面向無人集群的通信定位一體化方法研究

胡晨駿，辜方林，趙 林，趙 鶯，魏急波

(1. 國防科技大學電子科學學院， 長沙 410073；2. 北京信息通信技術研究中心，北京 100036)

0 引言

無人集群在協同作戰中，相互之間除了信息傳輸必不可少之外，還得獲取位置、速度等空間狀態信息，即傳輸信息和測距定位都是無人集群實現協同工作的重要基礎。而傳統的通信和定位系統往往采用獨立的硬件平臺，使用不同的信號波形、調制方式和信號功率，占用不同的頻率和帶寬，難以實現無人平臺通信與測量設備的集約化設計。鑒于通信鏈路進行信息共享是無人平臺之間協作的基礎，無線電定位以其獨特的優勢已然成為實現平臺之間相對定位的一種自然手段。如果通信和定位波形在載波頻率、射頻天線、波形設計、調制方式和信號處理等方面進行統一設計，實現通信、定位系統深層次的一體化融合，則能夠極大降低網絡系統資源占用及信號處理復雜度，減少頻譜占用和能量消耗。綜上所述，研究無人協同系統的通信和定位一體化具有十分重要的意義。

美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的空間通信和導航(Sp-ace Communication and Navigation，SCaN)計劃是近幾年美國關于空間通信與導航定位系統研究的重要項目，聚焦于通導一體化波形設計、導航(測距測向)方法和組網協議等，值得我們借鑒。中國區域定位系統(Chinese Area Positioning System，CAPS)具備高精度定位授時和短報文的收發功能，且已在實際應用中發揮了巨大作用。約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory’s，APL)構建了集成通信和導航的功能的APL系統，其核心是利用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)循環測距的方法實現相對導航定位，但是由于TDMA系統時延較大，難以滿足實際需要。馮奇從通信和導航的基本性能指標出發，提出了基于V-OFDM調制的通信和導航一體化系統；北京郵電大學鄧中亮教授等提出了時分碼分正交頻分復用(Time & Code Division-Orthogonal Frequency Division Multiplexing， TC-OFDM)信號體制，其核心是通過對通信信號資源的復用，實現高精度的室內外定位。但是，OFDM信號體制的信號峰均比高、對頻偏敏感且抗干擾能力弱，難以適用于軍事行動、無人集群等面臨的復雜、動態的應用環境。

準確測量節點之間的距離是實現網絡中節點間相對定位的必要條件。根據無線電測距原理，距離測量值等于信號到達時間與信號發送時間之差和光速的乘積，信號發送時間可以通過時間戳來標定，信道到達時間則需要通過精準到達時刻的測量獲得。在準確到達時間測量的基礎上，發展出了到達時間(Time of Arrival，TOA)定位方法和到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位方法等。可以看出，精準到達時間測量問題解決的好壞直接影響定位精度，因此，無線電定位系統的核心技術之一就是實現高精度無線電信號到達時間測量。直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)系統由于頻譜展寬需要高的采樣頻率，對應的采樣間隔的時間分辨率高，同時用于擴頻的偽隨機(Pseudorandom Noise，PN)碼具有良好的相關特性，通過計算接收信號與本地PN碼的互相關發現，接收信號與本地PN碼完全對齊時互相關出現尖銳峰值，其余情況互相關值很小，因此，檢測其峰值即可獲得具有極高時間分辨率的同步性能。另一方面，DSSS系統具有較強的抗窄帶干擾能力，并且具有信息隱蔽、多址保密等優點，適用于軍事行動等復雜應用場景。然而，目前DSSS技術局限于低速通信系統或者信道環境簡單、干凈的衛星通信系統，為了滿足無人系統面臨的多徑環境下通信和相對定位一體化的需求，一方面需要引入均衡技術克服多徑導致的頻率選擇性衰落，實現高效可靠通信；另一方面，通信定位一體化波形必須解決信號到達時間的高精度測量問題，現有方法一般是在實現定時同步(碼片同步)的基礎上，通過Costas環等環路鑒相或者訓練序列進行載波相位估計實現精同步，從而滿足定位、授時的需求。

本文提出了一種單載波頻域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization，SCFDE)與DSSS技術有機結合的通信定位一體化波形。一方面，SCFDE系統具有與OFDM類似的實現框架，OFDM的許多性質在SCFDE系統中同樣適用。例如，利用頻域均衡克服多徑導致的頻率選擇性衰落、基于頻域載波相位的高精度時間同步等，且相較于OFDM，SCFDE具有對頻偏不敏感、易于與DSSS結合、峰均比較低等優點，能適用于高動態、電磁環境復雜等惡劣環境。另一方面，利用優選的恒包絡零自相關(Constant Amplitude Zero Auto Correlation，CAZAC)序列作為信道估計的導頻序列，根據CAZAC序列的傅里葉保持性質，將SCFDE系統中導頻序列通過傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)變換到頻域，并與本地導頻符號進行循環移位相關，檢測相關峰值即可實現整數符號周期信號到達時間估計。在此基礎上，結合用于信道估計的導頻序列，構建差分延時相關模型，實現載波相位估計，解決小數采樣周期信號到達時間估計問題，最終實現高精度的信號到達時間估計，使系統同時滿足定位授時的應用需求。

1 基于SCFDE的DSSS通信抗干擾波形

本文提出了一種基于SCFDE的DSSS通信抗干擾波形，其系統框架如圖1所示。該波形的核心思想是采用DSSS體制獲得抗干擾能力，同時引入頻域均衡克服信道頻率選擇性衰落的影響，實現高可靠通信。

(a) 發送端

(b) 接收端圖1 基于SCFDE的DSSS通信定位一體化波形框架Fig.1 DSSS communication positioning integrated waveform framework based on SCFDE

發送端由信道編碼、調制、DSSS、組幀和成型濾波等單元組成，信息比特首先經過信道編碼、調制等模塊形成信息符號，再經過DSSS單元形成高速信息符號，此后將用于信道估計的導頻符號與信息符號按照特定規律進行拼接，并添加循環前綴(Cyclic Prefix，CP)和同步符號完成組幀，最終經過成型濾波生成發射信號。接收端由匹配濾波、時頻同步、解幀、信道估計與均衡、逆傅里葉變換(Inver-se Fast Fourier Transform，IFFT)、解擴及判決等單元組成，接收信號完成A/D轉換后經過匹配濾波實現帶外干擾抑制，而后經過時頻同步模塊實現偽碼同步、定時同步和載波頻差估計與補償，在此基礎上完成幀解析，并將信號通過FFT變換到頻域，并利用導頻符號完成信道估計與均衡，再將信息符號通過IFFT轉化為時域信號，完成解擴、信道譯碼等后續處理。

特別指出，導頻符號與信息符號的處理方式不同，信息符號經過擴頻、解擴處理以保證高的接收機靈敏度和好的抗干擾等通信能力指標，而導頻符號則不進行擴頻處理，便于實現DSSS帶寬擴展后高的時間分辨率，提升時間同步精度，進而提升定位精度。假設CP的長度大于信道的沖激響應長度，則導頻用于頻域信道估計的過程可以表示為

=·+

(1)

其中，=FFT()表示接收的導頻符號對應的頻域值；=FFT()表示導頻符號的頻域值；=FFT()表示信道響應的頻域值；=FFT()表示噪聲的頻域值；符號“·”表示2個向量的點乘。可以看出，若導頻符號的頻域信號幅值恒定，則信道估計不需要除法，只需要乘法就可以實現，可以大大減少實現復雜度。另一方面，為了使發送信號的峰均比小，需要導頻符號的時域信號幅值恒定。綜合上述分析，本文提出了導頻信號采用CAZAC序列，CAZAC序列有兩個優良特性：一是序列具有良好的自相關特性和互相關特性，即該序列互相關值很小幾乎為零，而自相關值較大，在做相關運算時能夠表現出優異的峰值特性；二是幅值恒定，且CAZAC序列經過FFT和IFFT后仍為CAZAC序列，所以同時使用了FFT和IFFT運算的系統不會對該序列的性質產生影響。

2 面向定位的高精度信號到達時間估計方法

無線電定位的核心是實現高精度的信號到達時間測量。事實上，無線通信系統的核心和難點之一也是通過時頻同步模塊實現收、發端之間的時間和頻率校準，但是它對信號達到時間測量的精度要求沒有定位系統那么高。例如，對于SCFDE、OFDM等插入CP進行碼間串擾保護的系統，只需達到小于CP保護間隔的時間同步精度要求。然而，無線電定位系統則對信號到達時間的檢測精度要求十分嚴苛，即使達到信號采樣周期這樣的精度也遠遠不夠。例如，假設采樣率為10MHz，理論上得出的信號到達時間差最小為100ns，換算成距離則是30m，而這樣的精度是沒有辦法接受的。

針對上述問題，結合基于SCFDE的DSSS通信抗干擾波形，本文提出了一種如圖2所示的高精度到達時間估計實現框架。為了提升信號到達時間的估計精度，利用優選的CAZAC序列作為信道估計的導頻序列。導頻序列通過FFT變換到頻域，并與本地導頻符號進行循環移位相關，檢測相關峰值即可實現整數符號周期信號到達時間估計。在此基礎上，結合用于信道估計的導頻序列，構建差分延時相關模型，實現載波相位估計，解決小數周期信號到達時間估計問題，最終實現高精度的信號到達時間估計，使系統同時滿足測距和定位的應用需求。

圖2 高精度信號到達時間估計框架Fig.2 Precision arrival time estimation framework

2.1 整數采樣周期信號到達時間估計

通過插入CP進行保護，只要時頻同步模塊引入的定時誤差(以符號周期為單位)小于CP長度，定時誤差對時域和頻域接收信號的影響如表1所示。

表1 定時誤差的影響

另一方面，假設{()}是一個長度為(為偶數)的CAZAC序列，則()可表示為

(2)

其中，∈[0,-1]；是與互質的正整數。可以證明，CAZAC序列具有恒模、傅里葉保持、良好的自相關和互相關特性，這些性質對于信道估計和高精度時間同步具有重要意義。

CAZAC序列通過FFT變換后仍然為CAZAC序列，可以表示為

(3)

CAZAC具有良好的自相關和互相關特性，CAZAC序列的相關性可表示為

(4)

其中，表示時刻偏差；表示序列周期。可以看出，它具有理想的周期自相關性質，即當序列完全對齊時，則存在尖銳的峰值，當序列存在偏差未對齊時，則相關值接近于0。因此，利用該性質可實現高精度的定時估計。如圖3所示，通過計算導頻序列接收信號的頻域響應與本地頻域導頻序列之間的互相關，檢測其相關峰值即可實現準確的整數符號周期的估計。

圖3 基于本地互相關的整數符號周期時間估計Fig.3 Arrival time estimation of integer symbol period based on local cross correlation

2.2 小數采樣周期信號到達時間估計

利用導頻序列本地互相關模塊估計得到的整數采樣周期信號到達時間對接收信號進行時間校正，時間校準后頻域導頻信號可以表示為

(5)

式中，表示第個子載波上的加性高斯白噪聲。由于已知，假定某一子載波數量間隔為，且是正整數，越小，能夠估計的定時偏差范圍越大，反之，亦然。利用導頻序列本地互相關模塊能夠獲得準確的整數采樣周期估計，因此，小數采樣周期信號到達時間重點解決1個符號周期偏差范圍內的精確估計即可，因此，取值為2。令

(6)

結合式(5)和式(6)，可得

(7)

式中，′是噪聲項。的相位為

(8)

式中，angle(·)表示取相位運算。如圖4所示，每幅子圖為式(6)、式(7)中0，1，…，--1個采樣點展現出來的相位樣值。通過計算這些相位的平均值可以看出，沒有時延時，其相位平均值約為0；1/4符號時延偏差時，其相位平均值約為0.78(π/4)；1/2符號時延偏差時，其相位平均值約為1.57(π/2)；3/4符號時延偏差時，其相位平均值約為2.35(3π/4)。因此，式(8)計算求解的相位與分數符號周期時延之間存在一一對應關系。因此，SCFDE信號的信號達到時間頻域估計為

(9)

(10)

(a)

(b)

(c)

(d)圖4 基于延時差分的小數符號周期時間估計Fig.4 Arrival time estimation of decimal symbol period based on differential delay correlation

3 仿真分析

3.1 基于SCFDE的DSSS系統的通信性能

隨著擴頻倍數的增加，系統能否穩定獲得擴頻增益的改善是衡量所提方案用于構建通信鏈路的有效性的一個重要指標。因此，對基于SCFDE的寬帶DSSS系統在各種信道環境下進行誤碼率仿真分析。首先，仿真分析了基于SCFDE的寬帶DSSS系統在高斯白噪聲信道環境下的誤碼性能。

圖5給出了系統誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線，可以看出，隨著擴頻倍數的增加，系統的誤碼性能有明顯改善，且擴頻倍數每增加1倍，接收性能改善約2dB。

圖5 高斯白噪聲信道條件下誤碼性能隨接收信號信噪比的變化曲線Fig.5 Curves of BER with SNR under AWGN channel

其次，仿真分析了基于SCFDE的寬帶DSSS系統在典型多徑信道環境下的誤碼性能。

圖6給出了本文所提基于SCFDE的寬帶DSSS系統不同擴頻倍數下誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。可以看出，隨著擴頻倍數的增加，系統的誤碼性能穩步改善，且擴頻倍數每增加1倍，接收性能改善約1.6dB。因此，基于SCFDE的寬帶DSSS系統能夠適應復雜多徑環境，實現可靠通信。

圖6 多徑信道條件下誤碼性能隨接收信號信噪比的變化曲線Fig.6 Curves of BER with SNR under multi-path channel

3.2 基于SCFDE的DSSS系統的信號到達時間估計精度

信號到達時間估計精度是影響無線電定位系統的核心，因此，本文對基于SCFDE的寬帶DSSS系統在各種信道環境下信號到達時間估計精度進行仿真分析，評估實現無線定位的可行性。具體仿真參數如表2所示。

表2 系統仿真參數

仿真分析了基于SCFDE的寬帶DSSS系統在高斯白噪聲和多徑信道環境下的小數采樣周期信號到達時間的估計精度。整數采樣周期信號到達時間估計和小數采樣周期信號到達時間估計模塊是同時工作的，且需要這兩個模塊相互配合才能實現高精度的信號到達時間估計。由于CAZAC具有良好的相關特性，可以準確完成整數采樣周期信號到達時間估計和補償，此時理想的小數采樣周期信號到達時間應該為零。但是由于噪聲、多徑等因素的影響，導致估計的小數采樣周期信號到達時間存在誤差，本文將該誤差作為評估小數采樣周期信號到達時間估計精度的依據。

圖7給出了本文所提基于SCFDE的寬帶DSSS系統小數采樣周期信號到達時間估計精度隨接收信號信噪比的變化曲線。可以看出，其估計誤差會隨著系統信噪比的惡化而增大。高斯白噪聲信道條件下，估計誤差隨信噪比增大而線性降低；多徑環境下，估計誤差隨信噪比變化存在平層。但是，無論是高斯白噪聲信道還是多徑信道，在系統接收信號信噪比不低于0dB的條件下，小數采樣周期信號到達時間的估計誤差不會大于0.3個采樣時刻，顯著提升了信號到達時間的估計精度，滿足定位授時所需的高精度時間同步要求。

圖7 小數采樣周期到達時間估計精度隨接收信號信噪比的變化曲線Fig.7 Curves of arrival time estimation accuracy of decimal sampling period with SNR

4 結論

本文提出了一種SCFDE與DSSS技術有機結合的通信定位一體化波形，在具有較高速率、抗窄帶干擾通信能力的同時，利用CAZAC序列優良的自相關和互相關特性，將其作為導頻序列并計算導頻序列與本地導頻符號的循環移位相關，檢測相關峰值即可實現整數符號周期信號到達時間估計。特別地，結合用于信道估計的導頻序列，構建差分延時相關模型，實現載波相位估計，完成小數采樣周期信號到達時間估計，從而實現高精度的信號到達時間估計。