面向5G演进的通感融合链路级仿真平台设计及性能评估

摘要

针对通感融合高速发展的趋势及对仿真验证的需求,设计了通感融合的链路级仿真平台。介绍了仿真平台的架构、流程以及感知目标距离与速度联合估计原理。对仿真平台的信号生成模块、无线通信信道与感知信道建模、回波接收与参数估计进行了说明。最后,对仿真平台的感知性能进行了仿真评估,证明平台对感知目标估计的准确性。

关键词： 5G演进; 通感融合; 链路级仿真; 速度距离联合估计

Abstract

This paper designes a link-level simulation platform for integrated sensing and communication aiming at the rapid development of integrated sensing and communication technology and the demand for simulation verification. Also, it introduces the architecture a

nd process of the simulation platform and the principle of joint estimation of range and speed of target. Besides, it illustrates the simulation platform’s signal generation module, wireless communication channel and sensing channel modeling, echo reception and parameter estimation. At last, the sensing performance of the simulation platform is evaluated by simulation, which proves the accuracy of the platform’s estimation of the sensing target.

Keywords： 5G evolution; integrated sensing and communication; link-level simulation; joint estimation of speed and range

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,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。工作在毫米波频段,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

业务需求	评估指标
感知范围/m	0~200
探测感知范围/km/h	3~200
感知距离精度/m	≤10
感知速度精度/km/h	钾霞石 ≤5

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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)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)μ,n。

在雷达接收端,接收的回波信号为y(t),则

y(t)=∑μ=0Nsym−1∑n=0Nc−1A(μ,n)dTx(μNc+n)×exp(j2πfn(t−τ0))exp(j2πfDt)×rect(t−led箱体μTOFDM−τ0TOFDM)yt=∑μ=0Nsym-1∑n=0Nc-1Aμ,ndTxμNc+n×expj2πfnt-τ0expj2πfDt×rectt-μTOFDM-τ0TOFDM

(1)

其中Nsym是OFDM符号数,Nc是子载波数量,A(μ,n)μ,n为信道衰落造成的幅度影响,TOFDM为OFDM符号持续时间,vrel是目标与雷达相对速度,R是目标距离,λ为载波信号波长。fD=2vrelλ2vrelλ=2vrelfcc02vrelfcc0是目标运动引起的多普勒频移,τ0=2Rc02Rc0是传输时延。

由式(1)可以看出,对于固定的OFDM符号μdcdc电路,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)μ,n的影响可以量化为