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射频通信与传感融合研究综述

摘要 无线媒体，如射频、光学或声学媒体，为遥感（如雷达）和数据通信提供了有限的资源。通常，这两个功能相互不一致，并争夺这些资源。无线技术的应用正在迅速增长，随着消费者和军事系统需求的发展，射频融合已经成为用户的需求。这一复杂问题的广泛解决空间包括具有传感和通信功能的系统的合作或协同设计。通过在设计阶段共同考虑系统，而不是延续相互干扰的概念，可以提高两个系统的性能。我们为未来的研究人员提供了一个出发点，我们将需要通过展示应用程序、拓扑、系统集成水平、当前的技术水平和未来信息中心系统的概述来解决这个问题。

索引条款 射频融合，雷达通信共存，联合传感通信，无线资源。

一.介绍

频谱拥塞的问题是迫使传统的雷达频段用户研究与越来越多的通信应用进行合作和协同设计的方法。这个问题促使政府实体如国防高级研究计划局(DARPA)开始资助和调查这些方法不仅确保军事雷达覆盖保持光谱分配重新谈判，但可能提高军事雷达和军事通信通过共同设计系统从地面[1]。然而，这些问题远远不仅仅是商业通信和军事雷达，还包括各种广泛的应用，如下一代汽车、医疗设备和5G无线回程。因此，研究人员不仅开始研究军事雷达和通信共存的方法，而且开始研究更根本的联合遥感和通信的方法。

这两个功能的核心，往往是不一致的。例如，感知通常发送一个已知的波形或刺激，并测量来自环境的反应，通常被称为通道。在雷达系统的情况下，所发送的信号是已知的，而目标通道是未知的，并且需要被感知（估计）。然而，一个通信系统通常发送一个未知的信号，假设该传播信道是已知的或先前估计的。我们也可以考虑这种情况的近相反：无源雷达。在这种情况下，我们必须将数据作为一个讨厌的参数，以获得我们关心的信息（信道估计）。非自适应通信信道是静止的或受控制的，是传统雷达系统的双重性。因此，当考虑联合感知和通信的一般任务时，很明显，解决方案不是平凡的。

图1展示了一个典型的双用户拓扑结构和频谱拥塞问题。对于相反的要求，传感和通信系统通常是单独设计的。遗留系统中其他用户的唯一考虑的是监管限制的形式，例如美国面心立方施加的限制。然而，政府监管并没有激励任何用户减少最低限度的干扰或相互帮助以互惠互利。随着未来的系统争夺光谱资源，射频收敛合作是日益拥挤的无线领域的解决方案。我们定义了最终的解决方案，射频收敛，即给定的带宽分配共同用于雷达和通信以实现互利。这包括但不限于多功能收发器、带内全双工(IBFD)操作、共享波形和动态时间分配。

图1 目前的射频频谱挑战说明在一个简化的拓扑结构

只显示两个用户，一个通信和雷达用户，以及一些外部干扰，异构的双用户遗留系统所面临的挑战是显而易见的。用户可以在同一波段和相邻的空间中操作，也可以在相邻的光谱波段中共同定位和操作。无论如何，两个用户都会对另一个用户进行干扰，并需要缓解以达到最佳功能。

图2 未来的射频频谱拓扑结构

用户是动态的，相互适应环境，相互适应环境。没有专门的雷达或通信资源，但动态元素相互合作，并共同设计，以满足瞬时任务。外部干扰天生就减少了，因为双用户系统更容易扩展到多用户、多功能节点，能够适应和通信，以实现联合、分布式任务。

图2所示，作者看到了通道拓扑标题的未来。与专用的雷达或通信元件，通用动态用户被设计以满足瞬时任务需求。带宽、数据速率和估计速率[2]根据通信需求、目标存在和目标动态进行调制。虽然人们可能会注意到认知无线电和认知雷达都是活跃的发展领域，但认知无线电通常是在资源共享[3]的背景下开发的，而认知雷达传统上更专注于智能雷达系统，以提高雷达性能[4]。以前的调查已经从动态访问的角度来研究频谱拥塞问题，重点关注监管问题和信号处理[5]。然而，这项工作的重点仍然是动态通信用户，而不一定包括遥感用户。最近的工作调查了频谱资源共享方法和[6]的未充分利用，主要集中在通信上，其中提到了与非通信用户的共享。这项工作更多地关注现有的频谱共享规则，而不是未来的架构和共存的限制。在这项工作中，我们讨论了频谱拥塞的一般问题和这个问题的未来解决方案。对于双用户情况，射频收敛可分为四种拓扑结构：联合多址信道、单静态广播信道、双静态广播信道和IBFD信道。这些拓扑已经在最近的文献中被不同的研究人员对射频收敛的兴趣重新激发。联合多址信道问题在[2]和[7]-[15]中被解决，而双静态广播信道拓扑问题在[16]和[17]中被解决。在参考文献[18]中对单静态广播信道进行了讨论。最后，参考文献[19]详细介绍了IBFD的广泛而复杂的主题。虽然我们将这个问题应用于与雷达和通信有关的应用，但这项工作中的讨论适用于所有有可能进行传感和通信的媒介。对射频的关注是因为这个问题出现在关注优化一个宝贵的资源：射频频谱。在解决这个问题时，我们首先来看看在第二节中可以从共同设计需要遥感和通信的系统中受益的各种应用程序。第三节介绍了联合雷达通信系统的双用户拓扑结构的特殊情况。在第四节中，介绍了两个用户可以采用的不同级别的系统集成，从仅仅共存（减轻相互干扰）到完全共同设计的系统。我们在第五节中介绍了联合系统的最新技术，并在第六节中展望了未来系统和解决方案的边界。这项工作是迄今为止联合系统研究的出发点和整理点，因此我们在第七节中作了一些总结意见。

二.微光联合传感通信技术的应用

在本节中，我们将讨论可以从更一般的联合传感-通信范式中获益的各种应用程序，或者目前正在从这个角度进行研究。这些混合物包括军事和商业用户、医疗设备和基于光的应用程序等。任何受益于或可能受益于认知无线电和认知雷达的进步的系统或行业都很可能从射频融合中获益，因为这些问题是密切相关的。这还可以包括其他资源有限的传感模式，如声学和声纳系统。这些应用程序每个都有不同的系统目标、约束和法规问题。正如许多研究人员发现的那样，结合遥感和通信在理论上是困难的[20]，但这种需求显而易见，而且日益紧迫

A.汽车雷达和v2v通信

智能汽车革命在智能交通系统(ITS)的研究中处于主导地位。随着自动驾驶汽车即将问世，两种明显的技术需求出现了：车对车(V2V)通信和导航/回避雷达。随着汽车技术的发展，V2V通信已经提出了射频[21]和基于光的[22]解决方案。此外，车辆雷达已经部署到消费者车辆上，以避免碰撞和自动驾驶功能。然而，研究人员已经开始研究用于V2V应用的联合雷达通信系统，因为这些需求是如此紧密耦合的[22]，[23]。

B.商业飞行控制

在商业飞行和空中交通管制中，一个联合感知通信问题已经存在了几十年。类似雷达的功能是定位友好飞机的需要，而与飞行员的通信对于协调机场附近和机场周围多架飞机的飞行至关重要。现代系统采用S模式信标雷达系统，它将询问雷达与通信响应[24]相结合。从这个意义上说，S型商业飞行系统可以被认为是一种合作雷达方案，目标对雷达刺激做出反应，信息返回雷达。一个相关的系统是自动依赖监视广播(ADS-B)，它使飞机通过卫星导航自我定位，并广播他们的位置，使地面控制人员和其他飞机跟踪他们的位置[25]。新的软件定义的系统正试图集成这些不同的系统，以最小化电路和最大化灵活性[26]。

C. 通信与军用雷达

这是DARPA的雷达和通信共享频谱接入(SSPARC)倡议的一个特别兴趣，并随后在近年来催生了大量的研究。通信用户可以是商业的或军事的/政府的，非军事雷达也可以应用这个研究线程的解决方案。随着商业通信的加速需求，特别是蜂窝网络和宽带无线互联网的使用，人们对军事雷达分配[27]的未来的担忧日益增长。

D. 医疗传感器和监测

医疗设备通常在生物上深度嵌入，因此以较低的功率运行。然而，传感通常是这类设备的主要功能，它可能需要明显的功率才能有效地完成。基于云的方法已经发展起来，其中传感元件将它们的测量数据传递给外部处理结构，以便进一步分析[28]。这种拓扑也扩展到非医疗应用，封装了深嵌入的低功耗传感器应用[29]。在这些系统中，自然需要结合传感和通信，而在单一无线电上这样做尤其有利于减少医疗植入物的侵入性和物理足迹。从人体中获取通信信号也有其挑战，研究人员已经开始研究在传输数据[30]之前估计和平衡人体通道的设备。

E. 高频成像和通信

采用上毫米波的系统已被提出用于高通量通信和精细分辨率的传感。例如，谷歌的Soli项目使用针对移动设备[31]，[32]的60GHz雷达进行精确的运动检测。最终目标是为接口的下一代智能手机和平板电脑进行低功耗、基于手势的控制。这与使用相同频率范围和无线回程应用[33]的高通量设备到设备通信的进步有很好的补充。一个无线电可以同时处理输入控制的传感和高带宽应用程序的通信。

F. Li-Fi和Lidar

基于光的系统作为解决日益增长的频谱拥塞和压力的4G系统[34]越来越引起人们的兴趣。已经有许多研究线索在研究使用红外和可见光[34]的无线通信。Li-Fi是一种相当于Wi-Fi[35]的新标准，以满足消费者对高吞吐量、媒体丰富系统[36]的需求。有一个同样快速增长的行业研究光学遥感应用[37]，如用于湿地测绘和监测[38]的激光雷达，以及遥感使用光学系统进行沿海资源管理（例如，监测海平面）[39]。

G. RFID和资产跟踪

射频识别(射频RFID)等近场传感技术目前在一定程度上集成了遥感和数据传输。通信已经是RFID技术的核心功能，因为标签通信返回识别、运行状况和状态信息[40]。此外，RFID网络已经被建模为一个虚拟通信容量问题[41]。RFID技术也被研究用于雷达检测[42]和定位[43]。远场类rfid雷达系统也被研究为与合作目标[44]的联合雷达通信解决方案。考虑到一个典型的RFID需要外部刺激或应用射频能量来启动通信链路，与雷达的平行关系自然会出现（将射频能量发送到目标进行测量），并且联合传感通信方面是立即清晰的。

3.异构的双用户的拓扑结构

在本节中，我们将探讨在现实世界中看到的各种双用户雷达和通信拓扑，并考虑了实现射频收敛的解决方案。对于这里讨论的拓扑，我们假设我们有两个用户信号在同一频带中，它们共同定位或在附近工作。这里讨论的模型有一些扩展和变体，但下一节中的拓扑代表了捕获射频收敛的双用户配置的初始尝试。首先，我们讨论了“问题拓扑”，即“真实世界中的异构多用户干扰信道”。

A. 射频收敛模型

在这里，我们探索了一个代表真实世界的信道的频谱拥塞问题。对于这个模型，雷达和通信都是单独开发的，必须在给定的时空中竞争频谱。干扰缓解通常通过监管来管理。但是，如果各自的用户遵守法规要求，那么都不会激励用户将其对其他用户性能的影响降到最低。在现代系统中，用户还使用信号处理来自适应地最小化干扰，尽管遵守了监管无线标准仍然存在。

图1显示了这个拓扑结构的一个示例。即使在一个简单的单雷达、单通信链路场景中，系统之间也可能存在显著的干扰。添加通信用户和目标，加上现实世界环境中典型的强杂波反射，在给定用户的接收器上的各种不需要的射频能量来源开始复合。遵守法规通常不能防止这些复杂场景的发生，使系统增加额外的干扰缓解设计要求或限制系统性能。事实上，现实世界问题的代表性拓扑可能是如此复杂，联合雷达通信的研究只集中在一些领域测试合作或共同设计技术[45]的方法上。为了帮助分析和设计联合系统，下面的小节将介绍简化的多用户拓扑。

B.联合多路接入通道(mudr)

联合多接入信道拓扑包括一个用于雷达和通信的公共接收器，但具有独立的发射机。在此拓扑结构中，用户1是一个单静态雷达收发器（发送和接收雷达信号），并同时充当通信接收器。用户2是一个通信发射机。这可以很容易地扩展到N个通信用户和M个目标。

图3 联合多接入通道拓扑结构

左边的用户充当单静态雷达收发机（发射机和接收机），同时充当通信接收器。右边的用户是一个通信发射机。

这个拓扑结构如图3所示。这种体系结构有许多优点。雷达用户向信道发送已知波形，在某些情况下可以获得通信路径的均衡数据。由于跟踪雷达是动态估计目标状态，可以从信号中减去预测的雷达返回，以减少通信用户的雷达干扰。这种知识还允许通信用户在知道雷达没有传输或监听目标返回时以更高的速率传输，而不是被迫感知频谱使用。

利用这种拓扑的系统的一个例子被称为多用户探测雷达(MUDR)，在[2]和[13]和其他相关工作中探索。

C. 单静态广播频道

单静态广播信道对单静态雷达和通信链路都使用了一个共享的波形。这是通过将以前的拓扑中的通信链路的角色反转来实现的，如图4所示。用户1现在是一个单静态的雷达收发器（发送和接收雷达信号），并同时作为一个通信发射机。用户2现在是相反的角色，作为一个通信接收器。这也可以很容易地扩展到多个通信用户和目标。虽然这是一个微妙的变化，但现在耦合更加紧密，因为它们必须共享一个共同的波形。这意味着通信必须是寄生的，而雷达的性能可能是被发送的数据的一个功能。

图4 单静态广播信道拓扑结构

左边的用户充当单静态雷达收发机（发射机和接收机），同时充当通信发射机。右边的用户是一个通信接收器。

D. 双静态广播频道

双静态广播信道还对通信链路和雷达使用共享波形，现在采用双静态运行，如图5所示。这与以前的拓扑具有相同的挑战，但由于双静态雷达固有地执行信道估计，以直接支持通信链路均衡需求。无源雷达适合于这个拓扑结构中lt;

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