基于5G移动通信参考信号的机会信号测距测向技术.pdf

：引用格式：金天，姚钧天，刘波，等基于移动通信参考信号的机会信号测距测向技术无线电工程，（）：，（）：基于移动通信参考信号的机会信号测距测向技术金天，姚钧天，刘波，吴笑风（北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京；北京海兰信数据科技股份有限公司，北京）摘要：全球导航卫星系统（，）是目前应用最广泛的导航系统之一，但导航卫星信号到达地面时比较微弱，容易受到干扰，且无法在室内和城市峡谷环境中使用。近年来，移动通信技术发展迅速，具有基站布站密度高、信号信噪比强的特点，常被作为机会信号（，）定位导航系统进行研究。移动通信采用极简化设计，用于信道质量估计的参考信号不能随时获取，限制了利用上述信号实现定位可能性。针对以上问题，结合移动通信中的波束成形技术，充分利用新引入的同步信号块（，）中的解调参考信号（，），提出了基于参考信号的测距测向方法，实现了多径误差补偿的测距技术和基于信噪比拟合的测向技术。实验表明，测距均方根误差（，）为 ，比不使用时的精度提高了；测向为，使得未来利用移动通信参考信号构建定位导航系统成为可能。关键词：测距；测向；参考信号；导航定位中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，）：（），（），（）（），（），；，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）：（）引言全球导航卫星系统（，）是目前应用最为广泛的定位方式，其具有全球性、全天候、连续性和实时性的定位功能。但卫星导航信号易受干扰，且到达地面比较微弱，不能在室内和城市峡谷等环境中使用。为了弥补信号与信息处理 年 无线电工程 第 卷 第 期 卫星导航的不足，近年来研究人员对机会信号（，）导航进行了广泛研究。导航将周围环境中所有潜在无线电信号视为，并从中提取用以导航的信息。这些多属于常用的商业通信信号，可随时随地免费获取但并非为导航专门设计，这些潜在的无线电信号包括移动通信信号、调频调幅广播信号（，）、数字电视、和铱星信号等。虽然组织定义了专用于定位的位置参考信号（，），但该信号从未大范围投入使用，主要原因是基于网络的定位技术要求分配大量额外的频带资源来传输，挤占其他业务信道的带宽，不利于运行商提高利润。同时，基于网络的定位技术会将用户定位信息反馈给网络，可能泄露用户位置信息。因此，一些研究人员利用移动通信的小区特定参考信号（，）进行信道估计，代替进行定位。而移动通信采用了极简化设计，取消了参考信号，引入了同步信号块（，）和波束赋形技术等新技术，但在现有的研究中，相关研究人员未能将这种新技术有效结合在一起。因此，本文利用网络信号中始终发送（）的中的解调参考信号（，）提高信道响应估计的性能，更好地利用旋转不变信号参数估计技术（，）去除多径误差，实现对测距信息的提取。同时，通过对各个波束信噪比的拟合，建立线性回归公式，计算出回归系数，实现测向角度的估计，所获得的测距和测向信息对于未来建立基于的定位系统有着重要的意义。移动通信参考信号测距方法在移动通信中，基站会随时向用户发送信号，用于估计下行物理信道的信道质量。而移动通信中取消了信号，引入了按需发送的发送信道状态信息参考信号（，）代替其部分功能。因此，对于非接入的用户来说，按需发送的参考信号序列和时频域位置未知，不能用于定位。但由于基站会周期性发送序列已知的用于下行同步，但其中的主同步信号（，）和辅同步信号（，）的带宽相对较低，需要充分利用其中较高带宽的实现更加精细的信道估计。对参考信号处理包括个步骤：第一步为同步信号的搜索，即从中获取、和的信息，实现对不同参考信号码序列的搜索。第二步为粗时延估计，即利用接收的与本地生成的互相关得到粗时延估计。第三步为多径误差补偿，即利用求信道频率响应（，），再采用算法计算多径误差，补偿多径对时延粗估计产生的影响，提高距离测量性能。具体流程如图所示。图 参考信号测距方法流程 同步信号搜索在系统中，基站以 为周期发送同步广播块集合（），其中只有前 包含了多个，因此后续处理时只需要保留前 的采样数据。为获取中的参考信号信息，需要知道参考信号的时频域位置和序列。在单个中，、分别占据中时域上第个和第个正交频分复用（，）符号，频域上个中心子载波。占据时域上第、个符号，频域上间隔分布，如图所示。信号与信息处理 图 的结构 、均有多种可能的序列，由（）、（）、等参数决定，其序列生成公式在 中列出。接收端根据参考信号的序列生成公式和时频域位置，生成对应所有可能的参考信号，与接收到的基站信号互相关，通过峰值比较判断接收到的参考信号序列。粗时延估计粗时延估计可根据本地生成与接收的滑动互相关计算得到。首先，对接收到的时域信号进行采样后得到离散信号（）。（）通过滤波器得到离散时域信号（）。然后将（）与本地生成的信号，（）进行滑动相关运算。互相关函数模值的平方（）为：（），（）（），（）相关窗内信号的总能量（）为：（）（）（），（）式中：，对应（），（）表示序列的时域符号。由于本地生成的序列对应的是频域信号，而系统经过采样得到的数据的时域信号，需要对产生长度为的本地符号两端插零值得到长度为的符号（），经过快速傅里叶逆变换（，）到时域，再与本地时域信号做相关：，（）（）()。（）对应（）得到个值的相关值集合为：（）（）（）。（）取相关值集合中个相关值的最大值，即可获得粗同步位置和小区组内号（）：，（）()（，）（），。（）粗同步位置对应包含误差的时延估计，（）用于后续的获取。基于 信号的多径误差补偿如前所述，和的带宽不够，基于式（）获得粗同步位置分辨率不够，难以精细地分辨出多径等信道误差。考虑到移动通信中是和带宽的倍，在粗时延估计的基础上利用估计信道频率响应，能够更有效地消除多径误差，进一步提高精度。多径信号模型为补偿多径误差，首先要建立多径信号模型。符号在多径衰落信道中传输，假设该信道在符号的持续时间内保持不变，并且信道冲激响应（，）为：（）（）（）()，（）式中：为多径的数量，（）、（）分别为第条路径相对于第一条路径的相对衰减和延迟分量，（），（），为冲激函数。因此，移除循环前缀（，）并在完美同步条件下进行快速傅里叶变换（，）后的接收符号可以表达为：（）槡（）（）（），（）式中：，（）为发射的符号，为由于天线增益和各种损耗而产生的接收信号功率，（）为信道上的高斯白噪声。在此基础上，计算信道频率响应（）为：（）（）（）。（）通常，估计的接收符号定时与实际符号定时之间存在不匹配，这可能是由于不完全同步、时钟漂移、多普勒频率和或载波频率偏移造成的。假设时间失配小于持续时间，则接收信号可以重写为：（）（）槡（）（）（），（）式中：，为由于多普勒频率、时钟漂移和振荡器失配引起的总载波频率偏移，通过采样间隔 标准化的符号定时误差，、分别信号与信息处理 年 无线电工程 第 卷 第 期 为归一化的估计符号定时和真实符号定时。在承载的符号中，传输的信号（）等于序列（）。由于序列在接收器处已知，估计的信道频率响应为：（）（）（）槡 （）（）（）()（）。（）个不同子载波上的估计信道频率响应集可以写成：（）()（）（）（），（）式中：，（）（），（）()，（）槡（）（）（）。多径数量估计算法已经被广泛应用到信号的时延估计中，其利用各个子载波上的信道估计，构建旋转矩阵，进而得到时延估计。其中，最小描述长度（，）标准是估计多径数量的一种方法。数据矩阵由估计的信道频率响应构建：（）（）（）（）（）（）（）（）（），（）式中：为设计参数，为占用的子载波数，。可以使用度量来估计多径数。为此，必须计算 的奇异值分解（，）。其中，表示厄米算子，和是酉矩阵，是具有奇异值的矩阵。接下来，将标准计算为：（）（）（），（）式中：，。多径数的估计值如下：（）。（）在得到多径数的基础上，可利用方法对信号进行处理。多径估计在利用方法估计信号的第条路径的相对时延（）过程中，可将对应于最大特征值的特征向量设置为（），并定义：（）（）（）（），（）式中：是大小为的单位矩阵，是元素为零的矩阵。然后，构造旋转矩阵为：（）。（）计算其特征值，对于 ，第条路径的相对时延（）和最小的多径延迟的计算方法分别为：（），（）（），。（）在本地序列起始位置基础上，利用计算的多径误差进行补偿后，可以得出更为精确的测距结果。移动通信参考信号测向方法 基于 波束的测向原理在传统的无线电系统中，往往需要使用阵列天线进行测向，天线阵列存在的阵元位置、幅度和相位等误差对测向结果影响较大。移动通信基站的下行同步过程采用了波束赋形技术，可充分利用波束信号中存在的测向信息，即使用单天线实现测向功能。考虑到基站在一个周期内会发送多个波束，采用不同的序列，每个位置上接收机所接收到的波束的信噪比不同，因此可根据序列计算各个波束的信噪比实现信号的测向。参考信号测向原理示意如图所示。图 参考信号测向原理示意 信号与信息处理 具体的参考信号测向包括个步骤：第一步为测向观测量提取，与测距信息观测量提取类似；第二步为信噪比计算，以（基站一个周期内发送波束数量最大为）为例，需要在接收端生成个不同序列，分别对接收到的参考信号求信噪比；第三步为角度拟合，计算基站和接收机相对角度。以个波束的信噪比作为自变量，角度作为因变量，通过多元线性回归拟合得到角度计算公式。具体的测向流程如图所示。图 参考信号测向流程 基于 信号信噪比的测向估计首先，为了提取测向信号和计算信噪比，需要生成所有可能的序列用来计算信道估计。式（）给出了各个位置上信道估计的计算。对于不同序列，信道估计（）的计算如下：（）（）（），（）式中：为根据 生成的第个序列波束，为其共轭转置；为接收到的参考信号。对于接收到的噪声估计（）和信噪比分别为：（）（）（），（）（）（）（）（）。（）此时，接收机相对基站的角度为可以根据线性回归公式计算：，（）式中：和根据线性回归求得。实验方案与结果 实验设备与流程通过实际实验对参考信号测距和测向方法的性能进行评估。实验采集了中国联通公司基站信号，基站频段为频段，中心频率为 。接收端使用定制设备进行信号采集，采集到的信号经程序处理，实现测距测向算法。接收端实验包括信号接收天线、信号接收天线（频率 ）、原子钟、推车、移动电源以及定制接收机。实验设备与实验环境如图所示。图实验现场及仪器说明 在实验过程中，基站位置固定，接收机持续移动，使接收机与基站的距离和角度持续变化。由于城市环境复杂，距离和角度的真实值难以获得。因此，在误差计算部分，以定位获得接收机和基站的经纬度，根据经纬度计算出距离和角度作为参考值，计算误差。实验过程中，接收机移动路线如图和图所示。信号与信息处理 年 无线电工程 第 卷 第 期 图测距实验过程 图测向实验过程 测距结果及误差实验中的基准结果是由接收机与基站的经纬度计算得到。实验将采用了 信号测距结果、未采用 信号测距结果与测距基准结果对比，如图所示。图测距结果对比 可以看出，利用进行多径误差处理的测距结果均方根误差（，）为 ，未利用进行多径误差处理的测距为，相比而言，测距精度提高了，说明了高带宽的 信号对于多径处理的有效性。测向结果及误差实验中测向结果也根据接收机运动方向和基站经纬度计算得出，作为参考值。实验过程中对各个波束信噪比的变化进行了记录，如图所示。基于式（）计算出的参考信号测向结果与测向结果的对比如图所示。信号与信息处理 图 各个波束信噪比变化 图 测向结果对比 与 基准值相比，本文提出的 参考信号测向结果的 为 。实验结果分析根据实验结果可以看出，可以通过对 移动通信中的参考信号处理，提取出相应的测距和测向信息，建立基于 移动参考信号的 定位系统。但在实际场景中，由于信号传播环境复杂、楼宇数木遮挡和邻区基站干扰等因素使得信号强度较弱，其测距和测向精度还有待提高。随着 移动通信基站部署和推广，未来可提取出更多基站的测距测向信息，提高基站测距测向精度。结论本文针对 移动通信 定位系统中所存在的多径干扰严重和测距测向信息难以提取等问题，通过在原有信号处理基础上增加多径误差处理、波束信噪比拟合功能，实现了一种基于 参考信号的测距测向技术。在测距技术中，充分利用 移动通信信号中的 参考信号得到更高精度的信道估计，更有效消除多径误差影响。在测向技术中，根据各个波束信噪比拟合出角度计算公式和回归系数，实现接收机相对基站的方向角测量。基于本文所提出的方法，在城市环境中利用实际的联通 基站开展实验。实验结果表明：与 测量结果相比，本方法的测距结果 为 ；与 测量结果相比，测向结果 为 ；测距测向结果初步验证了 参考信号在城市复杂环境下的可用性。未来随着网络建设的加速推广，基站数量和布站密度会进一步上升。利用本方法可获得更多基站的测距测向信息，弥补单基站测距测向精度较低的缺陷。?参考文献 ，：，（）：，：，：，（）：信号与信息处理 年 无线电工程 第 卷 第 期 ，？，（）：，（）：，（）：，：秦红磊，谭滋中，丛丽，等 基于铱星机会信号的定位技术 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报，（）：，：，（）：，（）：，：，郭秋阳 下行信号的同步与检测技术研究 成都：电子科技大学，鲁坤，张晓光，李蕾蕾，等 基于 的高分辨率时延估计算法研究 ：，（）：，（）：薛嘉琛，武建锋，焦喜康，等 一种基于北斗 的联合定位系统 无线电工程，（）：刘源，徐威，武建锋，等 基于 优化 神经网络的 室内定位 无线电工程，（）：，（）：，：，：，：作者简介金天男，（），博士，副教授。主要研究方向：无线电导航和卫星导航技术。姚钧天男，（），硕士研究生。主要研究方向：无线电导航。刘波男，（），总工程师助理。主要研究方向：智能船舶通信导航。吴笑风男，（），博士，高级工程师。主要研究方向：船舶航行智能化。信号与信息处理