基于5G的外辐射源雷达模糊函数研究.pdf
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1、第 21 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.21,No.11Nov.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology基于5G的外辐射源雷达模糊函数研究高靖霞a,王海涛*a,b,欧阳缮a,b,廖可非a,b(桂林电子科技大学 a.信息与通信学院;b.卫星导航定位与位置服务国家地方联合工程研究中心,广西 桂林 541004)摘要:随着低空空域开放和无人机等航空技术的发展,对城市或郊区等电磁频谱紧张的区域开展低空目标探测愈发重要,采用 5G 信号作为机会照射源的外辐射源雷达
2、在该领域展现出了广阔的应用前景。相比 4G 网络,5G 波形方案的实现细节发生了本质的改变,因此基于不同外辐射源信号的模糊函数也存在较大差异,而现有文献对基于 5G 信号的外辐射源雷达模糊函数的相关研究仍然较为缺乏。本文从信号的基本结构入手,采用对比分析的方法,从理论上对 5G 信号和 4G信号在帧结构及物理资源结构等方面存在的差异进行了详细对比;搭建了系统仿真模型,并对基于 5G 信号的外辐射源雷达的模糊函数进行了仿真实验;最后,针对模糊函数中的各类副峰,分析了该模糊副峰产生的原因以及可能对信号探测性能造成的影响,并对部分副峰的抑制方式进行简单阐述。该文为基于 5G 信号的外辐射源雷达副峰的
3、抑制提供了新的思路和方向。关键词:外辐射源雷达;5G新空口;模糊函数;模糊副峰中图分类号:TN958.97 文献标志码:Adoi:10.11805/TKYDA2021324Research on radar ambiguity function of external emitter based on Research on radar ambiguity function of external emitter based on 5 5G GGAO Jingxiaa,WANG Haitao*a,b,OUYANG Shana,b,LIAO Kefeia,b(a.School of Inform
4、ation and Communication;b.State and Local Joint Engineering Research Center for Satellite Navigation and Location Service,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)AbstractAbstract:With the opening of low-altitude airspace and the development of aviation technologies suc
5、h as drones,the detection of low-altitude targets in areas with tight electromagnetic spectrum such as cities or suburbs has become more and more important.5G based passive bistatic radar has a wide application prospect in this field.Compared with 4G network,the implementation details of 5G waveform
6、 scheme have undergone essential changes.Therefore,the ambiguity functions based on the signals of different external radiators are also quite different.Nevertheless,there is still lack of research on the ambiguity function of 5G signal.Based on basic structure of signal,the differences between 5G s
7、ignal and 4G signal in frame structure and physical resource structure are analyzed in detail in theory.System simulation model is built,and the radar ambiguity function based on 5G signal is simulated.Finally,the cause of the ambiguity and the possible influence on the signal detection performance
8、are analyzed,and the suppression methods of some side peaks are briefly explained.This work provides a new idea and direction for the suppression of side peaks of external radiator radar based on 5G signal.KeywordsKeywords:passive bistatic radar;5G New Radio(NR);ambiguity function;ambiguity sidelobe
9、s外辐射源雷达是一种利用第三方辐射源信号(如 GSM、CDMA、GPS 及 ATV 等通信信号)进行探测的雷达1-2。这种雷达自身不发射电磁波信号,而是使用环境中已经存在的信号进行探测。较传统雷达而言,它不仅降低了成本,也节省了频谱资源,被敌方检测到的概率更小,具有极大的竞争优势。而它所独有的探测特性也使它具有不可替代的地位,并逐渐成为各领域中重要的感知手段之一2-5。文章编号:2095-4980(2023)11-1333-09收稿日期:2021-09-02;修回日期:2021-11-12基金项目:广西创新驱动发展专项基金资助项目(桂科AA21077008);广西自然科学基金资助项目(2020
10、GXNSFBA297078);广西人才与基地专项资助项目(桂科AD20297038);桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(2021YCXS039);桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(2021YCXS038)*通信作者:王海涛 email:太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷以移动通信信号为辐射源的无源雷达,可通过组网的形式无缝覆盖全国空域,在低空目标监视和补盲探测等领域具有十分广阔的应用前景,引起了国内外学者的广泛关注5-11。文献8搭建了实验系统,验证了利用 4G 长期演进(Long Term Evolution,LTE)信号探测低空目标的可行性。文献9针对移动通信信号蜂窝
11、布站结构中的同频干扰问题,研究基于盲源估计的时域级联同频干扰抑制方法。文献10针对 LTE 信号的模糊函数副峰较高的问题,从 LTE 信号结构入手,讨论了基于该信号的被动雷达的模糊函数特性,分析了帧间模糊带的产生原因并给出了相应的抑制方法。文献11从 LTE 的信号结构出发,分析不同模糊副峰的产生机理,对于给探测性能造成较大影响的模糊副峰,提出了数据非连续分块和频带合成的方法来进行抑制。以上文献均是针对 LTE 信号进行的分析讨论,而对于 5G 信号来说,目前的研究相对较少。因此针对 5G 信号模糊函数特性的问题急需展开研究。随着移动通信技术的发展,5G 网络将会成为未来移动通信系统的主流。与
12、传统的 4G LTE 信号相比,5G 信号带宽更宽,载频更高,对低空目标的探测能力更强。与 4G LTE 信号固定的帧结构不同,5G 信号帧结构灵活多变,其模糊函数也随帧结构呈现出不同的特性,给被动雷达的探测带来了严峻的挑战。对此本文从 5G 信号的帧结构入手,分析了 5G 信号相对于 4G LTE 信号的核心变化,阐述了信号模糊函数与雷达探测性能之间的关系,并将 5G 新空口(NR)信号与 4G LTE 信号的模糊副峰进行比较,对不同模糊副峰的产生机理进行了详细的分析。15G 信号分析5G 通信系统是在 LTE 系统的基础上进行改进的,其物理下行信道的波形仍采用正交频分复用(Orthogon
13、al Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术调制。而 5G NR 相较于 4G 无线帧的核心变化是 5G NR 不仅在信号带宽上有了更多选择,而且可以配置多种不同的子载波间隔,其调制符号的长度也发生了相应的变化,实现了空口资源的灵活分配,并缩短了处理时长12-17。例如 5G NR 将时隙作为调度单位,每个常规循环前缀(Normal Cyclic Prefix,NCP)的时隙包含 14 个 OFDM 符号,而当信号的子载波间隔为 60 kHz 时,5G NR 支持扩展循环前缀(Extended Cyclic Prefix,ECP),即每个时隙只包含 12
14、 个 OFDM 符号。在 NR 中,3GPP 主要指定了 2 个频率范围:一个是 Sub 6 GHz,称为 FR1;另一个是毫米波,称为 FR2。为简化分析,本文主要对 FR1 频段下的全下行NCP 时隙信号展开研究。1.1 下行物理层信号5G NR 的下行物理信道包括:物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel,PDSCH)、物理广播信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)和物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)。同时为了提高信道的传输利用率,节约信道资源,5G
15、NR 取消了小区参考信号(Cell Reference Signal,CRS),用解调参考信 号(Demodulation Reference Signal,DM-RS)和 信 道 状 态 信 息 参 考 信 号(Channel State Information-Reference Signal,CSI-RS)测量 5G NR 信道的状态,并设置了相位跟踪参考信号(Phase-Tracking Reference Signal,PT-RS)、主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)和辅同步信号(Secondary Synchronization Si
16、gnal,SSS)18。其中DM-RS 和 PT-RS 伴随着物理下行信道传输,PT-RS 是 5G NR 新引入的专门针对用户的特定参考信号,主要用于抑制 6 GHz 频段以上严重的相位噪声和误差。本仿真中所使用的信号频段较低,因此没有涉及 PT-RS。物理下行信道的一般处理过程如图 1 所示。1.2 信号帧结构在通信系统中,数据是以无线帧为单位进行传输的。5G NR 无线帧和子帧的长度都是固定的,每个无线帧信Fig.1 General processing procedure of the physical downlink channel图1 物理下行信道的一般处理过程1334第 11
17、期高靖霞等:基于5G的外辐射源雷达模糊函数研究号的长度为 10 ms,每帧信号中包含 10 个子帧,即每个子帧的长度为 1 ms。但每个子帧中时隙的个数和长度取决于子载波间隔(Subcarrier Spacing,SCS),且随着子载波间隔的增加,每个无线帧/子帧中所包含的时隙数成倍地增加,时域上符号的长度相应缩短。为了支持多种多样的部署场景,5G NR引入了更灵活的系统参数集合,支持子载波间隔为2n15 kHz的配置。例如在 6 GHz 以下的频段,支持 15 kHz、30 kHz、60 kHz 的子载波间隔19。对于不同的子载波间隔,每个时隙中的符号数是相同的,即包含 14 个 OFDM
18、符号(ECP 信号包含 12 个 OFDM 符号)。图2 给出了 5G NR 常规循环前缀在不同子载波间隔下的信号帧结构。NR 在时域的基本时间单元为13:TC=1/(DfmaxNf)=1/(480 0004 096)=0.509 ns(1)LTE 系统的基本时间单元为:Ts=1/(DfrefNfref)=1/(15 0002 048)=32.552 ns(2)Ts与TC之间满足固定的比值关系,即常量k=TsTC=64(3)这种设计有利于 NR 和 LTE 部署在同一个子载波上。NR 的 OFDM 符号(含 NCP)长度是(Nu+NCP1)TC,Nu和NCP1的取值如式(4)和式(5)所示。N
19、u=2 048 k2-(4)NCP1=512 k2-ECP144 k2-+16kNCPl=0或l=72144 k2-NCPl0或l72(5)式中为子载波间隔配置的参数集,对于 PSS、SSS 和 PBCH(即同步信道)而言 0134,对于数据信道而言 0123。根据式(1)可以计算出 NCP 在不同子载波间隔配置下的符号长度和 NCP 长度,结果如表 1 所示。Fig.2 Frame structure of NR图2 NR的无线帧结构表1 在不同子载波间隔配置下的符号长度和NCP长度Table1 Symbol length and NCP length under different sub
20、carrier spacing configurations01234SCS/kHz153060120240length of symbol/s66.6733.3316.678.334.17length of NCP(l=0 or l=72)/s5.212.861.691.110.81length of NCP(other symbols)/s4.692.341.170.570.29length of slot/ms1.000 00.500 00.250 00.125 00.062 51335太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷1.3 物理资源结构5G NR 对每种参数集和载波,都定义了一个资
21、源网格20。资源网格中的每个单元称为资源单元(Resource Element,RE),由频域上的 1 个载波和时域上的 1 个符号长度共同构成。在信号传输过程中,一些特殊信号(如参考信号、同步信号以及基站的小区广播信号等)被分配在资源网格中的特定位置进行传输,剩余是资源单元块用于传输下行链路数据。其中 PSS、SSS 和 PBCH 必须同时发送,简称 SS/PBCH 块。图 3 给出了 5G NR 信号中 SS/PBCH 块的仿真示意图,横轴表示 OFDM 符号的个数,纵轴为频率的大小。这里使用的 SCS 为 15 kHz,SSB 的第1 个符号所处的位置为时隙中的第 3 个符号。对于 Ca
22、se A 来说,将 SSB 放在该处,是考虑到其时隙开头的 2 个符号 0 和 1 可以用于下行控制的传输。从图中可以看出,该仿真基本符合 SSB 的结构图。另外图 4 展示了仿真过程中,PDSCH、PDCCH 和控制资源集合(Control-Resource Set,CORESET)的资源结构占用情况。与上文提到的特殊信号在资源网格中的特定位置传输基本一致。25G 信号模糊函数的分析雷达系统的距离分辨力和多普勒分辨力是雷达探测目标中较为重要的指标,而信号的模糊函数综合了其时域和频域的特性,使得它成为衡量外辐射源信号性能、表征雷达分辨能力的有力工具。当模糊函数具有理想的图钉状结构时,会获得较高
23、的距离分辨力和多普勒分辨力21。而实际得到的信号模糊函数图,除了在零时延、零多普勒位置存在主峰外,在其他特定位置还包含多个副峰。过强的副峰不仅会产生虚警,甚至会淹没弱小目标的信号主峰,严重影响后续信号的探测和处理22-23。因此有必要对信号的模糊函数进行分析。模糊函数在时域上的计算表达式10为:|A(fd)|=|-+s(t)s*(t+)e-j2fdtdt|(6)式中:A(fd)是模糊响应;s(t)为信号复包络;为时延;fd为多普勒频移。由式(6)可知模糊函数可以看作 2 个目标信号回波复包络的时间频率复合自相关函数。该模糊函数以三维图的形式呈现,x 轴表示时延(即距离维度),y 轴是多普勒频域
24、,z 轴是匹配滤波器输出功率的归一化结果24-25。根据模糊函数峰值所在的位置,可确定当前信号探测目标的距离和多普勒。对模糊函数进行分析时,不仅要考虑主瓣的宽度,还要考虑副瓣造成的影响。本次仿真系统是运行在 Matlab 上的 5G NR 下行链路仿真系统。仿真模拟了 PDCCH 和 PDSCH 信道以及参考信号和同步信号的生成,并采用了 5G 中提出的新概念:部分带宽(Bandwidth Part,BWP)。BWP 可以理解为小区总带宽的一个子集带宽,通过自适应配置 BWP 的大小来灵活利用系统带宽。仿真中所用的 5G 信号的循环前缀配置为 NCP,关键参数如表 2 所示。图 5 给出了子载
25、波间隔为 15 kHz 时的信号模糊函数图。如图 5 所示,5G NR 信号的模糊函数除了存在 1 个主峰,还存在着许多副峰。下面将分析这些副峰的具体位置及产生原因。2.1 对目标探测距离存在影响的副峰5G NR 信号模糊函数图的时延剖面如图 6 所示,可以看出除了位于零时延处的主峰外,在模糊函数时延维的66.67 s 处还存在着第一种副峰,如图 6 中 peak A 所示。这种副峰主要是由 5G 信号中 OFDM 符号的循环前缀引起的。每个时隙中第一个 OFDM 符号的 NCP 为 5.21 s,其余 13 个 OFDM 符号的 NCP 为 4.69 s,而数据长度均为 66.67 s。因此
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