车载雷达通信系统的研究现状

受到警告

　　车载雷达通信系统的研究意义
　　车载雷达通信系统正面对巨大的市场机遇。一方面，各国***对交通安全的重视升级，自动紧急刹车、前向碰撞告警、车道偏离告警等汽车安全技术不断被纳入相关的法律法规。另一方面，自动驾驶成为全球研究的热点，更在「中国制造2025」中上升为国家战略之一。
　　目前业界采用的高级驾驶辅助系统仅依靠搭载的摄像头、红外、激光雷达等各种车载传感器来为单车智能驾驶提供辅助。而与高级驾驶辅助系统相比，车载雷达通信系统是在车载毫米波雷达系统上一体化实现现代通信技术，在实现雷达探测功能的同时建立车联网的通信连接，使汽车同时具备复杂环境感知、信息共享、智能化决策等功能，为智能驾驶提供最有效的保障。车载雷达通信系统不仅具有毫米波雷达的探测优势，即在车辆对周围环境感知的功能上具有全天候、全天时、高精度、高分辨率的特点，而且可以通过车载雷达通信系统建立的车联网实现车辆自身及其周围环境信息的传递与共享，车辆可以获得超视距范围的环境认知，从而使车辆具有了「视觉+听觉」的能力。因此，车载雷达通信系统是支持智能驾驶和智慧交通最基础、最有效的手段。
　　并且，随着5G 通信时代的来临，通信的频段已不限制于6 GHz 以下，而是扩展到十几吉赫兹到几十吉赫兹的微波波段。而车载雷达通信系统可使用全球统一的频谱，即24 GHz、77 GHz、79 GHz 频段。这些频段与5G 高频通信频段和微波通信频段接近。因此，基于雷达技术和通信技术的同源性，通过研究车载雷达通信系统，不仅使得车-车间通过车载雷达建立车车通信联网成为可能，而且可对5G 高频通信技术的研究提供技术积累。

　　2.1 雷达通信一体化的评价指标
　　雷达通信一体化的评价指标包括雷达指标和通信指标。通常雷达指标主要涉及雷达对目标的距离、速度、角度等各方面的测量要求，主要包括测量范围、测量精度、分辨率等指标。通信指标主要为信噪比、数据速率等，且通信功能的引入不能降低雷达的探测性能。以下主要介绍雷达指标。
　　2.1.1 距离
　　（1）雷达作用距离雷达的作用距离可由雷达方程来得出，雷达方程将雷达的作用距离和雷达发射、接收、天线和环境等各因素联系起来，可以反映雷达各参数对雷达作用距离的影响程度。基本雷达方程为：
　　
　　其中，R_max 是雷达的最大作用距离，P_t 是雷达发射功率，G_t 和G_r 分别是发射天线和接收天线的增益，σ 是雷达截面积，S_sim 是雷达接收机最小可检测信号功率。
　　（2）测距范围测距范围包括最小可测距离和最大单值测距范围。最小可测距离是指雷达能测量的最近目标距离。对于脉冲雷达来说，收发天线是共用的，在发射脉冲宽度 τ 的时间内，接收机无法接收目标回波，在发射脉冲结束后将天线收发开关转换到接收状态也需要一定的时间t_0，接收机也不能接收目标回波。因此，雷达的最小可测距离为：
　　雷达的最大单值测距范围由脉冲重复周期T_m 决定。为保证单值测距，通常应选取T_m ≥2R_max/c，其中R_max 是被测目标的最大作用距离。当雷达重复频率不能满足单值测距的要求时，将产生距离模糊。
　　（3）距离分辨率距离分辨率通常是指同一方向上两个大小相同的点目标之间的最小可区分距离。对于简单的脉冲雷达信号，脉冲越窄，距离分辨力越好。对于复杂的脉冲压缩信号，决定距离分辨率的是雷达信号的有效带宽B，有效带宽越宽，距离分辨率越好。距离分辨率可表示为：
　　（4）测距精度测距精度是指雷达对被测目标距离测量的准确度，一般用均方根误差来表示。理论上，单个强散射点距离的最小均方根误差可以表示为：
　　其中，E/N_0 为信噪比。可以看出： 雷达的测距精度与信号带宽和信噪比成反比。
　　2.1.2 速度
　　根据多普勒频率，其中v_r 为径向速度，测速精度可以表示为：
　　
　　速度分辨率为：
　　其中，τ 是信号持续时间，正比于信号时宽。可以看出： 测速精度和速度分辨率都与信号时宽成反比，且信号波长越短，测速精度和速度分辨率越高。
　　2.1.3 角度
　　角度的测量与天线孔径有关，若天线的半功率波束宽度为：
　　
　　则方位角或俯仰角的测量精度可以表示为：
　　

　　2.2 雷达通信一体化系统的波形设计
　　雷达通信一体化系统最大的挑战就是找到合适的信号能同时完成信息的传递和雷达探测功能。雷达和通信的参数都跟信道特性有关，最主要的信道特性是多普勒频率和最大多径时延，并且由于回波经历了二倍的传播路径，因此这些特性对雷达的影响更大。除了信道的物理特性外，还有一些只针对雷达性能的限制，主要跟雷达的模糊函数有关。
　　传统雷达波形设计的目的是得到具有最优自相关特性的波形来保证雷达探测性能。雷达波形的选择要考虑3 个性能因素：目标距离、多普勒和方位角。对于车载雷达来说，在交通密集的区域，波形应能有效地对抗干扰和噪声。而通信的主要性能指标包括：覆盖范围、时延、数据速率、系统容量等。通信波形的选择是要保证能对抗各种信道衰落以及多用户干扰从而正确的解调解码出通信信息。
　　考虑到现有雷达的实现技术和现有的通信技术，车载雷达通信一体化信号的主要研究方向有：基于线性调频的雷达通信 ［4］、基于扩频的雷达通信 ［6-9］、基于OFDM 的雷达通信 ［10-11］。当然，这些技术还可进一步与多天线 ［7］、波束赋形等技术结合起来。