CN110493811A - 基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,包括以下步骤:S1:获取雷达通信一体化***与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ωrad、雷达通信一体化***与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ωcom;S2:在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下,分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美‑罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式;S3:根据克拉美‑罗下界阈值δrad和通信数据速率阈值δcom建立基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型;S4:对雷达通信一体化***稳健资源分配模型进行求解。本发明有效提升***的射频隐身性能。
Description
技术领域
本发明涉及雷达通信一体化技术,特别是涉及基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法。
背景技术
随着无线通信需求以及战场无线传感器数量的急剧增长,频谱资源已成为稀缺的信息化战场重要资源之一,对频谱资源的竞争也日益严峻。雷达通信一体化技术正是在这种环境下应运而生的,它不仅能够更加有效地利用日益稀缺的频谱资源,而且通过资源共享,可以减少电子设备的数量、提高信息融合度。正交频分复用波形采用宽带体制,具有良好的数据率和鲁棒性,且其信号阵列方式易于雷达目标参数估计以及目标信息提取,是良好的雷达通信一体化候选波形,近年来受到国内外学者与研究机构的广泛关注。
目前,已有的研究成果虽然涉及雷达通信一体化***资源分配问题,通过优化分配一体化正交频分复用子载波与各子载波上的发射功率,最大化目标参数估计精度和通信数据速率,在一定程度上提升了***的目标参数估计性能和通信服务质量,然而,已有研究成果均未考虑基于射频隐身的雷达通信一体化***资源分配问题,且未考虑不同信道频率响应的不确定性对***射频隐身性能的影响,具有一定的局限性。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,能够解决现有技术中存在的“未考虑基于射频隐身的雷达通信一体化***资源分配问题,且未考虑不同信道频率响应的不确定性对***射频隐身性能的影响”的技术问题。
技术方案:本发明所述的基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,包括以下步骤:
S1:获取雷达通信一体化***与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ωrad、雷达通信一体化***与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ωcom;
S2:在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下,分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式;
S3:根据克拉美-罗下界阈值δrad和通信数据速率阈值δcom建立基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型;
S4:对雷达通信一体化***稳健资源分配模型进行求解。
进一步,所述步骤S1中,Ωrad和Ωcom通过式(1)得到:
式(1)中,hrad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应,hcom[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应,Ns表示正交频分复用子载波总数目,Lrad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界,Urad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的上界,Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界,Ucom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的上界。
进一步,所述步骤S2中,表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式如式(2)所示:
CRLBIRCS(τt)=JIRCS(τt)-1 (2)
式(2)中,CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的克拉美-罗下界,τt为从雷达到目标的双程时延;JIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的费舍尔信息,通过式(3)得到;
式(3)中,Ns表示正交频分复用子载波总数目,Δf为相邻子载波频率间隔,σ2为雷达接收机噪声功率;为雷达子载波二元分配变量,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计;Lrad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界,|Lrad[k]|2表示第k个子载波上最差情况下的目标探测信道功率,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率。
进一步,所述步骤S2中,表征通信服务质量的通信数据速率表达式如式(4)所示:
式(4)中,Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率,Ns表示正交频分复用子载波总数目;θ[k]为通信子载波二元分配变量,θ[k]=1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输,θ[k]=0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输;Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界,|Lcom[k]|2表示第k个子载波上最差情况下的通信信道功率,σ2为雷达接收机噪声功率,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率。
进一步,所述步骤S3中,基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型如式(5)所示:
式(5)中,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率;为雷达子载波二元分配变量,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计;θ[k]为通信子载波二元分配变量,θ[k]=1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输,θ[k]=0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输;Ns表示正交频分复用子载波总数目;CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的克拉美-罗下界,τt为从雷达到目标的双程时延;JIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的费舍尔信息;Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率;Pmax[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***发射功率的上限;为Ns个正交频分复用子载波所构成的集合;为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合;为分配给通信波形用于数据传输的子载波集合。
进一步,所述步骤S4具体包括以下步骤:
S41:按照以下情形对子载波进行分配:
当θ[k]=0时,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,而不分配给通信波形用于数据传输,则将子载波索引k存入集合中;
当θ[k]=1时,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计,而分配给通信波形用于数据传输,则将子载波索引k存入集合中;
S42:将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型;
将式(6)转化为式(8),式(7)转化为式(9):
其中,rk=|R[k]|2,
S43:对于式(8),采用线性规划算法进行求解,得到雷达通信一体化***第k个子载波上用于目标参数估计的最优发射功率
S44:对于式(9),引入拉格朗日乘子ψ1,k≥0,ψ2,k≥0和ψ3≥0,构建如下所示的拉格朗日乘子式:
分别对rk,ψ1,k,ψ2,k和ψ3求偏导,得到如式(11)所示的卡罗需-库恩-塔克必要条件;
式(11)中,所有带“*”上标的分别表示相应参数的最优解;
通过求解式(11),获取雷达通信一体化***第k个子载波上用于通信的最优发射功率表达式为:
式(12)中,通过将式(12)代入下式进行迭代求得:
有益效果:本发明公开了一种基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,以满足一定目标时延参数估计精度克拉美-罗下界阈值和通信数据速率阈值为约束条件,以最小化雷达通信一体化***的总发射功率为目标,建立基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型并求解,对正交频分复用子载波与各子载波上的发射功率进行联合优化,这样既满足了给定的目标时延参数估计精度和通信数据速率需求,而且在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下,确保雷达通信一体化***具有射频隐身性能的最优下界,最小化雷达通信一体化***的总发射功率,从而有效提升***的射频隐身性能。
具体实施方式
本具体实施方式公开了一种基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,包括以下步骤:
S1:获取雷达通信一体化***与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ωrad、雷达通信一体化***与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ωcom;
S2:在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下,分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式;
S3:根据克拉美-罗下界阈值δrad和通信数据速率阈值δcom建立基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型;
S4:对雷达通信一体化***稳健资源分配模型进行求解。
步骤S1中,Ωrad和Ωcom通过式(1)得到:
式(1)中,hrad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应,hcom[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应,Ns表示正交频分复用子载波总数目,
Lrad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界,Urad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的上界,Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界,Ucom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的上界。
步骤S2中,表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式如式(2)所示:
CRLBIRCS(τt)=JIRCS(τt)-1 (2)
式(2)中,CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的克拉美-罗下界,τt为从雷达到目标的双程时延;JIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的费舍尔信息,通过式(3)得到;
式(3)中,Ns表示正交频分复用子载波总数目,Δf为相邻子载波频率间隔,σ2为雷达接收机噪声功率;为雷达子载波二元分配变量,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计;Lrad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界,|Lrad[k]|2表示第k个子载波上最差情况下的目标探测信道功率,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率。
步骤S2中,表征通信服务质量的通信数据速率表达式如式(4)所示:
式(4)中,Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率,Ns表示正交频分复用子载波总数目;θ[k]为通信子载波二元分配变量,θ[k]=1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输,θ[k]=0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输;Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界,|Lcom[k]|2表示第k个子载波上最差情况下的通信信道功率,σ2为雷达接收机噪声功率,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率。
步骤S3中,基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型如式(5)所示:
式(5)中,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率;为雷达子载波二元分配变量,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计;θ[k]为通信子载波二元分配变量,θ[k]=1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输,θ[k]=0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输;Ns表示正交频分复用子载波总数目;CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的克拉美-罗下界,τt为从雷达到目标的双程时延;JIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的费舍尔信息;Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率;Pmax[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***发射功率的上限;为Ns个正交频分复用子载波所构成的集合;为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合;为分配给通信波形用于数据传输的子载波集合。
步骤S4具体包括以下步骤:
S41:按照以下情形对子载波进行分配:
当θ[k]=0时,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,而不分配给通信波形用于数据传输,则将子载波索引k存入集合中;
当θ[k]=1时,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计,而分配给通信波形用于数据传输,则将子载波索引k存入集合中;
S42:将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型;
将式(6)转化为式(8),式(7)转化为式(9):
其中,rk=|R[k]|2,
S43:对于式(8),采用线性规划算法进行求解,得到雷达通信一体化***第k个子载波上用于目标参数估计的最优发射功率
S44:对于式(9),引入拉格朗日乘子ψ1,k≥0,ψ2,k≥0和ψ3≥0,构建如下所示的拉格朗日乘子式:
分别对rk,ψ1,k,ψ2,k和ψ3求偏导,得到如式(11)所示的卡罗需-库恩-塔克必要条件;
式(11)中,所有带“*”上标的分别表示相应参数的最优解;
通过求解式(11),获取雷达通信一体化***第k个子载波上用于通信的最优发射功率表达式为:
式(12)中,通过将式(12)代入下式进行迭代求得:
本具体实施方式以满足一定目标时延参数估计精度克拉美-罗下界阈值和通信数据速率阈值为约束条件,以最小化雷达通信一体化***的总发射功率为目标,建立基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型并求解,对正交频分复用子载波与各子载波上的发射功率进行联合优化,这样既满足了给定的目标时延参数估计精度和通信数据速率需求,而且在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下,确保雷达通信一体化***具有射频隐身性能的最优下界,最小化雷达通信一体化***的总发射功率,从而有效提升***的射频隐身性能。
Claims (6)
1.基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:获取雷达通信一体化***与目标之间的目标探测信道频率响应区间Ωrad、雷达通信一体化***与通信用户之间的通信信道频率响应区间Ωcom;
S2:在目标探测信道频率响应和通信信道频率响应不确定的情况下,分别构建表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式和表征通信服务质量的通信数据速率表达式;
S3:根据克拉美-罗下界阈值δrad和通信数据速率阈值δcom建立基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型;
S4:对雷达通信一体化***稳健资源分配模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,其特征在于:所述步骤S1中,Ωrad和Ωcom通过式(1)得到:
式(1)中,hrad[k]表示第k个子载波上的目标探测信道频率响应,hcom[k]表示第k个子载波上的通信信道频率响应,Ns表示正交频分复用子载波总数目,Lrad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界,Urad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的上界,Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界,Ucom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的上界。
3.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,其特征在于:所述步骤S2中,表征目标时延参数估计精度的克拉美-罗下界表达式如式(2)所示:
CRLBIRCS(τt)=JIRCS(τt)-1 (2)
式(2)中,CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的克拉美-罗下界,τt为从雷达到目标的双程时延;JIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的费舍尔信息,通过式(3)得到;
式(3)中,Ns表示正交频分复用子载波总数目,Δf为相邻子载波频率间隔,σ2为雷达接收机噪声功率;为雷达子载波二元分配变量,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计;Lrad[k]表示第k个子载波上目标探测信道频率响应集合的下界,|Lrad[k]|2表示第k个子载波上最差情况下的目标探测信道功率,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率。
4.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,其特征在于:所述步骤S2中,表征通信服务质量的通信数据速率表达式如式(4)所示:
式(4)中,Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率,Ns表示正交频分复用子载波总数目;θ[k]为通信子载波二元分配变量,θ[k]=1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输,θ[k]=0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输;Lcom[k]表示第k个子载波上通信信道频率响应集合的下界,|Lcom[k]|2表示第k个子载波上最差情况下的通信信道功率,σ2为雷达接收机噪声功率,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率。
5.根据权利要求1所述的基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,其特征在于:所述步骤S3中,基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配模型如式(5)所示:
式(5)中,R[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***的发射波形,|R[k]|2表示第k个子载波上雷达通信一体化***的发射功率;为雷达子载波二元分配变量,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计;θ[k]为通信子载波二元分配变量,θ[k]=1表示第k个子载波分配给通信波形用于数据传输,θ[k]=0表示第k个子载波不分配给通信波形用于数据传输;Ns表示正交频分复用子载波总数目;CRLBIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的克拉美-罗下界,τt为从雷达到目标的双程时延;JIRCS(τt)为雷达通信一体化***关于τt估计的费舍尔信息;Rcom为表征通信服务质量的通信数据速率;Pmax[k]为第k个子载波上雷达通信一体化***发射功率的上限;为Ns个正交频分复用子载波所构成的集合;为分配给雷达波形用于目标参数估计的子载波集合;为分配给通信波形用于数据传输的子载波集合。
6.根据权利要求5所述的基于射频隐身的雷达通信一体化***稳健资源分配方法,其特征在于:所述步骤S4具体包括以下步骤:
S41:按照以下情形对子载波进行分配:
当时,表示第k个子载波分配给雷达波形用于目标参数估计,而不分配给通信波形用于数据传输,则将子载波索引k存入集合中;
当时,表示第k个子载波不分配给雷达波形用于目标参数估计,而分配给通信波形用于数据传输,则将子载波索引k存入集合中;
S42:将式(5)转化为式(6)和(7)这两个子模型;
将式(6)转化为式(8),式(7)转化为式(9):
其中,rk=|R[k]|2,
S43:对于式(8),采用线性规划算法进行求解,得到雷达通信一体化***第k个子载波上用于目标参数估计的最优发射功率
S44:对于式(9),引入拉格朗日乘子ψ1,k≥0,ψ2,k≥0和ψ3≥0,构建如下所示的拉格朗日乘子式:
分别对rk,ψ1,k,ψ2,k和ψ3求偏导,得到如式(11)所示的卡罗需-库恩-塔克必要条件;
式(11)中,所有带“*”上标的分别表示相应参数的最优解;
通过求解式(11),获取雷达通信一体化***第k个子载波上用于通信的最优发射功率表达式为:
式(12)中,通过将式(12)代入下式进行迭代求得:
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