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CN111884972A - Ofdm通信体制双向高精度测距系统 - Google Patents

Ofdm通信体制双向高精度测距系统 Download PDF

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CN111884972A
CN111884972A CN202010609940.6A CN202010609940A CN111884972A CN 111884972 A CN111884972 A CN 111884972A CN 202010609940 A CN202010609940 A CN 202010609940A CN 111884972 A CN111884972 A CN 111884972A
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time
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严平
刘田
张毅
余湋
袁田
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Abstract

本发明公开了一种OFDM通信体制双向高精度测距系统，属于测控通信领域，包括：需要进行双向距离测量的节点A和节点B，在双向测距中，节点A基于正交频分多路复用OFDM波形发射测量时隙1，并记录发射时刻，节点B接收测量时隙1，对测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点B接收测量时隙1的精确时刻；同理，节点B基于OFDM波形发射测量时隙2，并将测量时隙1接收时刻和测量时隙2发射时刻填入MAC头后面的时间戳信息域；节点A接收测量时隙2，对测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，节点A对测量时隙2的数据信道进行解调和MAC数据包解析，利用双向测距原理得到真实距离的测量值。

Description

OFDM通信体制双向高精度测距系统
技术领域
本发明属于测控通信领域，具体涉及到一种广泛应用于数字传输和通信系统中基于正交频分多路复用(OFDM)参考信号的双向高精度测距系统。
技术背景
随着互联网技术的飞速发展，基于位置的服务将日益进入大众应用和公共服务领域。因此需要一种既可以达到高容量通信需求，又能满足高精度测量需求的通信体制。
目前通过无线电进行测距/定位的方法，源头上都是来自雷达技术，主要的算法手段就两种，TOF/TDOA算法，是基于飞行的，就是光速来乘时间来测距，距离知道了，自然可以计算出相对的位置坐标；AOA算法基于场强角度的，通过智能天线的接收信号来判断信源的方向，多几个方向角，也是可以推算出相对位置坐标。例如，LTE/5G蜂窝网利用SRS测量就是基于飞行的算法，即基站采用参考信号进行时延的测量，再换算为距离信息。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM),是一种通过多个载波进行信息传输的调制方式,它可以被看作是一种调制技术,也可以被看作是一种复用技术。它把整个信道分成N个并行的子信道,每个子信道的频谱相互正交,大大提高了信道的频谱利用率。OFDM调制的基本思想是将串行传输的数据流通过串并转换变为N路速率较低的数据流，用串并转换之后的数据流再分别去调制N路子载波。信息的速率变为原来传输速率的1/N，OFDM信号的符号周期长度变为原来长度的N倍，可以增强抵抗信道中时延拓展的能力，能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。基于OFDM波形的LTE/5G技术已经成为无线蜂窝网的主流技术。基于OFDM波形的通信体制的优势：通信容量大、频谱效率高、多址方式丰富(时分、频分、码分)，调度灵活，适应多用户场景。
LTE/5G中的参考信号(Reference Signal，RS)，就是常说的“导频信号”，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种己知信号。在5G协议中，下行参考信号包括PDSCH DMRS、CSI-RS等，上行参考信号包括PUSCH DMRS、SRS等。
基于OFDM波形的通信体制下，测距的方法单一：基站采用参考信号(PRACH或SRS)，对UE的空口传输时延进行估计，然后折算为距离。方式1采用PRACH信号：接收机利用接收的PRACH序列与本地ZC序列进行相关后的时延谱，对UE的空口传输时延进行估计。方式2采用SRS信号：接收机利用SRS信道估计后的时延谱，对UE的空口传输时延进行估计。
当前测距方法存在的问题：
(1)现有基于OFDM波形通信体制的测距方法中，利用参考信号测距无法达到高精度的需求。以SRS参考信号为例，利用SRS信道估计后的时延谱，对UE的空口传输时延进行估计。测距精度分析：上行带宽：20MHz，上行RB数：50RB，子载波间隔：30KHz，时延谱采样间隔：
Figure BDA0002560642280000021
折算为距离精度：16.667m。
(2)现有基于OFDM波形通信体制的参考信号测距方法采用单向测距，无法消除两个通信节点的时钟偏差导致的测量误差。
针对上述问题，目前基于OFDM波形的LTE/5G技术尚无一套合适的解决方案。
发明内容
为了解决基于OFDM波形通信体制的参考信号测距精度低、单向测距无法消除两个通信节点的时钟偏差导致的测量误差问题。本发明提出一种基于OFDM波形通信体制的双向高精度测距系统。
为了达到上述目的，本发明提出了一种OFDM通信体制双向高精度测距系统，包括：需要进行双向距离测量的节点A和节点B，其特征在于：在双向测距中，节点A基于正交频分多路复用OFDM波形发射测量时隙1，并记录发送时刻tA,1，节点B接收测量时隙1，对测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点B接收测量时隙1的精确时刻tB,2；同理，节点B基于OFDM波形发射测量时隙2，并将测量时隙1接收时刻tB,2和测量时隙2发送时刻tB,3填入MAC头后面的时间戳信息域；节点A接收测量时隙2，对测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点A接收测量时隙2的精确时刻tA,4；节点A对测量时隙2的数据信道进行解调和MAC数据包解析，得到tB,2和tB,3；节点A利用光速C，计算伪距1为
Figure BDA0002560642280000022
计算伪距2为
Figure BDA0002560642280000023
节点A利用双向测距原理，得到真实距离的测量值为
Figure BDA0002560642280000024
本发明相对于现有技术具有以下的有益效果：
本发明基于OFDM参考信号的双向高精度测距，利用包含数据信道和测量参考信号的测量时隙(Measure Slot)，实现节点A、B之间的高精度测距，并且不依赖节点A的时钟A与节点B的时钟B之间的时间同步关系。接收端在接收到测量时隙后，根据数据信道承载的发送端发射时间戳t0与本地接收时间戳t1的差值可以计算出粗估的伪距，再利用测量参考信号计算的精确时间偏移进行伪距补偿，即可计算出精确的伪距估计值，最后利用双向测距的方法，消除伪距的偏差，得到真实距离的估计值。可以在现有LTE/5G协议框架下，实现高精度的测距功能。相比LTE/5G现有的测距技术，具有更高的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明OFDM通信体制双向高精度测距系统示意图；
图2是图1双向测距的时序原理示意图；
图3是基于OFDM参考信号的双向高精度测距流程图；
图4是图1节点B补偿测量时隙1接收符号定时点与真实信号到达时刻偏差示意图；
图5是图1节点A补偿测量时隙2接收符号定时点与真实信号到达时刻偏差示意图；
图6是本发明实施例基于LTE/5G的下行测量时隙波形示意图；
图7是本发明实施例基于LTE/5G的上行测量时隙波形示意图；
图8是本发明不同导频密度RsDensity条件下的测距精度仿真结果图；
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1-图3。在以下描述的优选实施例中，一种OFDM通信体制双向高精度测距系统，包括：需要进行双向距离测量的节点A和节点B，其中，节点A包括：节点A测量时隙发射单元(1)，顺次串联的节点A测量时隙接收单元(2)、节点A接收时刻计算单元(3)、时间戳解析单元(4)和距离计算单元(5)；节点B包括：顺次串联的节点B测量时隙接收单元(6)、节点B接收时刻计算单元(7)、时间戳填充单元(8)和测量时隙发射单元(9)。
双向测距原理如下：节点A发射测量时隙1，节点B接收测量时隙1：测量时隙1的发射时刻在节点A的时钟A记为tA,1，在节点B的时钟B记为tB,1；测量时隙1的接收时刻在节点B的时钟B记为tB,2。节点B发射测量时隙2，节点A接收测量时隙2：测量时隙2的发射时刻在节点B的时钟B记为tB,3，在节点A的时钟A记为tA,3；测量时隙2的接收时刻在节点A的时钟A记为tA,4。假设节点A与节点B的真实距离为d，d＝(tB,2-tB,1)C＝(tA,4-tA,3)C，其中，C为光速。节点A和节点B的时钟固定相差Δt(Δt未知)，即tA,1-tB,1＝Δt，tA,3-tB,3＝Δt。节点B接收测量时隙1后，估计节点A到节点B的伪距1为
Figure BDA0002560642280000031
节点A接收测量时隙2后，估计节点B到节点A的伪距2为
Figure BDA0002560642280000041
因此，双向测距后可以将未知误差项Δt·C消除掉，得到真实距离的估计为
Figure BDA0002560642280000042
在双向测距中，节点A的测量时隙发射单元基于正交频分多路复用OFDM波形，发射测量时隙1，并记录发送时刻tA,1；节点B的测量时隙接收单元接收测量时隙1；节点B的接收时刻计算单元对测量时隙1的测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点B接收测量时隙1的精确时刻tB,2；节点B的时间戳填充单元将测量时隙1接收时刻tB,2和测量时隙2发送时刻tB,3填入MAC头后面的时间戳信息域；节点B的测量时隙发射单元基于OFDM波形，发射测量时隙2；节点A的测量时隙接收单元接收测量时隙2；节点A的接收时刻计算单元对测量时隙2的测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点A接收测量时隙2的精确时刻tA,4；节点A的时间戳解析单元对测量时隙2的数据信道进行解调和MAC数据包解析，得到tB,2和tB,3；节点A的距离计算单元利用光速C，计算节点A到节点B的伪距1为
Figure BDA0002560642280000043
计算节点B到节点A的伪距2为
Figure BDA0002560642280000044
节点A的距离计算单元利用双向测距原理，计算得到真实距离的测量值为
Figure BDA0002560642280000045
参阅图4。节点B计算接收测量时隙1的精确时刻的方法：节点B的测量时隙接收单元接收测量时隙1，并记录接收OFDM整数倍符号边界时刻：t′B,2(时钟B计时)；节点B的接收时刻计算单元进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到ΔtB,2；节点B的接收时刻计算单元对t′B,2进行补偿，得到节点B接收测量时隙1的精确时刻为：tB,2＝t′B,2+ΔtB,2。
参阅图5。节点A计算接收测量时隙2的精确时刻的方法：节点A的测量时隙接收单元接收测量时隙2，并记录接收OFDM整数倍符号边界时刻t′A,4(时钟A计时)；节点A的接收时刻计算单元进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到ΔtA,4；节点A的接收时刻计算单元对t′A,4进行补偿，得到节点A接收测量时隙2的精确时刻为tA,4＝t′A,4+ΔtA,4。
基于正交频分多路复用OFDM波形的测量时隙，包含两部分内容：数据信道和测量参考信号，其中，数据信道(上行PUSCH/下行PDSCH)中的MAC数据包承载发送端记录的时间戳信息和通信业务数据，在MAC头后面的时间戳信息域中填入时间戳信息，然后再填充通信业务数据；测量参考信号用于测量OFDM分数倍符号时偏的精确估计值。
在OFDM分数倍符号时偏估计中，节点A和节点B的接收时刻计算单元采样相同的算法对测量参考信号进行OFDM符号内精确时偏的测量：首先，接收时刻计算单元对接收的测量参考信号进行去CP、快速傅里叶变换FFT处理，得到OFDM频域信号；接收时刻计算单元提取接收的导频信号Yk，并根据发射机发射的导频数据Xk，对接收的导频信号Yk进行最小二乘LS(Least Square)LS估计
Figure BDA0002560642280000051
k＝0,1,…,N-1；接收时刻计算单元根据相关运算的间隔子载波个数Δk对LS估计值进行共轭相关处理
Figure BDA0002560642280000052
并对相关值进行累积处理
Figure BDA0002560642280000053
提取相关值累积后的相位信息
Figure BDA0002560642280000054
接收时刻计算单元利用该相位信息计算时延估计值
Figure BDA0002560642280000055
得到OFDM分数倍符号时偏估计值，其中，Δf为OFDM信号的子载波间隔，π为圆周率。
参阅图6-图7。在可选的实施例中，对于LTE/5G来说，数据信道即是下行(PDSCH)或上行(PUSCH)，测量参考信号可以采用已有的参考信号或加入专用的测量参考信号以获得更高的测量精度，下行(PDSCH)或上行(PUSCH)数据信道中的MAC数据包承载发送端记录的时间戳信息和通信业务数据，时间戳信息包括发送/接收时刻。测量时隙的MAC数据包的设计示例：MAC头后面加入时间戳信息域，然后再填充通信业务数据。
如图8所示，经过仿真分析得到，对于20M信号带宽的场景，在当前的波形设计约束下，在SNR>0dB的条件下，符号内测距RMSE小于1m。而LTE/5G现有的测距技在相同的信号带宽条件下，测距精度大于10m(16.667m)。可见，该发明相比LTE/5G现有的测距技术，具有更高的精度。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种OFDM通信体制双向高精度测距系统，包括：需要进行双向距离测量的节点A和节点B，其特征在于：在双向测距中，节点A基于正交频分多路复用OFDM波形发射测量时隙1，并记录发射时刻tA,1，节点B接收测量时隙1，对测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点B接收测量时隙1的精确时刻tB,2；同理，节点B基于OFDM波形发射测量时隙2，并将测量时隙1接收时刻tB,2和测量时隙2发射时刻tB,3填入MAC头后面的时间戳信息域；节点A接收测量时隙2，对测量参考信号进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到节点A接收测量时隙2的精确时刻tA,4；节点A对测量时隙2的数据信道进行解调和MAC数据包解析，得到tB,2和tB,3；节点A利用光速C，计算伪距1为
Figure FDA0002560642270000011
计算伪距2为
Figure FDA0002560642270000012
节点A利用双向测距原理，得到真实距离的测量值为
Figure FDA0002560642270000013
2.如权利要求1所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：节点A包括：节点A测量时隙发射单元(1)，顺次串联的节点A测量时隙接收单元(2)、节点A接收时刻计算单元(3)、时间戳解析单元(4)和距离计算单元(5)；节点B包括：顺次串联的节点B测量时隙接收单元(6)、节点B接收时刻计算单元(7)、时间戳填充单元(8)和测量时隙发射单元(9)。
3.如权利要求2所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：节点A测量时隙接收单元接收测量时隙2，并记录接收OFDM整数倍符号边界时刻t′A,4；节点A接收时刻计算单元进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到ΔtA,4；节点A接收时刻计算单元对t′A,4进行补偿，得到节点A接收测量时隙2的精确时刻为tA,4＝t′A,4+ΔtA,4。
4.如权利要求2所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：节点B测量时隙接收单元接收测量时隙1，并记录接收OFDM整数倍符号边界时刻t′B,2；接收时刻计算单元进行精确的OFDM分数倍符号时偏估计，得到ΔtB,2；节点B的接收时刻计算单元对t′B,2进行补偿，得到节点B接收测量时隙1的精确时刻为：tB,2＝t′B,2+ΔtB,2。
5.如权利要求1所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：基于正交频分多路复用OFDM波形的测量时隙，包含：数据信道和测量参考信号两部分内容，其中，数据信道中的MAC数据包承载发送端记录的时间戳信息和通信业务数据，在MAC头后面的时间戳信息域中填入时间戳信息，然后再填充通信业务数据；测量参考信号用于测量OFDM分数倍符号时偏的精确估计值。
6.如权利要求1所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：在OFDM分数倍符号时偏估计中，节点A和节点B的接收时刻计算单元采样相同的算法对测量参考信号进行OFDM符号内精确时偏的测量：首先，对接收的测量参考信号进行去CP、快速傅里叶变换FFT处理，得到OFDM频域信号。
7.如权利要求6所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：节点A和节点B的接收时刻计算单元提取接收的导频信号Yk，并根据发射机发射的导频数据Xk，对接收的导频信号Yk进行最小二乘LS(Least Square)估计
Figure FDA0002560642270000021
k＝0,1,…,N-1。
8.如权利要求7所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：节点A和节点B的接收时刻计算单元根据相关运算的间隔子载波个数Δk对LS估计值进行共轭相关处理
Figure FDA0002560642270000022
并对相关值进行累积处理
Figure FDA0002560642270000023
提取相关值累积后的相位信息
Figure FDA0002560642270000024
9.如权利要求8所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：节点A和节点B的接收时刻计算单元利用该相位信息计算时延估计值
Figure FDA0002560642270000025
得到OFDM分数倍符号时偏估计值，其中，Δf为OFDM信号的子载波间隔，π为圆周率。
10.如权利要求5所述的OFDM通信体制双向高精度测距系统，其特征在于：下行(PDSCH)或上行(PUSCH)数据信道中的MAC数据包承载发送端记录的时间戳信息和通信业务数据，时间戳信息包括发送/接收时刻。
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