✿基于啁啾延迟-多普勒域调制的自动驾驶车辆联合通信与雷达技术✿

摘要

本文提出了一种以感知为中心的联合通信与毫米波雷达范式，以促进智能车辆间的协同。首先，本文设计了一种基于啁啾波形的延迟-多普勒正交振幅调制（DD-QAM），可在延迟、多普勒和振幅维度上进行数据调制。基于该调制方案，本文推导了其可达速率以量化通信性能。随后，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的动态环境下四维（4D）参数估计方案，使主动车辆能够在传统四维雷达系统基础上，准确估计目标的方位角和切向速度。此外，在通信方面，本文提出了一种基于双补偿的解调与跟踪方案，使被动车辆能够在不影响自身感知功能的前提下有效解调数据。仿真结果验证了所提方法的可行性和优越性能，为自动驾驶车辆领域的发展提供了重要进展。

引言

雷达与通信技术在七十年的发展历程中并行演进，在硬件、波形设计和算法等方面存在诸多共性，二者的融合被视为下一代网络的重要突破方向，可实现协同增益。联合通信与雷达（JCR）的核心波形主要分为三类：通信中心设计（CCD）、感知中心设计（SCD）和联合设计（JD）。其中，JD虽为理想目标，但因技术新颖性和复杂性面临诸多挑战。

正交频分复用（OFDM）是CCD类JCR的常用波形，能实现高速数据传输并支持部分感知功能，但高峰均功率比使其在仅需传输控制数据的场景中存在局限。而在感知需求高、通信速率要求低且通信仅为附加功能的场景下，SCD更具优势。啁啾波形是SCD的典型代表，具有实现简单、多普勒效应容忍度高、恒模特性等优点，适用于脉冲雷达和连续波雷达。其中，毫米波（mmWave）连续波雷达因满足车载系统对尺寸、成本和平均功率的严格约束，成为自动驾驶车辆的关键传感器。

与摄像头、激光雷达相比，毫米波雷达成本更低、抗环境干扰能力更强，但单车辆传感器的感知能力有限，且频谱资源复用效率低，多车辆场景下易产生相互干扰，这为车辆间协同及JCR技术应用提供了契机。现有研究存在诸多不足：部分SCD类JCR方案不适用于民用场景，或存在理想假设与高算法复杂度问题；LoRa技术向毫米波频段扩展时面临硬件非理想和采样率过高的挑战；现有JCR方案未充分利用时间序列信息进行感知参数的数据调制。

为此，本文致力于在不损害毫米波雷达基础感知能力的前提下，赋予其通信功能，实现通信与雷达功能的无缝融合，主要贡献包括三点：一是采用“先听后说”机制，选择空闲时频资源，通过DD-QAM在单帧啁啾信号上调制延迟、多普勒和振幅数据，同时支持环境感知；二是利用跟踪过程中的相对运动，提出基于扩展卡尔曼滤波器（EKF）的五维（5D）参数估计方案，相比传统四维感知新增切向速度估计，并通过频谱泄漏实现准离格估计；三是基于跟踪过程的时间序列信息，提出双补偿解调与跟踪方案，在解调数据的同时去除调制信息以保障感知功能。

方法简介

1. 系统架构与帧结构

自动驾驶车辆分为主动车辆（AV）和被动车辆（PV），二者配备相同的JCR收发器，可根据需求切换角色。AV负责发送调制数据的JCR信号并接收回波进行环境感知，PV负责接收信号并解调数据、感知环境。帧结构采用信标帧辅助的多普勒分复用（DDM）模式：信标帧仅激活第一个发射天线，确保每个目标在距离-多普勒图（RDM）上对应唯一检测区域，实现距离和速度的无模糊估计；DDM帧激活所有发射天线，每个目标对应多个检测区域，用于区分发射天线并估计方位角和仰角。

2. 核心调制与信号模型

提出的DD-QAM调制方案将数据直接调制到啁啾信号的延迟、多普勒和复振幅上。在单径单输入单输出（SISO）信道下，通过信号混频、低通滤波和采样过程，推导了接收信号的数学模型；在多径多输入多输出（MIMO）信道下，采用DDM方案实现波形正交，通过扩展天线孔径提升角分辨率，并推导了AV和PV的接收信号模型。

3. 参数估计方案

设计了信标帧辅助的4D参数估计方案，利用CFAR检测从RDM中提取目标（路径）的延迟、多普勒信息，通过频谱泄漏带来的多检测位置平均提升估计精度，再结合DFT-based算法估计方位角和仰角。该方案通过信标帧解决DDM方案中最大检测速度降低的问题，且初始感知阶段后可仅用DDM帧完成参数估计。

4. 跟踪与解调方案

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主动车辆：提出基于EKF的5D参数估计方案，将传统4D参数（距离、径向速度、方位角、仰角）与切向速度结合，通过融合历史先验信息与当前观测值，提升参数估计精度并获取目标方位角。
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被动车辆：提出双补偿解调与跟踪方案，先基于历史参数预测当前AV的参数，再通过对比预测值与当前观测值解调延迟、多普勒和振幅维度的数据，最后去除调制信息并利用EKF完成AV参数的跟踪更新，实现感知与通信的协同。

结论

本文聚焦于提升毫米波频段感知中心型自动驾驶车辆的通信功能，主要贡献体现在三个方面：一是波形设计上，提出基于DD-QAM的啁啾波形，实现延迟、多普勒和复振幅维度的高效数据调制；二是感知层面，提出信标帧辅助的4D参数估计方案，实现延迟和多普勒的准离格估计，同时基于EKF的5D参数估计方案支持动态离格估计，并能额外获取切向速度和方位角信息；三是通信层面，为被动车辆设计双补偿解调与跟踪方案，利用时间序列信息在不影响感知功能的前提下完成数据解调。

尽管本文设计以感知为核心，但为通信速率提升提供了新路径。未来研究可探索基于每帧啁啾数量扩展可达比特率的技术方向，进一步优化联合通信与雷达系统的综合性能。

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