随着5G技术的全面铺开和万物互联概念的兴起，海量的设备与服务将通过无线技术相互连接，而频谱作为一种不可再生资源，在这种爆炸式的无线通信发展浪潮中将日益拥堵和稀缺。

近年来，频谱资源的稀缺性从一些发达国家的频谱竞拍价格中可见一斑。

2015年，英国移动服务商需要为其现有的2G/3G/4G服务使用的900MHz和1800MHz频段每年各支付8千万和1亿英镑的使用费。

而2019年，美国联邦通信委员会对第一批28GHz频段5G牌照竞拍价格也高达7亿美元。

随着未来5G应用、车联网、物联网设备的不断增加，频谱资源的拥堵和稀缺将进一步加剧。

为应对无线通信技术对频谱的巨大需求，通信服务商正在考虑复用一些非通信服务的独占频段。

而雷达由于独占频段较多，成为了与通信共享频谱的重要选项。

在10GHz以下的频段，原本仅供雷达使用的频段正逐步为其他商用无线服务让步，而位于雷达频段边缘的保护频段也正逐渐消失。

上世纪70年代开始，HF频段雷达就面临HF频段通信和新兴无线设备的竞争。

而在70年代末，雷达在UHF频段就被世界无线电行政会议(WARC)降为二级授权，即需要优先保证不给主通信用户造成干扰。

而近十年，国际电信联盟(ITU)正致力于将3.4-3.7GHz频段的雷达服务降为二级，为4G时代的全球微波接入互操作性技术（WiMAX）和长期演进技术(LTE)让步。

此外，英国也在论证将2.62-2.69GHz频段分配给Wi-Fi服务作扩展用途的可能，这一频段非常接近航空管制雷达和防空雷达所在的S波段(2.7-3.1GHz)。

而最新的5G技术将进一步加剧S甚至C波段雷达面临的频谱拥堵问题。

在更高的频段如毫米波即30GHz以上的频段，未来包括自动驾驶定位在内的雷达服务和5G毫米波蜂窝基站在内的通信服务也需要实现共存或协同工作。

而随着以上提到的通信系统不断与雷达竞争频谱，其对雷达服务造成的干扰也日益显著。

英美等国政府和军方出于安全考虑，正进行相关研究保证必须的雷达功能不受影响。

针对日益加剧的雷达与通信服务频谱竞争问题,有关部门正在讨论制定新的频谱管理使用规范。

但是从长远角度来看，通信雷达频谱共享技术(CRSS)将会是一个治标治本的更优选择。

频谱交替接入技术

频谱交替接入可看作是认知无线电技术的延伸，此时雷达为使用该频段的主要用户(PU)，而通信系统是次要用户(SU)。

在这种模式下，往往需要SU首先完成频谱感知，并且在频谱没有被占用的情况下发射信号开始工作。

为了避免对雷达系统造成干扰，通信系统需要控制自身的工作功率以确保雷达的干扰噪声比(INR)在合理的区间内。

在该场景下，雷达天线的主瓣周期性旋转扫描目标，而基站在雷达主瓣扫描照射时间内不工作，仅在旁瓣照射时工作。

在这种工作模式下，给定雷达工作所需的最低INR门限后，雷达和通信系统间的最小允许距离即随之确定。

虽然这种交替接入频谱的方式在实际场景中易于部署，但其实质上并没有真正实现频谱共享。

因为仅当雷达不占用频域和空域资源的时候，通信系统才能够正常工作。

此外，由于MIMO雷达与传统雷达工作体制的不同，此类方法也无法运用到MIMO雷达的共存场景中。

具体来说，当目标未知时，MIMO雷达发射全向波形在全空域内进行搜索，并在目标位置已知后发射指向性波束进行跟踪。

因此，其发射方向图可能跟随目标的移动轨迹随机变化，这就导致在MIMO雷达体制下，通信基站将很难准确掌握其主瓣扫描规律和方位。

针对这一问题，我们需要进一步引入更强大的技术如发射预编码器设计来消除相互干扰。

雷达或通信单边设计共存技术

为真正实现频谱共享，立足于易于实现的工程实际，首先考虑的是雷达或通信单边设计，单边设计指的是仅仅设计雷达或通信系统二者中的某一个，以达成与另一个在同频段内共存的技术。

因此，其研究脉络清晰地分为了雷达单边设计以及通信单边设计。

雷达波形设计历史悠久，因此通过仅设计雷达发射信号完成与通信系统共存成为首选方案。

宽带信号设计能够最大化雷达的工作信噪比(SNR)，同时约束限制该雷达信号在通信频点处的功率谱密度总和小于设定值，以此实现通信系统频点处的频谱凹陷。

为保证雷达信号的恒模和距离自相关等性能，根据资料我们还增加了一个雷达波形相似约束。

随后，通过对雷达发射波形引入功率调制作为松弛提升其频谱凹陷形成能力，并进行了更为全面的分析对比。

且进一步针对接收端滤波器进行了设计，提升了系统的信干噪比(SINR)性能。

为进一步提升频谱利用效率，资料显示要将频谱凹陷约束改为更为普遍适用的频谱形状约束，并设计能够适应拥堵频谱环境的具有精确频谱形状的雷达探测信号。

然而，这些研究都仅仅考虑了单天线的雷达系统。

由于多天线阵列技术能够大幅提升雷达性能，进一步将频谱形状限制延伸至MIMO雷达波形设计，使得MIMO雷达也能够在频谱拥挤的环境中共存。

而除了频域设计外，在引入多天线技术后，MIMO雷达拥有了空域上的多样性，因此借鉴MIMO通信系统中经典的迫零准则(ZF)预编码器设计法。

具体技术为在获取蜂窝基站与MIMO雷达间干扰信道后，通过使用奇异值分解(SVD)，获取干扰信道矩阵所对应的奇异值向量。

随后基于这些向量，在干扰信道的零空间中设计NSP预编码器对雷达信号预编码。

由于雷达信号经编码后投影在干扰信道的零空间内，因此其对通信蜂窝基站的干扰为零。

然而这种方法会对MIMO雷达的性能带去较为严重的性能损失，对干扰信道矩阵的奇异值设计了挑选门限，并基于此提出了松弛后的NSP预编码系统。

MIMO雷达性能因此得到了提升，但是作为代价，基站受到的干扰增强了。

通信单边设计技术

在某些雷达系统如政府或军用特定任务雷达无法升级或更改的情况下，就需要考虑通信系统的单边设计技术。

通信单边设计的思路主要是通过给现存的通信系统配备合适的干扰抑制技术，使其能够在雷达系统发射模式不做改变的情况下保证自身所需的服务质量(QoS)。

近阶段对该项通信单边设计的研究主要分为两部分，即雷达信号先验信息未知情况下的通信接收端设计，以及雷达发射波形结构已知情况下的通信发射端设计。

在接收端移除这些雷达信号再进行通信解调，对于一个固定已知的雷达，通信系统如何设计复星座图调制方式以实现功率约束下的误码率最小化，或者是误码率和功率约束下的发射速率最大化。

随后，针对多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信系统单边设计与MIMO雷达共存的问题。

建立优化问题，通过设计MIMO通信预编码器最大化雷达探测概率，同时满足基站功率和下行链路用户的工作SINR约束。

研究资料表明，在前作基础上研究了两种MU-MIMO通信预编码设计准则，一是最小化通信基站的发射功率同时保证用户的解码SINR以及雷达的INR；

二是最小化基站给雷达的干扰，同时满足给定的用户SINR约束和发射功率约束。

单边设计技术存在的第一项不足是其对于模型的简化处理，通信和雷达系统的指标往往只考虑了一端。

而另一端在模型上和性能指标上都只进行了简化处理，其性能受到影响的程度大小并未作细致分析。

第二项不足是干扰管理能力挖掘不足，显然通信雷达双边联合优化有更高的设计自由度，因而可以进一步降低共存中存在的干扰。

雷达与通信系统联合设计共存技术

为了综合考虑雷达与通信系统之间的相互作用，并提升整体性能，雷达与通信系统联合设计共存技术成为近期研究热点。

作为MIMO雷达的改进体，MC-MIMO雷达会使用子采样矩阵来采样接收到的目标回波信号矩阵，然后使用矩阵的补全算法近似恢复出目标信息。

这种在雷达接收天线端的随机子采样对干扰信道进行了调制并增大了干扰信道的零空间。

这使得通信系统能够设计其预编码体制来最小化对雷达造成的干扰。

相应的优化问题通过拉格朗日对偶分解法和交替最小化方法求解。

在加入了更为实际的约束后，我们在研究基础上引入了与信号相干的杂波，通过消除该杂波最大化雷达的有效工作SINR并保证通信系统的性能。

考虑到实际场景中，通信系统给雷达造成的干扰是持续的，但是雷达对通信链路造成的干扰是间断的。

接着研究了通信系统与慢时间编码雷达系统的共存问题，此时通信速率由其受雷达干扰时和不受雷达干扰时的速率加权和(定义为混合速率)表示。

通过联合设计通信信号码本和雷达慢时间调制波形，在功率和雷达SINR约束下最大化该混合速率。

当雷达造成的干扰满足一定的条件时，该问题具有闭式解。随后，将前作的脉冲模型引入到MIMO雷达与MIMO通信系统的联合设计中。

通过优化MIMO雷达的发射波形、接收滤波器以及通信系统的码本，最大化雷达接收端的SINR。

同时约束保证雷达发射波形与参考波形的相似程度、且满足通信系统的速率约束和发射功率约束。

针对正统MIMO雷达和多个单用户下行链路多输入单输出(MISO)通信系统的共存问题进行研究。

通过联合设计MIMO雷达的发射信号以及MISO通信系统的发射复权值完成共存。

其目标是最小化波达方向(DOA)估计的克拉美罗界(CRB)，同时满足通信解码SINR约束、功率约束和MIMO雷达波形相似性约束。

当前，双功能一体化系统中最主要的问题是如何更高效地管理雷达探测和通信功能之间、通信用户与用户之间的干扰。