一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统技术方案

本发明专利技术属于太赫兹通信技术领域，具体涉及一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统。本发明专利技术采用一个额外的OFDM符号作为导频放置在帧头，此额外的OFDM符号中仅携带一个子载波(N

【技术实现步骤摘要】
一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统


[0001]本专利技术属于太赫兹通信
，具体涉及一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统。

技术介绍

[0002]太赫兹频段介于微波和红外可见光频段之间，其频率范围为0.1THz～10THz(对应波长为30～3000μm)，是电子学和光子学交叉领域。该频段具有广阔的频谱资源，可为更多用户设备提供高速、可靠、低延迟的通信服务。相较于毫米波频段，太赫兹频段具有更大的带宽和更小的波长，尤其适合在中近距离高精度通信感知场景下使用。同时，小波长特性使得集成足够多天线在小型化设备内变得更加便捷，进而促进了通感一体化设备的普及与应用。从感知角度来看，太赫兹频段的带宽宽广且拥有足够多的天线，因此在近距离场景下能够实现高精度的定位和成像应用。因此基于太赫兹的ISAC技术未来发展前景十分广阔。传统的OFDM
‑
ISAC系统中，由于其载波频率较低且目标速度较小，因而产生的多普勒频偏通常都在一个子载波间隔
△
f范围内。而当应用到太赫兹和高速移动场景时，其产生的大多普勒频偏有可能超出一个子载波间隔
△
f，这不仅会对通信造成影响，还会造成速度检测的模糊性。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统。
[0004]本专利技术采用的技术方案是，在OFDM基础上，发射端再考虑添加一个导频(时域OFDM符号)，并在接收端，首先对导频进行非原点为起始点的DFT分析，得到频偏的粗估计值。随后将频偏粗估计补偿给接收信号，并对其使用传统OFDM的频偏(速度)估计方法。最后二者相结合，形成针对速度的联合估计方法。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统，定义系统中发射端和接收端均为单天线，并仅有单目标，信道为窄带太赫兹通信和感知信道，子载波个数为N，子载波间隔为
△
f，考虑多普勒频偏|f
D
|<N
△
f/2；
[0007]发射端：
[0008]在OFDM发射信号的基础上，在帧头增加一个导频符号：
[0009][0010]其中，是用于保证导频符号与后续发射符号的功率相同，M
QAM
表示QAM符号映射时的总星座点数，k表示一个OFDM基础符号的采样后的索引号，T为OFDM基础符号长度；
[0011]接收端：
[0012]设多普勒频偏为：
[0013]f
D
＝f
D,rough
+f
D,tiny
＝e
△
f+f
tenths
+f
D,tiny
,e∈Z
[0014]其中Z表示整数；f
D,rough
表示用非原点为起始点的DFT算法得到的多普勒粗估计的频偏值，f
D,tiny
表示粗估计补偿后剩下的微小频偏值。其中f
tenths
∈{
‑
0.5
△
f,
‑
0.4
△
f,
…
,0,
…
,0.4
△
f}，f
D,tiny
∈[0,
△
f)，令多普勒对应的速度：
[0015][0016]在OFDM接收信号的基础上，通过导频符号进行多普勒频偏粗估计，具体为：对导频符号p(k)经过多普勒频偏为f
D
后的信号q(k)采用非原点为起始点的DFT分析，得到多普勒频偏的粗估计值f
D,rough
，其估计精度为0.1
△
f；所述非原点为起始点的DFT分析是指以起始点为f0＝
‑
0.5
△
f,
‑
0.4
△
f,
…
,0,
…
,0.4
△
f对q(k)做非原点为起始点的DFT分析：
[0017][0018]对比各自DFT结果中的峰值，取最大的峰值所对应的横坐标为多普勒频偏对应值：
[0019][0020]考虑多普勒频偏超出一个子载波间隔
△
f的范围，最终得到多普勒频偏粗估计值f
D,rough
为：
[0021][0022]将多普勒频偏粗估计值f
D,rough
补偿给接收基带信号，并做OFDM解调，相当于得到距离为R、速度为v
tiny
的回波基带信号：
[0023][0024]其中，b表示衰减系数，M表示OFDM符号个数，S(μ,n)表示第μ+1个OFDM符号第n+1个子载波上携带的数据，T
cp
表示CP的时间长度；T
s
表示OFDM总符号长度，z(t)表示加性高斯白噪声；
[0025]对y
s
(t)采样并作FFT运算将其转换到频域：
[0026][0027]其中，Z(μ,n)表示噪声项；
[0028]进行多普勒频偏细估计：将Y
s
(μ,n)与发送端OFDM调制时的频域符号S(μ,n)逐元素相除，得到感知的信道矩阵H
s
：
[0029][0030]其中，H
s
(μ,n)表示H
s
的第μ+1列第n+1行，Z(μ,n)/S(μ,n)表示依赖于数字调制的噪声底面；对H
s
(μ,n)沿OFDM符号方向做M点FFT，独立地恢复出速度信息：
[0031][0032]其中，表示噪声部分；
[0033]当时|V(p,n)|取得峰值，将|V(p,n)|取得峰值时的横坐标p
′
换算为速度尺度，得到速度的细估计值：
[0034][0035]最终目标速度估计值由下式给出：
[0036][0037]本专利技术的有益效果为：本专利技术采用一个额外的OFDM符号作为导频放置在帧头，此额外的OFDM符号中仅携带一个子载波(N
△
f/2)数据。接收端根据分析此符号的非原点DFT则得到多普勒的粗估计，补偿后利用传统OFDM感知算法得到多普勒的细估计，最终合成得到估计的多普勒和速度。此方案保证了速度分辨率不变的情况下速度范围的约N倍扩展，解决了大多普勒频偏时速度估计的模糊性问题，同时也能在通信端获得频偏的粗估计。
附图说明
[0038]图1是本专利技术提供的导频频域仅一个子载波携带数据图；
[0039]图2是本专利技术提供的非原点DFT分析示意图；
[0040]图3是本专利技术提供的基于OFDM的传统感知与提出的方法的对比图，(a)
‑
(c)为速度分别为40m/s、110m/s和2000m/s距离为800m的传统感知速度/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在大多普勒频偏下的太赫兹通信感知一体化系统，定义系统中发射端和接收端均为单天线，并仅有单目标，信道为窄带太赫兹通信和感知信道，子载波个数为N，子载波间隔为
△
f，考虑多普勒频偏|f
D
|<N
△
f/2，其特征在于：发射端：在OFDM发射信号的基础上，在帧头增加一个导频符号：其中，是用于保证导频符号与后续发射符号的功率相同，M
QAM
表示QAM符号映射时的总星座点数，k表示一个OFDM基础符号的采样后的索引号，T为OFDM基础符号长度；接收端：在OFDM接收信号的基础上，通过导频符号进行多普勒频偏粗估计，具体为：对导频符号p(k)经过多普勒频偏为f
D
后的信号q(k)采用非原点为起始点的DFT分析，得到多普勒频偏的粗估计值f
D,rough
；所述非原点为起始点的DFT分析是指以起始点为f0＝
‑
0.5
△
f,
‑
0.4
△
f,
…
,0,
…
,0.4
△
f对q(k)做非原点为起始点的DFT分析：对比各自DFT结果中的峰值，取最大的峰值所对应的横坐标为多普勒频偏对应值：考虑多普勒频偏超出一个子载波间隔
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玲香，唐禾频，宁博宇，陈智，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：