zhì)量以及電磁兼容等問(wèn)題往往難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。為此，多功能的一體化系統(tǒng)成為一種有效的解決途徑。

最早的雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)出現(xiàn)于 1978年美國(guó)航空航天局(NASA)空間軌道飛行器，隨后還有多功能射頻綜合系統(tǒng)AMRFC、具有信號(hào)處理模塊共享機(jī)制的“寶石柱” “寶石臺(tái)”以及海軍集成桅桿技術(shù)計(jì)劃等。近幾年國(guó)外的一體化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目仍在繼續(xù)，如2018美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA和洛馬公司臭鼬工廠(chǎng)共同開(kāi)展了“體系集成技術(shù)與實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目研發(fā)[1]，旨在基于信息系統(tǒng)的作戰(zhàn)體系將偵查、探測(cè)、通信、干擾、打擊及評(píng)估等各種作戰(zhàn)單元進(jìn)行無(wú)縫連接，以及為了增強(qiáng)單兵便攜式多功能裝備性能和多兵種協(xié)同作戰(zhàn)的能力。2018年美國(guó)陸軍納蒂克士兵研究開(kāi)發(fā)與工程中心發(fā)布的“未來(lái)士兵”研發(fā)板塊[2]，介紹了未來(lái)單兵裝備將具備環(huán)境勢(shì)態(tài)感知、健康狀態(tài)監(jiān)控、人車(chē)/人與無(wú)人機(jī)的交互控制以及協(xié)同編隊(duì)作戰(zhàn)等功能。

早期的多功能一體化系統(tǒng)理念主要停留在設(shè)備層面上的集成，不同系統(tǒng)仍占據(jù)不同的頻段資源。而隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，頻譜資源越來(lái)越緊張，多個(gè)國(guó)家都在促進(jìn)多系統(tǒng)多業(yè)務(wù)頻率共享機(jī)制的發(fā)展。從電視白頻譜到2.3 GHz、3.5 GHz頻段的多種業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)共享模式表明了各國(guó)對(duì)提高頻譜資源利用率的迫切需求。我國(guó)為了推動(dòng)頻率共享機(jī)制的發(fā)展，也出臺(tái)了相應(yīng)的有力政策，如2013年的“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略中就明確了將2 300～2 400 MHz頻段的雷達(dá)和移動(dòng)通信頻譜進(jìn)行共享。因此，為了降低頻譜資源的開(kāi)銷(xiāo)，波形共用機(jī)制下的雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計(jì)研究成為近幾年的熱點(diǎn)。

本文首先闡述了基于維度復(fù)用的一體化波形設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題以及不同維度復(fù)用方式的優(yōu)劣；然后詳細(xì)介紹了兩種主流波形體制的一體化波形設(shè)計(jì)，以及基于信息論的不同雷達(dá)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)下的一體化波形設(shè)計(jì)思路及研究進(jìn)展；最后討論了當(dāng)前一體化波形存在的問(wèn)題以及展望未來(lái)一體化系統(tǒng)發(fā)展方向。

1 基于維度復(fù)用的一體化波形設(shè)計(jì)

基于維度復(fù)用的一體化波形設(shè)計(jì)，即在時(shí)、頻、碼或空間緯度上利用不同正交資源加載不同功能的方式，如時(shí)分、頻分、碼分和空分(近幾年)，該方式類(lèi)似于通信系統(tǒng)里的多址方式。

不同維度復(fù)用方式的雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計(jì)各具優(yōu)缺點(diǎn)，表1列出了4種復(fù)用方式的優(yōu)劣對(duì)比。

表1 不同維度復(fù)用的一體化波形設(shè)計(jì)對(duì)比

基于維度復(fù)用的一體化波形，并沒(méi)有提高資源的利用率。若把時(shí)頻碼空四維看成一個(gè)四維資源塊的話(huà)，這些方式只是通過(guò)劃分資源塊進(jìn)行功能劃分，仍存在資源競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。

2 基于現(xiàn)有體制的一體化共用波形設(shè)計(jì)

共用波形的一體化設(shè)計(jì)思路是采用相同波形并能夠同時(shí)完成雷達(dá)和通信功能，所以并不存在資源競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。雖然共用波形信號(hào)可共用各維度資源，但是通信調(diào)制信息的隨機(jī)性會(huì)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的性能造成損失。

2.1 基于OFDM的共用波形設(shè)計(jì)

近幾年由于調(diào)制效率高且抗多徑衰落，使得OFDM信號(hào)在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，不少學(xué)者試圖在OFDM信號(hào)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適用于雷達(dá)通信一體化的波形，主要研究可分為兩大類(lèi)：OFDM和具有恒包絡(luò)的CE-OFDM的一體化波形。

2.1.1 基于常規(guī)OFDM的一體化波形設(shè)計(jì)

在OFDM一體化波形設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[31]將多個(gè)OFDM符號(hào)作為一個(gè)一體化信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)符號(hào)的相位來(lái)優(yōu)化OFDM的模糊函數(shù)，為此提出了基于多頻互補(bǔ)相位編碼的OFDM雷達(dá)信號(hào)，但通信信息只能通過(guò)對(duì)OFDM符號(hào)整體加載相位調(diào)制。隨后，文獻(xiàn)[32-33]改用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制優(yōu)化整體信號(hào)的模糊函數(shù)，這類(lèi)方法雖然能夠獲得較好的模糊函數(shù)性能，但并沒(méi)有考慮峰均比的問(wèn)題。

由于信號(hào)峰均比高且OFDM信號(hào)僅有較小的時(shí)間出現(xiàn)高峰值[34]，這將造成射頻功放的效率損失，同時(shí)還會(huì)因非線(xiàn)性失真導(dǎo)致帶外輻射增加和誤碼性能下降。因此，需要在OFDM信號(hào)發(fā)射前降低信號(hào)的峰均比，文獻(xiàn)[35]采用混沌相位編碼對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，結(jié)合自模糊函數(shù)和峰均比兩個(gè)指標(biāo)對(duì)相位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[36]利用動(dòng)態(tài)星座擴(kuò)展對(duì)OFDM的峰均比進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能影響并不大，其基本思想是通過(guò)對(duì)星座點(diǎn)位置的調(diào)整來(lái)減少相同相位出現(xiàn)的概率，從而降低信號(hào)的峰均比。

由于每個(gè)子載波上調(diào)制通信信息所帶來(lái)的隨機(jī)性會(huì)對(duì)模糊函數(shù)造成影響，文獻(xiàn)[37-38]分析了隨機(jī)調(diào)制的通信信息對(duì)雷達(dá)模糊函數(shù)帶來(lái)的影響，并通過(guò)對(duì)通信信息進(jìn)行預(yù)調(diào)制處理，以保證不同符號(hào)間所調(diào)制的通信信息具有良好的非周期自相關(guān)和互相關(guān)特性，從而降低了因通信調(diào)制所造成的雷達(dá)性能損失。

隨著多天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為了提高一體化系統(tǒng)的目標(biāo)方位估計(jì)精度，相關(guān)研究者也開(kāi)始了MIMO OFDM的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[39]提出MIMO OFDM雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，每根天線(xiàn)均發(fā)送步進(jìn)頻率OFDM通信信號(hào)，不同天線(xiàn)間也采用步進(jìn)的頻率保證天線(xiàn)間信號(hào)的正交性，如圖1所示。類(lèi)似文獻(xiàn)[40]以多符合組幀結(jié)構(gòu)發(fā)送，不同天線(xiàn)采用OFDM正交頻分方式保證MIMO雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的正交性。隨后，文獻(xiàn)[41]提出基于此架構(gòu)的目標(biāo)距離精估計(jì)和角度精估計(jì)算法。文獻(xiàn)[42]進(jìn)一步提出了一種隨機(jī)復(fù)用調(diào)制的MIMO OFDM系統(tǒng)，不同天線(xiàn)均采用相同頻帶的OFDM信號(hào)，但需要進(jìn)行時(shí)頻塊資源隨機(jī)選取，以保證不同天線(xiàn)間發(fā)射信號(hào)的正交性，最后通過(guò)壓縮感知算法可獲得精確的角度估計(jì)值。由于MIMO雷達(dá)要求各天線(xiàn)發(fā)射正交波形，所以MIMO的引入并沒(méi)有增加通信容量。

圖1 MIMO OFDM一體化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of MIMO OFDM integrated system

2.1.2 基于恒包絡(luò)正交頻分復(fù)用的一體化波形設(shè)計(jì)

為了獲得恒包絡(luò)的OFDM調(diào)制信號(hào)，文獻(xiàn)[43]提出了恒包絡(luò)正交頻分復(fù)用(CE-OFDM)概念，其思想是將OFDM調(diào)制信號(hào)植入到具有恒包絡(luò)信號(hào)的相位中。由于該OFDM調(diào)制加載到相位調(diào)制上需要保證OFDM是個(gè)實(shí)數(shù)信號(hào)，為此需要通過(guò)對(duì)稱(chēng)共軛設(shè)計(jì)子載波數(shù)據(jù)使其實(shí)數(shù)化。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)相位提取后，可獲得已調(diào)制的實(shí)數(shù)OFDM信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)DFT處理從對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)獲得解調(diào)數(shù)據(jù)，其信號(hào)處理流程如圖2所示?；诖?，不少研究者試圖將恒包絡(luò)OFDM應(yīng)用到雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)中。

圖2 CE-OFDM調(diào)制解調(diào)信號(hào)處理流程圖Fig.2 CE-OFDM modulation and demodulation signal processing flow chart

文獻(xiàn)[44]將P4碼與CE-OFDM相結(jié)合可優(yōu)化其模糊函數(shù)，研究表明其模糊函數(shù)特征具有圖釘狀的結(jié)構(gòu)。但由于信號(hào)相位被實(shí)數(shù)OFDM調(diào)制，所以相位會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的峰均比問(wèn)題，進(jìn)而造成其頻譜效率下降。文獻(xiàn)[45-47]針對(duì)CE-OFDM雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)對(duì)信號(hào)峰均比和頻譜效率兩方面的問(wèn)題，通過(guò)相位調(diào)制以及相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行折中處理，同時(shí)分析了調(diào)制指數(shù)對(duì)兩個(gè)性能指標(biāo)的影響。由于CE-OFDM的相位調(diào)制系數(shù)會(huì)影響到距離估計(jì)性能，文獻(xiàn)[48]分析了相位調(diào)制系數(shù)與距離估計(jì)性能之間的關(guān)系，在確保通信速率不變的條件下通過(guò)優(yōu)化調(diào)制系數(shù)來(lái)提升距離估計(jì)精度。

總體來(lái)說(shuō)，基于OFDM的一體化波形主要問(wèn)題：一是存在大峰均比問(wèn)題，雖然CE-OFDM可以解決恒包絡(luò)問(wèn)題，但代價(jià)是需要犧牲很多頻譜效率；二是雷達(dá)模糊函數(shù)受到隨機(jī)調(diào)制信息影響，雖然可以通過(guò)犧牲調(diào)制效率換取一定模糊函數(shù)性的提升，但是不同符號(hào)的模糊函數(shù)依然存在差異性，這會(huì)導(dǎo)致多脈沖積累時(shí)產(chǎn)生殘余旁瓣調(diào)制等問(wèn)題。考慮到LTE等多種通信物理層協(xié)議中主要還是采用OFDM體制，因此近期研究者也正在試圖利用現(xiàn)有通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)研究，期望在現(xiàn)有通信設(shè)備基礎(chǔ)上附加環(huán)境感知功能。

另一種思路是直接在常用雷達(dá)波形上加載通信信息，常見(jiàn)的雷達(dá)波形有LFM、FSK以及MFSK等，因其具有恒包絡(luò)特征，所以不存在峰均比問(wèn)題，且自身也具有良好的模糊函數(shù)性能。因此，不少研究者也開(kāi)始了基于雷達(dá)信號(hào)的一體化波形設(shè)計(jì)。

2.2 基于LFM的共用波形設(shè)計(jì)

作為雷達(dá)常用波形LFM，其具有恒包絡(luò)特性，且可通過(guò)脈沖壓縮獲得高距離分辨力?；诖?，許多學(xué)者將其與相位調(diào)制、FSK調(diào)制、多載波調(diào)制以及多斜率調(diào)制等通信調(diào)制方式相結(jié)合設(shè)計(jì)了雷達(dá)通信一體化波形。

2.2.1 基于相位編碼調(diào)制

在LFM的基礎(chǔ)上利用不同擴(kuò)頻序列代表不同信息，文獻(xiàn)[49]采用直接序列擴(kuò)頻碼作為通信信息嵌入在FM信號(hào)中，并指出該一體化波形的模糊函數(shù)性能與頻譜擴(kuò)展程度存在沖突且與M序列的相位關(guān)系有關(guān),其信號(hào)調(diào)制過(guò)程如圖3所示。

圖3 基于相位編碼調(diào)制的FMCW一體化波形設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of FMCW integrated waveform design based on phase coded modulation

由于直擴(kuò)會(huì)存在相位跳變的問(wèn)題，使得這類(lèi)方法無(wú)法直接采用傳統(tǒng)差拍處理，所以文獻(xiàn)[50]采用群時(shí)延濾波先進(jìn)行時(shí)延對(duì)準(zhǔn)，然后去除直擴(kuò)相位跳變的方法。但是該時(shí)延對(duì)準(zhǔn)精度依賴(lài)于FMCW對(duì)差拍頻率的估計(jì)，而時(shí)延對(duì)準(zhǔn)的誤差對(duì)相位跳變的補(bǔ)償很敏感。

由于經(jīng)連續(xù)相位調(diào)制(CPM)的FMCW,又稱(chēng)Polyphase-Coded FM (PCFM)具有更好的譜效率以及恒包絡(luò)特性[51-52]，故文獻(xiàn)[53]在PCFM波形基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)符號(hào)內(nèi)部再進(jìn)行通信調(diào)制，調(diào)制方式仍采用CPM以保證不影響譜效率和恒包絡(luò)特性，但這種方法會(huì)對(duì)距離旁瓣產(chǎn)生調(diào)制作用，導(dǎo)致主旁瓣比下降。且由于距離旁瓣調(diào)制與調(diào)制信息有關(guān)，所以調(diào)制波形具有隨機(jī)性，進(jìn)而會(huì)對(duì)多普勒維的脈沖主旁瓣造成影響[54]。為此，還需要額外的距離旁瓣抑制處理來(lái)降低雷達(dá)性能的損失[55]。

2.2.2 基于FSK調(diào)制

文獻(xiàn)[56]提出FSK+PN序列的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，采用FSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)通信功能，在多個(gè)FSK符號(hào)上加載PN序列以提高信號(hào)的相關(guān)性能，并把多個(gè)符號(hào)作為一個(gè)大時(shí)寬的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理可獲得目標(biāo)信息。文獻(xiàn)[57]提出FSK調(diào)制與LFM相結(jié)合的一體化波形，并利用短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行頻率的判決。文獻(xiàn)[58]提出在一個(gè)LFM信號(hào)內(nèi)部選擇一小段時(shí)間進(jìn)行MSK+LFM調(diào)制，并設(shè)置保護(hù)間隔以防止帶間干擾，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)主旁瓣比影響較小。文獻(xiàn)[59]搭建了一個(gè)FSK-LFM的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，在實(shí)際環(huán)境下測(cè)試一體化系統(tǒng)的性能。此外，文獻(xiàn)[60]采用多頻點(diǎn)鍵控的LORA調(diào)制信號(hào)傳輸通信數(shù)據(jù)，雷達(dá)接收機(jī)通過(guò)dechirp處理后的差拍頻率對(duì)目標(biāo)距離速度進(jìn)行估計(jì)，其信號(hào)處理流程如圖4所示。

圖4 多頻點(diǎn)鍵控FMCW一體化系統(tǒng)Fig.4 Multi frequency keying FMCW integrated system

雖然該系統(tǒng)從通信角度無(wú)需多加處理，但是多頻點(diǎn)的LORA對(duì)應(yīng)的雷達(dá)脈沖重復(fù)時(shí)間非常短，這會(huì)導(dǎo)致它的不模糊距離非常短?？傮w來(lái)說(shuō)，基于FSK一體化方法的調(diào)制效率還是太低。

2.2.3 基于多載波調(diào)制

① 頻帶重疊的OFDM FMCW，文獻(xiàn)[61-62]采用FRFT-OFDM信號(hào)結(jié)構(gòu)通過(guò)不同初始頻率子LFM信號(hào)加載通信信息，并利用最大似然求解目標(biāo)參數(shù)或通過(guò)調(diào)節(jié)幅度。為了降低多徑環(huán)境下OFDM FMCW通信接收端處理的復(fù)雜度，文獻(xiàn)[63]提出一種基于菲涅變換的正交Chirp分復(fù)用(OCDM)，該結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是接收端的離散信號(hào)經(jīng)菲涅變換后信號(hào)矩陣具有循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。所以在多徑信道條件下，仍可采用單點(diǎn)均衡處理。隨后，文獻(xiàn)[64]提出基于OCDM的一體化系統(tǒng)，將Chirp基分成兩部分，一部分加載通信信息，另一部分用于抑制峰均比，并分析了其模糊函數(shù)仍具有圖釘狀結(jié)構(gòu)。這類(lèi)方法的調(diào)制效率高，但存在嚴(yán)重的峰均比問(wèn)題。

② 頻帶不重疊的多帶FMCW，文獻(xiàn)[65]將LFM與OFDM相結(jié)合提出OFDM Chirp一體化系統(tǒng)，發(fā)射信號(hào)首先進(jìn)行OFDM調(diào)制，然后通過(guò)一個(gè)以線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)為載波的混頻器到達(dá)天線(xiàn)端。接收端采用同樣的線(xiàn)性調(diào)頻載波進(jìn)行混頻，然后通過(guò)FFT處理和解星座獲得數(shù)據(jù)，其信號(hào)處理流程如圖5所示。而雷達(dá)需要將對(duì)整個(gè)OFDM Chirp信號(hào)進(jìn)行匹配處理，但調(diào)制數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會(huì)對(duì)其模糊函數(shù)性能造成影響，為此采用平均模糊函數(shù)對(duì)雷達(dá)性能進(jìn)行了評(píng)估。該方法中OFDM與傳統(tǒng)OFDM存在區(qū)別，其載波間隔要求等于線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)帶寬。由于FMCW的頻譜并不發(fā)生重疊，所以頻譜利用率很低。

圖5 OFDM Chirp一體化信號(hào)處理流程圖Fig.5 Flow chart of OFDM chirp integrated signal processing

2.2.4 基于多斜率調(diào)制

鑒于多斜率FMCW可解決單斜率存在的距離多普勒耦合[66]以及多目標(biāo)配對(duì)問(wèn)題[67]，文獻(xiàn)[68]提出多斜率鍵控調(diào)制的FMCW一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)仍采用差拍處理后的頻率值來(lái)估計(jì)目標(biāo)信息，且通過(guò)相鄰脈沖相位差估計(jì)目標(biāo)速度。另一方面將通信信息加載在不同的斜率上，接收端通過(guò)不同斜率的相關(guān)處理來(lái)解調(diào)數(shù)據(jù)。最后，指出該一體化通信的誤碼性能與選擇的斜率差有關(guān)，并通過(guò)硬件平臺(tái)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該方法的可行性。該類(lèi)方法問(wèn)題在于斜率的改變會(huì)造成信號(hào)帶寬在變，所以會(huì)損失系統(tǒng)頻帶利用率。而且差拍后的頻率會(huì)隨斜率而改變，從而會(huì)對(duì)多脈沖間的相干積累處理造成影響。

雖然多載波FMCW調(diào)制效率較高，但也失去了原本恒包絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，其余大部分FMCW一體化方式的調(diào)制效率依然較低。但換個(gè)角度來(lái)看，在雷達(dá)應(yīng)用中通常所提供的帶寬資源非常大，即使通信調(diào)制效率較低，也依然能夠提供不小的通信容量。尤其對(duì)車(chē)載領(lǐng)域的雷達(dá)使用者而言，更重要是能夠不損失雷達(dá)性能，通信只是額外的附加功能。且現(xiàn)在車(chē)載雷達(dá)領(lǐng)域FMCW已成為主流波形體制，所以FMCW波形的一體化體制與當(dāng)前雷達(dá)傳感器設(shè)備具有更好的兼容性，也具有更好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

3 基于信息論的共用波形設(shè)計(jì)

為了從理論上獲得最佳的一體化波形，以信息論為支撐，部分學(xué)者展開(kāi)了一體化系統(tǒng)的理論界及最優(yōu)波形的研究，以雷達(dá)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為雷達(dá)互信息和雷達(dá)估計(jì)速率兩類(lèi)。

3.1 基于雷達(dá)互信息優(yōu)化

西安電子科技大學(xué)廖桂生教授團(tuán)隊(duì)提出基于OFDM波形通過(guò)調(diào)節(jié)不同子載波上的能量來(lái)最小化雷達(dá)互信息量，同時(shí)聯(lián)合通信容量進(jìn)行組合加權(quán)，可在系統(tǒng)雷達(dá)性能和通信性能做折衷處理[69]。

北京郵電大學(xué)馮志勇教授團(tuán)隊(duì)提出基于CD-OFDM波形共享一體化信號(hào)，采用碼分的OFDM結(jié)合串行干擾消除技術(shù)，通信和探測(cè)使用不同的碼本資源，有效分離通信與探測(cè)信號(hào)，避免它們之間的干擾，安全性得以保障[70]。

同樣采用OFDM體制，文獻(xiàn)[71]通過(guò)優(yōu)化OFDM波形最小化雷達(dá)互信息，從而降低蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)間干擾。此外，還有將雷達(dá)互信息擴(kuò)展至一體化MIMO系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)MIMO陣列波形優(yōu)化以調(diào)節(jié)波束達(dá)到降低雙功能系統(tǒng)間干擾的目標(biāo)，文獻(xiàn)[72]探討了MIMO雷達(dá)目標(biāo)定位的克拉美羅界和互信息,以及分布式MIMO通信系統(tǒng)間的性能優(yōu)化問(wèn)題，文獻(xiàn)[73]基于M進(jìn)制的位置與相位聯(lián)合調(diào)制以最小化接收信號(hào)的互信息量為優(yōu)化目標(biāo)，到達(dá)降低多系統(tǒng)間干擾的目的。

3.2 基于雷達(dá)估計(jì)速率優(yōu)化

Bliss主要研究了具有獨(dú)立雷達(dá)或通信功能的多系統(tǒng)間共存問(wèn)題，并提出雷達(dá)的估計(jì)信息速率概念用來(lái)估計(jì)雙功能系統(tǒng)的性能邊界[74-75]。相關(guān)研究包括：文獻(xiàn)[76]將不同系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)視為干擾，通過(guò)最大化雷達(dá)估計(jì)速率和通信速率，降低多系統(tǒng)間電磁干擾，從而解決雷達(dá)通信多系統(tǒng)共存問(wèn)題。文獻(xiàn)[77]進(jìn)一步解釋了雷達(dá)估計(jì)速率的內(nèi)涵，指出通信速率與雷達(dá)估計(jì)速率的比特值并不相等。另外，考慮到雷達(dá)估計(jì)速率可作為目標(biāo)估計(jì)參數(shù)的不確定性以及在給定的跟蹤周期內(nèi)信息傳遞量的度量，所以文獻(xiàn)[78]進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)雷達(dá)的檢測(cè)周期，以最大化雷達(dá)估計(jì)速率和通信速率，從而最小化雷達(dá)頻譜共用對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響。除了信干噪比外，匹配輸出的波形主旁瓣也影響著一體化系統(tǒng)的性能，文獻(xiàn)[79]對(duì)波形頻譜進(jìn)行加權(quán)，來(lái)調(diào)節(jié)距離主瓣和旁瓣對(duì)雷達(dá)估計(jì)速率和通信誤碼率所帶來(lái)的影響。

此外，該思想還擴(kuò)展到了一些其他應(yīng)用場(chǎng)景，如將雷達(dá)作為中繼的多系統(tǒng)合作模式，文獻(xiàn)[80]提出基于雷達(dá)速率和通信速率優(yōu)化的多用戶(hù)頻譜共用合作系統(tǒng)。在MIMO場(chǎng)景下不同雷達(dá)和通信系統(tǒng)間干擾視為一種多址干擾，通過(guò)調(diào)節(jié)陣列導(dǎo)向矢量獲得最佳的雷達(dá)估計(jì)速率和通信速率[81]。但都未考慮實(shí)際雜波環(huán)境對(duì)一體化性能的影響，文獻(xiàn)[82]分析了雜波干擾抑制對(duì)雷達(dá)估計(jì)速率的影響，然后將殘余雜波視為一種加性噪聲，最后研究了合作模式下多系統(tǒng)干擾對(duì)消后的性能。

4 未來(lái)一體化系統(tǒng)展望

① 新體制波形的出現(xiàn)，如近幾年在通信領(lǐng)域出現(xiàn)的OTFS調(diào)制方式，不僅在距離多普勒域上具有良好的聚焦性，還具有良好的抗時(shí)頻色散能力，使其在通信領(lǐng)域成為了新的焦點(diǎn)，也促使某些學(xué)者開(kāi)始OTFS一體化系統(tǒng)的研究[83-84]。

② 雷達(dá)互信息和雷達(dá)估計(jì)速率并不能反映雷達(dá)的全部性能，如雷達(dá)的距離、多普勒、方位分辨率以及主旁瓣比等性能參數(shù)。因此，對(duì)波形優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)仍需進(jìn)一步探討?；诶走_(dá)互信息的方式，還需要先驗(yàn)信道信息且信道狀態(tài)穩(wěn)定，而實(shí)際中難以滿(mǎn)足這種要求，應(yīng)考慮在一定不確定性信道條件下設(shè)計(jì)具有穩(wěn)健性的一體化波形方法。

③ 現(xiàn)階段MIMO雙功能一體化的系統(tǒng)，雖然可利用共同的波形，但是本質(zhì)上還停留在空分方式上。對(duì)于雙功能系統(tǒng)而言，并沒(méi)有共同利用空間資源，尤其是一體化的通信功能并未利用到空間增益。近期Hanssanien提出了在不改變MIMO雷達(dá)波形結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)一體化系統(tǒng)的通信功能，從空間索引的角度提出一種通過(guò)多天線(xiàn)發(fā)射波形的順序來(lái)傳遞通信信息，并證明該方法并不會(huì)影響雷達(dá)系統(tǒng)性能，但其要求通信接收機(jī)具有波束方向的先驗(yàn)信息[85]。另一方面，文獻(xiàn)[86]對(duì)空間順序調(diào)制的通信效率和性能進(jìn)行初步探討。但不同天線(xiàn)波形匹配輸出的不一致性，會(huì)導(dǎo)致空間調(diào)制產(chǎn)生波束旁瓣調(diào)制等問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。

④ 多基地的一體化問(wèn)題。當(dāng)前大部分研究主要集中在單基地模式，單基地收發(fā)一體模式下接收端可以獲得通信信號(hào)的先驗(yàn)信息。但雙基地或多基地模式下接收端缺乏先驗(yàn)的通信信號(hào)，無(wú)法直接分離或去除一體化波形中通信調(diào)制的影響，也無(wú)法直接采用對(duì)應(yīng)的匹配濾波器，因此需要討論收發(fā)分離體制下雷達(dá)雜波對(duì)通信解調(diào)的影響，以及通信非理想解調(diào)情況下對(duì)一體化性能的影響。

此外，一體化雙工問(wèn)題、上下行多址問(wèn)題也受到了關(guān)注，Hassanien團(tuán)隊(duì)基于空分的方式提出一種一體化上行鏈路多址方案[87]。

⑤ 當(dāng)前大部分研究與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性較差，為了更好地適應(yīng)產(chǎn)業(yè)界的需求，部分研究人員也已經(jīng)開(kāi)始利用一些現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了近幾年雷達(dá)通信一體化波形設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展。整體來(lái)看，波形共用機(jī)制已然是當(dāng)前一體化主推的方向，而考慮到已有通信和雷達(dá)設(shè)備的兼容性，OFDM與LFM體制依然是當(dāng)前兩大主流一體化波形形式，同時(shí)還出現(xiàn)了OTFS等新體制波形。但大部分研究并未考慮系統(tǒng)復(fù)雜度，以及現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兼容性、多節(jié)點(diǎn)協(xié)同等問(wèn)題，所以仍然難以推廣至實(shí)際應(yīng)用。另外，基于信息論的一體化波形優(yōu)化方式可從理論上評(píng)估波形優(yōu)劣，成為一體化波形優(yōu)化的新風(fēng)向標(biāo)。但其先驗(yàn)信息在實(shí)際中難以提前獲得，所以應(yīng)思考基于信息論的波形優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題中如何降低其對(duì)先驗(yàn)信息的依賴(lài)性，才能在實(shí)際應(yīng)用中起到指導(dǎo)作用。此外，一體化系統(tǒng)還存在雙工、上下行鏈路多址以及雙多節(jié)點(diǎn)一體化組網(wǎng)等問(wèn)題有待研究。