基于正交多载波FSCM信号的ISAC方法、设备和网络

基于正交多载波fscm信号的isac方法、设备和网络
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于正交多载波fscm信号的isac方法、设备和网络。


背景技术：

2.随着无线通信设备数量呈现爆炸式增长趋势，全球通信产业对无线频谱的需求日益迫切。这使得发掘额外的频谱资源更加迫在眉睫。为缓解这一矛盾，未来的b5g和6g场景下，通信系统将要探索与其他电子设备在同一频段下共存的可行性。
3.传统的复用方式都是将通信和雷达传感分隔，如(1)以雷达为中心的设计(2)以通信为中心的设计。以雷达为中心的设计是为了在雷达系统中实现通信功能，一般是将信息嵌入到fmcw雷达信号中。然而，fmcw信号的通信符号速率对应于其chirp速率，这通常比具有相同带宽的专用通信系统所实现的符号速率低一个数量级。而许多以通信为中心的设计都使用了ieee 802.11信号，符合ieee 802.11的ofdm信号也被用于实现车辆网络中的传感功能，但通信数据的随机性会导致较高的峰平均功率比和随机自相关特性，从而降低系统的传感精度。而探索更高频段内的通信与感知，如毫米波频段，则会使得硬件设备造价昂贵，并且受波长影响，其感知距离会下降。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于正交多载波fscm信号的isac方法、设备和网络，在不损失通信及感知性能的前提下，实现通信与感知一体化。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于正交多载波fscm信号的isac方法，对于isac网络中的任意isac设备：
7.(1)对数据流的通信符号进行频移chirp调制生成正交多载波fscm信号并发射出去；
8.(2)接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；目标反射的回波信号为正交多载波fscm信号，
9.(3)接收isac网络中其它isac设备发射的正交多载波fscm信号，并对接收信号进行解复用和解调，实现isac设备之间的通信。
10.进一步地，在对通信符号进行频移chirp调制时，在发射机的各通道中采用不同的扩频因子进行调制。
11.进一步地，采用不同的扩频因子进行调制的方法为：
12.给子载波fscm信号添加一个载波频率偏移量f
offset
，f
offset
由下式定义给出：
[0013][0014]
式中，b为带宽，sf是扩频因子，即每个通信符号的调制位数，ts为每个通信符号的周期时间，s为通信符号；
[0015]
以折叠时间为分界线，把一个通信符号s表示为两部分，以下式表示：
[0016][0017]
式中，k是频率变化的斜率；x
t
(t)为嵌入通信符号s得到的发射端fscm信号；
[0018]
将嵌入通信符号s的xt(t)采样得到fscm信号离散形式如下式所示：
[0019][0020]
其中，n是采样序列，fs是采样频率，采用单倍带宽；n1＝{0，...，n
fold-1}，n2＝{n
fold
，...，2
sf-1}，且n
fold
＝t
fold
·fs
。
[0021]
进一步地，各isac设备利用mimo天线发射信号和接收信号，且各isac设备设置多根发射天线和多根接收天线，每根天线对应多个不同的扩频因子。
[0022]
进一步地，对回波信号处理包括对接收到的正交多载波fscm信号解复用；对接收到的正交多载波fscm信号，具体解复用包括：
[0023]
设接收到的正交多载波fscm信号表示为：
[0024]
y＝a(θ)x+v
[0025]
其中，v是具有协方差rz的可加性零均值时间白噪声；
[0026]
首先在接收机的各通道内根据对应的扩频因子sf生成对应的参考信号gi(t)，参考信号的形式为载波频率偏移量f
offset
为0的fscm信号；
[0027]
随后在各通道内，将接收到的正交多载波fscm信号y(t)与参考信号gi(t)的共轭相乘，提取出各通道对应的fscm子载波x
r，i
(t)：
[0028][0029]
将提取得到的接收信号子载波的协方差矩阵表示为：
[0030][0031]
式中，r
y，i
和rn分别表示接受信号和噪声信号的协方差矩阵；
[0032]
假设噪声信号连续，则对协方差矩阵r进行特征分解，得到r的m个按降序排列的特征值，并且将r变形为下式：
[0033][0034]
式中的λs是由矩阵r的k个特征值η1，η2，η3，...，ηk组成的对角矩阵，ys是由k个对应的特征向量组成的信号子空间；λn是由m-k个特征值组成的对角矩阵，yn是由m-k个特征值对应的特征向量组成的子空间。
[0035]
进一步地，对回波信号处理还包括利用得到的子载波进行目标检测，具体地：
[0036]
首先选取通道对应扩频因子sf最大的fscm子载波，将采样频率fs设置为与该通道的扩频因子sf对应的带宽b相等，即fs＝b，则采样得到fscm离散信号为：
[0037][0038]
其中，为最大扩频因子.sf
max
通道内的fscm离散信号，φ表示接收到的fscm离散信号yi[n]的相位，k是频率变化的斜率，n是采样序列，n1＝{0，...，n
fold-1}，n2＝{n
fold
，...，2
sf-1}，n为n1和n2的并集，且n
fold
＝t
fold
·fs
，fs是采样频率，t
fold
为fscm符号表示为两部分的折叠时间，b为带宽，s为数据流中的通信符号；n
′
是信号在离散时间上的延迟；
[0039]
然后使用相同斜率的标准chirp信号与该fscm子载波混频，得到中频信号f
if
(t)：
[0040][0041]
其中，t[n]表示斜率k0的标准chirp信号，*表示共轭运算，中频f
if
＝-k0n
′
；φ
′
是接收信号与参考信号混频后得到的中频信号的相位；
[0042]
最后采用czt算法对f
if
(t)做处理，完成对目标进行距离和速度的估计；以及还采用music算法和谱峰搜索方法进行到达角估计，其表达式为：
[0043][0044]
其中，θ
music
表示估计得到的到达角，a(θ)表示发射接收矩阵，是发射导向矩阵和接收导向矩阵转置的乘积。
[0045]
进一步地，对接收信号进行解复用和解调，其中的解调是在各通道内分别对fscm子载波进行解调，具体基于相干解调的原理，使用与调制信号中扩频因子值相同的down-chirp信号作为解调的参考信号；第i通道内的解调操作如下式所示：
[0046][0047]
其中，代表离散参考信号x
ref，i
[n]的共轭形式，通信符号s对应于fft操作后的最大值序列号。
[0048]
一种基于正交多载波fscm信号的isac设备，包括发射机和接收机；
[0049]
所述发射机对数据流的通信符号进行频移chirp调制，生成正交多载波fscm信号并发射出去；
[0050]
所述接收机接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；其中，目标反射的回波信号为正交多载波fscm信号，
[0051]
所述接收机还接收isac网络中其它isac设备发射的正交多载波fscm信号，并对接收信号进行解复用和解调，实现isac设备之间的通信。
[0052]
进一步地，所述isac设备用于实现上述任一项技术方案中所述的基于正交多载波fscm信号的isac方法。
[0053]
一种基于正交多载波fscm信号的isac网络，其包括若干如上任一项所述的基于正交多载波fscm信号的isac设备。
[0054]
有益效果
[0055]
本发明提出了全新的通信感知一体化方法、设备及网络，实现了对环境目标的高精度感知，不同设备之间的通信，且不损失通信和感知的任一种性能。其中，
[0056]
(1)提出低采样率方法，即将采样频率设置为与该通道的sf对应的带宽b相等，即fs＝b，将fscm信号从数学形式上可以化简为标准的chirp信号，且携带了通信符号s。此操作消除了fscm信号直接混频感知时出现虚警的问题，降低了计算复杂度，提高系统的感知精度。
[0057]
(2)应用分数阶傅里叶变换，在保证系统的传感精度的前提下，通过构建正交多载波fscm信号，大幅度提高了通信速率。
[0058]
(3)结合mimo技术，利用正交fscm信号，在不提高天线辐射功率的条件下，通过分数阶傅里叶域复用方式，提高了系统可靠性和对抗多径衰落的能力，也使得系统的天线方向图设计更加灵活。
附图说明
[0059]
图1通信感知一体化网络；
[0060]
图2fscm信号直接与参考信号混频后的时域和时频域；
[0061]
图3消除虚警问题前后的目标检测结果对比；
[0062]
图4正交多载波fscm信号的时频域。
[0063]
图5正交多载波fscm信号帧格式；
[0064]
图6阵列天线的信号接收模型；
[0065]
图7isac设备正交多载波fscm信号解复用过程；
[0066]
图8isac设备一目标感知过程；
[0067]
图9isac设备二中频移chirp解调过程；
[0068]
图10正交四载波fscm信号的感知结果；
[0069]
图11正交四载波fscm信号在不同信噪比条件下的通信误码率；
具体实施方式
[0070]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
[0071]
实施例1
[0072]
本实施例提供一种基于正交多载波fscm信号的isac方法，应用于如图1所示的通信与感知一体化网络，对于isac网络中的任意isac设备：
[0073]
(1)对数据流的通信符号进行频移chirp调制生成正交多载波fscm信号并发射出去；
[0074]
(2)接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；目标反射的回波信号为正交多载波fscm信号，
[0075]
(3)接收isac网络中其它isac设备发射的正交多载波fscm信号，并对接收信号进
行解复用和解调，实现isac设备之间的通信。
[0076]
实施例2
[0077]
本实施例提供一种基于正交多载波fscm信号的isac设备，包括发射机和接收机；
[0078]
所述发射机对数据流的通信符号进行频移chirp调制，生成正交多载波fscm信号并发射出去；
[0079]
所述接收机接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；其中，目标反射的回波信号为正交多载波fscm信号，
[0080]
所述接收机还接收isac网络中其它isac设备发射的正交多载波fscm信号，并对接收信号进行解复用和解调，实现isac设备之间的通信。
[0081]
实施例3
[0082]
本实施例提供一种基于正交多载波fscm信号的isac网络，包括上述实施例2中所述的isac设备。
[0083]
对于上述任意实施例中所述的isac设备，均可在现有通信设备或雷达设备上做改进，所需载频为915mhz，最大带宽51.2mhz，发射天线和接收天线各两根，正交多载波fscm信号限定扫描时间为20us，各通道的扩频因子可取{4,5,6,7,8,9,10,11,12}。如图1所示isac网络的场景，包含了多个物体目标和两台isac设备，各isac设备均可做发射端或接收端，且均能实现通信与感知双功能。
[0084]
本实验场景中假设isac设备一通过发射正交多载波fscm信号，并处理场景中目标的回波信号，实现对目标的实时检测。isac设备二接收到正交多载波fscm信号，对信号进行解复用和解调，以实现isac设备之间的通信。具体地：
[0085]
步骤一：构建正交多载波mimo-fscm波形及帧格式
[0086]
频移chirp调制(fscm)是一种基于chirp信号的远距离、低功耗通信调制技术，该调制方式将通信符号s通过频率偏移的方式编码在一个恒定斜率(chirp rate)的chirp信号中。在fscm技术中，将符号s嵌入chirp波形的方法是给波形添加一个载波频率偏移量(carrier frequency offset)f
offset
，f
offset
由下式定义给出：
[0087][0088]
以折叠时间为分界线，可以把一个fscm符号表示为两部分，以下式表示：
[0089][0090]
其中带宽b为
[0091][0092]
sf是扩频因子，即每个符号的调制位数，通常取值为{4,5,6,7,8,9,10,11}。f
offset
为载波频率，k是频率变化的斜率，fscm信号离散形式如下式所示：
[0093][0094]
其中，n是采样序列，fs是采样频率，n1＝{0,
…
,v
fold-1},n2＝{n
fold
,
…
,2
sf-1}，且n
fold
＝t
fold
·fs
。相比传统的正弦类调制方式，兼具扩频和跳频属性的fscm信号不仅继承了chirp信号的优良特性，同时具有更良好的抗截获性能。能同时实现通信与感知的双功能要求，因此可作为isac系统的基础波形，但是该波形的通信速率只对应于其chirp速率，通常比相同带宽下的通信系统所实现的符号速率低一个数量级。
[0095]
由于fscm信号的相位不连续，直接将fscm信号与参考信号混频会出现高频分量，到处虚警问题，并且fscm波形的载波频率偏移量(cfo)是由通信符号决定的，具有随机性。因此，由于不知道干扰的频率范围，很难设置适当的滤波参数。针对此问题，通过对fscm信号模型的建立和分析，当采用复杂基带结构，采用低于奈奎斯特采样频率时(奈奎斯通常为2倍带宽，本实施例采用的是1倍带宽)，可以将fscm的数学模型简化为chirp，消除了频率不连续造成的干扰。图2中fscm信号直接与参考信号混频后的时域和时频域，可以看到信号中夹杂了一段时间的高频分量，图3为消除虚警问题前后的目标检测结果对比。
[0096]
然而，虽然fscm信号的自相关性和频谱特性较好，但是通信效率比较低。因此可以通过引入ofdm多载波复用的思想，来提高系统的通信效率。然而，多载波技术要求子载波相互正交，所以fscm多载波的核心问题是如何选择合适的正交基并构造正交子载波。针对这一问题，fscm正交多载波通信的关键在于各子载波之间互不干扰，所以需要构建彼此正交的fscm子载波信号。下面先利用分数傅里叶变换(frft)证明fscm波形在时频域上的正交性，然后构造fscm正交基以建立正交多载波fscm信号组。图4为正交多载波fscm信号的时频域图像。
[0097]
frft可以看作是一个矢量在时频域内任意角度的旋转。不同的n个调频的chirp信号可以看作是：一个chirp基信号在α-u平面中旋转了n个角度。信号x(t)的h阶分数傅里叶变换(frft)的定义如下：
[0098][0099]
其中fh是frft的操作算子，信号在时频域上的旋转角度kh(t,u)是frft的变换核，定义为：
[0100][0101]
分数阶傅里叶变换能在介于时域和频域之间的分数傅里叶变换域上分析和处理信号，突破了传统傅里叶分析的局限性。
[0102]
通过上述分数阶傅里叶变换构造得到不同斜率的fscm信号，然后对任意两个不同斜率的fscm信号做自相关，结果如下：
[0103][0104]
其中，ψ
p
(t)和ψq(t)代表任意两个不同斜率的fscm信号，代表信号ψq(t)的共轭，由此可知，不同斜率的fscm信号之间在时频域上彼此正交。
[0105]
在本发明提出的方法中，首先isac设备一在发射机的各通道中，利用频移chirp调制生成fscm正交子载波组，由于各通道内扩频因子不同，而脉冲时间均为20us，根据公式：
[0106][0107]
因此，各通道生成的fscm子载波的斜率k不同，彼此之间也相互正交。
[0108]
随后在发射机中由加法器将各通道的子载波叠加后发射。图5描述了所构建的正交多载波fscm信号帧格式在时频域中的形式，包括了前导、数据包头、有效载荷三个部分组成，其中前导包括了可变前导、同步字和频率同步三个部分。
[0109]
在过去的研究中，人们发现mimo技术可以提高系统设计的自由度，天线方向图设计更加灵活，从而更好地实现低信噪比下的目标距离、速度、角度估计等。同时mimo技术还能提高信道容量极限，能够提升系统通信速率和可靠性，且mimo雷达模型与mimo通信模型在数学表达式具有较多的共同点。因此为了更进一步地提升isac系统的感知与通信性能，本发明的优选实施例利用目前通信设备和雷达传感设备中的mimo天线，进一步提升通信与感知的双功能性能。将利用mimo天线收发正交多载波fscm信号的方法简称为mimo-fscm方法。
[0110]
在mimo-fscm方法中，各各支路通道的数据流经过fscm调制后，通过相应的天线发射出去，以两载波方式叠加在每根天线上，然后通过mimo天线发出，即每根天线上对应的fscm信号扩频因子为：{3/4}、{5/6}、{7/8}、{9/10}。由此种方式，可在四天线上实现八载波fscm感知通信一体化，并且由于天线间的发射信号相互正交，所以并不会对双功能性能造成较大影响。
[0111]
假设每个阵元发射相互正交的信号x如下式所示：
[0112][0113]
其中xi(n)，i∈{1，2，...，n
t
}是第i根发射天线中的信号，n
t
为发射天线的数量，则位于方位角θ0的目标的回波信号为：
[0114][0115]
上式中，表示kronecher乘积，ξ＝esη表示每个阵元接收信号经过匹配滤波器后的幅度，η为信号的传输损耗，v表示n
t
nr维的接收噪声矢量，nr为接收天线的数量。α
t
(θ0)和αr(θ0)分别为mimo雷达的发射导向矢量和接收导向矢量，具体形式为：
[0116][0117][0118]
其中，和表示各发射阵元之间和接收阵元之间在空间上的相位差，λ是波长，d
t
为发射天线阵元间距，dr为接收天线阵元间距，则mimo阵列的n
t
nr维等效导向矩阵为：
[0119][0120]
即mimo-fscm感知通信一体化系统的收发波束的输出为：y＝ahx+v，(
·
)h表示矢量的共轭转置。
[0121]
步骤二：isac设备一和设备二的接收机对正交多载波mimo-fscm信号解复用
[0122]
阵列天线的信号接收模型如图6所示。使用一组由4个天线单元组成的均匀线性阵列来接受信号。
[0123]
isac设备在mimo天线上接收到信道中的正交多载波fscm信号后，形式如下：
[0124]
y＝a(θ)x+v
[0125]
其中v是具有协方差rz的可加性零均值时间白噪声，随后利用frft方法对fscm正交多载波信号进行解复用。具体操作为：先在接收机的各通道内根据对应的sf生成对应的参考信号gi(t)，参考信号的形式为载波频率偏移量f
offset
为0且与子载波具有相同斜率的fscm信号。随后在各通道内，将接收到的正交多载波fscm信号y(t)与参考信号gi(t)的共轭相乘：
[0126][0127]
即可提取出该通道sf对应的fscm子载波，其流程如图7所示。
[0128]
以下用协方差矩阵来对提取的子载波信号进行评估，以证明接收信号的抗干扰性：提取后的接收信号子载波的协方差矩阵可以被表示为：
[0129][0130]
和rn分别表示接受子载波信号和噪声信号的协方差矩阵。假设噪声信号连续，则对协方差矩阵r进行特征分解，可以得到r的m个按降序排列的特征值，并且能将r变形为下式：
[0131][0132]
上式中的λs是由矩阵r的k个特征值η1，η2，η3，...，ηk组成的对角矩阵，ys是由k个对应的特征向量组成的信号子空间。λn是由m-k个特征值组成的对角矩阵，yn是由m-k个特征值对应的特征向量组成的子空间。
[0133]
步骤三：isac设备一在雷达通道中对目标进行高精度估计；
[0134]
isac设备一在提取出子载波后，选取通道对应sf最大的fscm子载波做感知处理。由于fscm信号在存在相位不连续的问题，直接采用雷达处理算法将fscm与参考信号混频，将会导致虚警问题。为了解决此问题，本方法将采样频率fs设置为与该通道的sf对应的带宽b相等，即fs＝b，则fscm离散信号可以做如下化简：
[0135][0136]
由此，fscm信号从数学形式上可以化简为标准的chirp信号，且携带了通信符号s。此操作可以消除fscm信号直接混频带来的虚警问题，提高系统的感知精度。然后使用相同斜率的标准chirp信号与该fscm子载波混频，得到中频信号f
if
(t)：
[0137][0138]
其中t
*
[n]表示斜率为标准chirp信号的共轭，中频f
if
＝-k0n
′
，n
′
是信号在离散时间上的延迟。最后采用czt算法对f
if
(t)做处理(参考丁康等人发表的《zfft与chirp-z变换细化选带的频谱分析对比》)，即可对目标进行距离速度的高精度估计。以及采用music算法(参考何子述等人发表的《修正music算法对相关信号源的doa估计性能》)和谱峰搜索方法(即在czt细化处理后的频谱中找到峰值，为对应目标的频率值)进行到达角估计，其表达式为：
[0139][0140]
图8为设备一对目标回波进行处理的流程图。
[0141]
该方法采用了低采样率的方式，可减少系统的运算时间，提高运行速度，且消除了fscm相位不连续带来的虚警问题。同时由于sf最大的fscm信号带宽较高，也保证了目标距离感知的高精度。
[0142]
步骤四：isac设备二在通信通道中进行fscm子载波解调，还原出通信信息。
[0143]
该步骤四与步骤三分别在两个不同的设备中展开，步骤顺序不分先后。
[0144]
isac设备二经过步骤二的子载波解复用操作后，在各通道内得到与sf对应的fscm子载波。然后在各通道内，对fscm进行解调。解调过程基于相干解调的概念，使用与调制信号sf值相同的down-chirp信号作为解调的参考信号，其(cf0)为0，具体流程如图9。第i通道内的解调操作如下式所示：
[0145][0146]
其中代表离散参考信号x
ref
[n]的共轭形式，通信符号s对应于fft操作后的最大值序列号，具体流程如图9所示。对比非相干解调，此算法具有更低的计算复杂度。
[0147]
本发明提出基于正交多载波fscm信号的isac方法、设备及网络，解决了当前频谱拥塞问题，不仅实现遥感，还采用多载波通信方案，保证通信可靠性。
[0148]
采用zedboard软件无线电进行仿真实验，参数如表1所示：
[0149]
表1仿真实验参数
[0150][0151]
本发明中采用低采样率的方法，消除了fscm信号直接混频时出现虚警的问题，降低了计算复杂度。图10为正交四载波fscm信号的感知结果，当最高的扩频因子取值为10时，感知误差可低至10cm。
[0152]
本发明中应用分数阶傅里叶变换，提出了正交多载波mimo-fscm信号组，大幅度提高了通信速率，且通信可靠性较高。当扩频因子取值为{3/4，5/6，7/8，9/10}时，正交多载波mimo-fscm信号组的通信速率可达89.2mbps，且随着扩频因子的增大，通信速率将成倍增长，信噪比为0db时，误码率可达10-4
。图11为正交四载波fscm信号在不同信噪比条件下的通信误码率。
[0153]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。
[0154]
术语解释：
[0155]
isac:通信与感知一体化，是指将通信设备和感知设备集成到同一个系统中的方法，并在它们之间寻求权衡以及相互的增益。在isac系统中，通信和感知两种功能不再被视为单独的目标，而是为互惠互利而共同设计的，所以isac能大幅提高频谱和能源效率，同时降低硬件和信号成本。
[0156]
fmcw雷达：调频连续波雷达(fmcw radar)，是指发射频率受特定信号调制的连续波雷达，如气象雷达。调频连续波雷达通过比较任意时刻回波信号频率与此时刻发射信号的频率的之差方法来得到目标的距离信息，距离正比于两者的频率差。目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到。与其他测距测速雷达相比，调频连续波雷达的结构更简单。fmcw雷达的技术经验较丰富，所需的发射功率峰值较低、容易调制、成本低、信号处理简单。
[0157]
chirp：线性调频(lfm)信号是一种频率随着时间线性变化的调制信号，线性调频信号也称为啁啾(chirp)信号。lfm技术在雷达、声纳技术中有广泛应用，它可用来增大射频脉冲宽度、加大通信距离、提高平均发射功率，同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。
[0158]
fscm：频移chirp调制(fscm)，是指将信息通过频率偏移的方式编码在一个恒定斜率(chirp rate)的chirp信号中的调制方式。fscm信号是一种基于chirp信号的远距离、低功耗技术，被广泛应用于物联网通信中。相比传统的正弦类调制方式，兼具扩频和跳频属性
的fscm信号不仅继承了chirp信号的优良特性，同时具有更良好的抗截获性能。
[0159]
lora：远距离无线电(long range radio)是一种低功耗局域网无线标准，其最大特点就是在同功耗条件下的传播距离更远。由于其具备远程、低功耗、安全数据传输等特性，所以现已广泛应用于物联网、公共或私有网络中。
[0160]
frft：分数阶傅里叶变换，是指将信号通过分数阶变换算子，实现信号在时频域上旋转不同的角度，从而拓宽了信号处理的范围。
[0161]
mimo：多输入多输出天线。

技术特征：
1.一种基于正交多载波fscm信号的isac方法，其特征在于，对于isac网络中的任意isac设备：(1)对数据流的通信符号进行频移chirp调制生成正交多载波fscm信号并发射出去；(2)接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；目标反射的回波信号为正交多载波fscm信号，(3)接收isac网络中其它isac设备发射的正交多载波fscm信号，并对接收信号进行解复用和解调，实现isac设备之间的通信。2.根据权利要求1所述的isac方法，其特征在于，在对通信符号进行频移chirp调制时，在发射机的各通道中采用不同的扩频因子进行调制。3.根据权利要求2所述的isac方法，其特征在于，采用不同的扩频因子进行调制的方法为：给子载波fscm信号添加一个载波频率偏移量f
offset
，f
offset
由下式定义给出：式中，b为带宽，sf是扩频因子，即每个通信符号的调制位数，t
s
为每个通信符号的周期时间，s为通信符号；以折叠时间为分界线，把一个通信符号s表示为两部分，以下式表示：式中，k是频率变化的斜率；x
t
(t)为嵌入通信符号s得到的发射端fscm信号；将嵌入通信符号s的x
t
(t)采样得到fscm信号离散形式如下式所示：其中，n是采样序列，f
s
是采样频率，采用单倍带宽；n1＝{0,
…
,n
fold-1},n2＝{n
fold
,
…
,2
sf-1}，且n
fold
＝t
fold
·
f
s
。4.根据权利要求1所述的isac方法，其特征在于，各isac设备利用mimo天线发射信号和接收信号，且各isac设备设置多根发射天线和多根接收天线，每根天线对应多个不同的扩频因子。5.根据权利要求1所述的isac方法，其特征在于，对回波信号处理包括对接收到的正交多载波fscm信号解复用；对接收到的正交多载波fscm信号，具体解复用包括：设接收到的正交多载波fscm信号表示为：y＝a(θ)x+v其中，v是具有协方差r
z
的可加性零均值时间白噪声；首先在接收机的各通道内根据对应的扩频因子sf生成对应的参考信号g
i
(t)，参考信号
的形式为载波频率偏移量f
offset
为0的fscm信号；随后在各通道内，将接收到的正交多载波fscm信号y(t)与参考信号g
i
(t)的共轭相乘，提取出各通道对应的fscm子载波x
r,i
(t)：6.根据权利要求5所述的isac方法，其特征在于，对回波信号处理还包括利用得到的子载波进行目标检测，具体地：首先选取通道对应扩频因子sf最大的fscm子载波，将采样频率f
s
设置为与该通道的扩频因子sf对应的带宽b相等，即f
s
＝b，则采样得到fscm离散信号为：其中，x
ri
[n]为各通道对应的fscm离散信号，φ表示接收到的fscm离散信号y
i
[n]的相位，k是频率变化的斜率，n是采样序列，n1＝{0,
…
,n
fold-1},n2＝{n
fold
,
…
,2
sf-1}，n为n1和n2的并集，且n
fold
＝t
fold
·
f
s
，f
s
是采样频率，t
fold
为fscm符号表示为两部分的折叠时间，b为带宽，s为数据流中的通信符号；n
′
是信号在离散时间上的延迟；然后使用相同斜率的标准chirp信号与该fscm子载波混频，得到中频信号f
if
(t):其中，t[n]表示斜率k0为标准chirp信号，*表示共轭运算，中频f
if
＝-k0n
′
；φ
′
是接收信号与参考信号混频后得到的中频信号的相位；最后采用czt算法对f
if
(t)做处理，完成对目标进行距离和速度的估计；以及还采用music算法和谱峰搜索方法进行到达角估计，其表达式为：其中，θ
music
表示估计得到的到达角，a(θ)表示发射接收矩阵，是发射导向矩阵和接收导向矩阵转置的乘积；λ
n
是由接收信号子载波的协方差矩阵r的降序排列的后m-k个特征值组成的对角矩阵。7.根据权利要求5所述的isac方法，其特征在于，对接收信号进行解复用和解调，其中的解调是在各通道内分别对fscm子载波进行解调，具体基于相干解调的原理，使用与调制信号中扩频因子值相同的down-chirp信号作为解调的参考信号；第i通道内的解调操作如下式所示：其中，代表离散参考信号x
ref，i
[n]的共轭形式，通信符号s对应于fft操作后的
最大值序列号。8.一种基于正交多载波fscm信号的isac设备，其特征在于，包括发射机和接收机；所述发射机对数据流的通信符号进行频移chirp调制，生成正交多载波fscm信号并发射出去；所述接收机接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；其中，目标反射的回波信号为正交多载波fscm信号，所述接收机还接收isac网络中其它isac设备发射的正交多载波fscm信号，并对接收信号进行解复用和解调，实现isac设备之间的通信。9.根据权利要求8所述的isac设备，其特征在于，用于实现权利要求2-7任一项所述isac方法。10.一种基于正交多载波fscm信号的isac网络，其特征在于，包括若干如权利要求8-9任一项所述的基于正交多载波fscm信号的isac设备。

技术总结
本发明公开了一种基于正交多载波FSCM信号的ISAC方法、设备和网络，对于ISAC网络中的任意ISAC设备：(1)对数据流的通信符号进行频移chirp调制生成正交多载波FSCM信号并发射出去；(2)接收和处理多目标场景中各目标反射的回波信号，实现对目标进行实时检测；目标反射的回波信号为正交多载波FSCM信号，(3)接收ISAC网络中其它ISAC设备发射的正交多载波FSCM信号，并对接收信号进行解复用和解调，实现ISAC设备之间的通信。本发明在不损失通信及感知性能的前提下，实现通信与感知一体化。实现通信与感知一体化。实现通信与感知一体化。


技术研发人员：李烁 胡宏耀 李自蹊 周定岳 陈立 刘定泉
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/12