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摘要

研究了双功能多输入多输出（MIMO）雷达通信系统的波形设计问题。提出了两种基于优化的新型波形设计。第一波形设计的目的是通过利用剩余的自由度（DoF）来最小化下行链路多用户干扰（MUI）能量，同时始终保证雷达性能是最佳的。第二种波形设计是雷达和通信性能之间的权衡优化，通过允许设计的和期望的雷达波束图之间的可容忍的失配。尽管这两个问题都是非凸性的，但仍设计了有效的算法来获得全局最优解，这些解可用于同时目标检测和下行链路通信。数值结果表明，在允许雷达性能轻微下降的情况下，通信性能可以得到显著改善，从而实现通信性能和雷达性能的良好平衡。

引言

频谱是无线通信最有价值的资源之一。意识到频谱的稀缺性，网络提供商和政策监管机构正在探索在不久的将来与LTE和Wi-Fi系统共享目前被其他应用占用的频谱的可行性[1]-[4]，例如接近3.4 GHz频带的机载雷达和导航系统[5]以及5.6 GHz的船载和船舶交通服务（VTS）雷达[6]。作为一个新兴的研究课题，通信-雷达频谱共享（CRSS）不仅可以有效地利用频谱资源，而且为雷达与通信协同设计新型系统提供了一种新的思路。

实现通信和雷达系统之间频谱共存的一种简单方法是机会主义频谱共享[7]。然而，它不允许两个系统同时工作。鉴于此，许多工作[8]- [13]考虑了针对雷达和通信系统之间的不同频谱共存场景的零空间投影（NSP）方案，其中雷达波束形成器被设计为将信号投影到雷达和基站（BS）/用户设备（UE）之间的干扰信道的零空间上，使得从雷达到通信链路的干扰为零。然而，这导致雷达的性能损失，因为波束形成对于目标检测和估计不再是最佳的。最近的贡献[14]-[18]已经利用了优化通过放松预编码器的迫零约束以在通信系统上施加可控的干扰水平来实现雷达和通信的性能之间的折衷的技术[9]，提供更现实的共存。

上述共存方法的关键缺点在于，雷达和通信设备通常需要交换辅助信息以实现有益的协作，例如信道状态信息、雷达探测波形和通信调制格式。这导致了系统相当大的额外复杂性，并且因此难以在实际场景中实现。新的双功能雷达通信（RadCom）系统被认为是克服这一不足的一种有利的CRSS方法。作为一种使能解决方案，双功能波形设计可同时支持目标检测和信息传输。已经对单天线系统[19]-[22]的这种可能性进行了探索，其中已经提出了几种集成波形来联合收割机雷达和通信信号。此外，[23]、[24]考虑了通过不同的波束形成器加权因子在天线上进行波形混洗或相移键控（PSK）作为通信调制方案。这些方法的共同特征在于，一个通信符号由一个或多个雷达脉冲表示，这导致雷达脉冲重复频率（PRF）量级的低数据速率。

本文的贡献是两种基于优化的新颖的双功能MIMO RadCom系统波形设计。首先，我们考虑在保证雷达性能最佳的特定雷达约束下，通过最小化下行链路MUI来进行波形设计。接下来，我们考虑在功率预算约束下雷达和通信性能之间的折衷优化。虽然是非凸的，但这两个问题都得到了有效的解决。值得强调的是，所提出的方法产生了可证明的全局最优波形，可用于同时目标检测和下行通信。仿真实验结果表明，该折衷优化方法可在通信性能和雷达性能之间取得较好的平衡。

系统模型

我们考虑一个如图1所示的联合MIMO雷达通信系统，它同时向目标发送雷达探测波形和向下行链路用户发送通信符号。联合站配备了一个具有N个天线的均匀线性阵列，为K个单天线用户提供服务，同时检测雷达目标。

仿真结果

结论

本文讨论了MIMO雷达-通信系统的波形设计问题，该系统既可用于目标检测，又可用于下行通信。提出了两种基于优化的新型波形设计。设计有效的算法来获得可证明的全局最优解。数值结果表明，该方法可以很好地平衡通信和雷达性能。

MATLAB代码列表

完

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