金 天，姚鈞天，劉 波，吳笑風

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.北京海蘭信數(shù)據(jù)科技股份有限公司，北京 100095)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)是目前應(yīng)用最為廣泛的定位方式,其具有全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的定位功能。但衛(wèi)星導(dǎo)航信號易受干擾,且到達地面比較微弱,不能在室內(nèi)和城市峽谷等環(huán)境中使用[1]。為了彌補衛(wèi)星導(dǎo)航的不足,近年來研究人員對機會信號(Signal of Opportunity, SOP)導(dǎo)航進行了廣泛研究。SOP導(dǎo)航將周圍環(huán)境中所有潛在無線電信號視為SOP,并從中提取用以導(dǎo)航的信息。這些SOP多屬于常用的商業(yè)通信信號, 可隨時隨地免費獲取但并非為導(dǎo)航專門設(shè)計,這些潛在的無線電信號包括4G移動通信信號[2]、調(diào)頻/調(diào)幅廣播信號(Amplitude Modulation/Frequency Modulation,AM/FM)[3]、數(shù)字電視[4]、WiFi[5]和銥星信號[6]等。

雖然3GPP組織定義了專用于定位的位置參考信號(Positioning Reference Signal,PRS)[5],但該信號從未大范圍投入使用,主要原因是基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)要求分配大量額外的頻帶資源來傳輸PRS,擠占其他業(yè)務(wù)信道的帶寬,不利于運行商提高利潤。同時,基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)會將用戶定位信息反饋給網(wǎng)絡(luò),可能泄露用戶位置信息。因此,一些研究人員利用4G移動通信的小區(qū)特定參考信號(Cell-specific Reference Signal,CRS)進行信道估計,代替PRS 進行SOP定位[7]。而5G移動通信采用了極簡化設(shè)計,取消了CRS參考信號,引入了同步信號塊(Synchronization Signal Block,SSB)和波束賦形技術(shù)等新技術(shù),但在現(xiàn)有的研究[8-9]中,相關(guān)研究人員未能將這2種新技術(shù)有效結(jié)合在一起[10-15]。

因此,本文利用5G網(wǎng)絡(luò)信號中始終發(fā)送(always-on)的SSB中的解調(diào)參考信號(Demodulation Reference Signal,DMRS)提高信道響應(yīng)估計的性能,更好地利用旋轉(zhuǎn)不變信號參數(shù)估計技術(shù)(Estimating Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)去除多徑誤差,實現(xiàn)對測距信息的提取。同時,通過對各個波束信噪比的擬合,建立線性回歸公式,計算出回歸系數(shù),實現(xiàn)測向角度的估計,所獲得的測距和測向信息對于未來建立基于5G的SOP定位系統(tǒng)有著重要的意義。

1 5G移動通信參考信號測距方法

在4G移動通信中,基站會隨時向用戶發(fā)送CRS信號,用于估計下行物理信道的信道質(zhì)量。而5G移動通信中取消了CRS信號,引入了按需發(fā)送的發(fā)送信道狀態(tài)信息參考信號(Channel State Information-Reference Signal,CSI-RS)代替其部分功能。因此,對于非接入的用戶來說,CSI-RS按需發(fā)送的參考信號序列和時頻域位置未知,不能用于SOP定位。但由于5G基站會周期性發(fā)送序列已知的SSB用于下行同步,但其中的主同步信號(Primary Synchronization Signal,PSS)和輔同步信號(Secondary Synchronization Signal,SSS)的帶寬相對較低,需要充分利用其中較高帶寬的DMRS實現(xiàn)更加精細的信道估計。

對參考信號處理包括3個步驟:第一步為同步信號的搜索,即從SSB中獲取PSS、SSS和DMRS的信息,實現(xiàn)對不同參考信號碼序列的搜索。第二步為粗時延估計,即利用接收的PSS與本地生成的PSS互相關(guān)得到粗時延估計。第三步為多徑誤差補償,即利用DMRS求信道頻率響應(yīng)(Channel Frequency Response,CFR),再采用ESPRIT算法計算多徑誤差,補償多徑對時延粗估計產(chǎn)生的影響,提高距離測量性能。具體流程如圖1所示。

1.1 同步信號搜索

在5G系統(tǒng)中,基站以20 ms為周期發(fā)送同步廣播塊集合(SSB burst set),其中只有前 5 ms包含了多個SSB,因此后續(xù)處理時只需要保留前5 ms的采樣數(shù)據(jù)。為獲取SSB中的參考信號信息,需要知道參考信號的時頻域位置和序列。在單個SSB中,PSS、SSS分別占據(jù)SSB中時域上第1個和第3個正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)符號,頻域上127個中心子載波。DMRS占據(jù)時域上第2、3、4個符號,頻域上間隔分布,如圖2所示。

圖2 5G SSB的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of 5G SSB

1.2 粗時延估計

(1)

相關(guān)窗內(nèi)信號的總能量P(k)為:

(2)

SPSS,j(k)=IFFT(pj(k)) 。

(3)

(4)

(5)

1.3 基于5G DMRS信號的多徑誤差補償

如前所述,SSS和PSS的帶寬不夠,基于式(5)獲得粗同步位置分辨率不夠,難以精細地分辨出多徑等信道誤差?？紤]到5G移動通信中DMRS是PSS和SSS帶寬的2倍,在粗時延估計的基礎(chǔ)上利用5G DMRS估計信道頻率響應(yīng),能夠更有效地消除多徑誤差,進一步提高精度。

1.3.1 多徑信號模型

為補償多徑誤差,首先要建立多徑信號模型。OFDM符號在多徑衰落信道中傳輸,假設(shè)該信道在符號的持續(xù)時間內(nèi)保持不變,并且信道沖激響應(yīng)(Channel Impulse Response,CIR)為:

(6)

式中:L為多徑的數(shù)量,α(l)、τ(l)分別為第l條路徑相對于第一條路徑的相對衰減和延遲分量,α(1)=1,τ(1)=0,δ為沖激函數(shù)。因此,移除循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)并在完美同步條件下進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)后的接收符號可以表達為:

(7)

式中:k=0,1,…,Nc-1,Y(k)為發(fā)射的OFDM符號,C為由于天線增益和各種損耗而產(chǎn)生的接收信號功率,W(k)為信道上的高斯白噪聲。在此基礎(chǔ)上,計算信道頻率響應(yīng)H(k)為:

(8)

通常,估計的接收符號定時與實際符號定時之間存在不匹配,這可能是由于不完全同步、時鐘漂移、多普勒頻率和/或載波頻率偏移造成的。假設(shè)時間失配小于CP持續(xù)時間,則接收信號可以重寫為:

(9)

在承載DMRS的符號中,傳輸?shù)男盘朰(k)等于DMRS序列S(k)。由于DMRS序列在接收器處已知,估計的信道頻率響應(yīng)為:

(10)

M個不同子載波上的估計信道頻率響應(yīng)集可以寫成:

(11)

1.3.2 多徑數(shù)量估計

ESPRIT算法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到OFDM信號的時延估計中[18-19],其利用各個子載波上的信道估計,構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣,進而得到時延估計。其中,最小描述長度(Minimum Description Length,MDL)標準是估計多徑數(shù)量L的一種方法[20]。

數(shù)據(jù)矩陣X由估計的信道頻率響應(yīng)構(gòu)建:

(12)

式中:P為設(shè)計參數(shù),M為DMRS占用的子載波數(shù),K=M-P+1。可以使用MDL度量來估計多徑數(shù)L。為此,必須計算X=U∑VH的奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)。其中,H表示厄米算子,U和V是酉矩陣,∑是具有奇異值σ1≥…≥σP的矩陣。接下來,將MDL標準計算為:

(13)

(14)

在得到多徑數(shù)L的基礎(chǔ)上,可利用ESPRIT方法對DMRS信號進行處理。

1.3.3 多徑估計

(15)

式中:Il是大小為l的單位矩陣,0l×p是元素為零的l×p矩陣。

然后,構(gòu)造ESPRIT旋轉(zhuǎn)矩陣為:

(16)

(17)

(18)

在本地PSS序列起始位置基礎(chǔ)上,利用DMRS計算的多徑誤差τmin進行補償后,可以得出更為精確的測距結(jié)果。

2 5G移動通信參考信號測向方法

2.1 基于5G SSB波束的測向原理

在傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)中,往往需要使用陣列天線進行測向,天線陣列存在的陣元位置、幅度和相位等誤差對測向結(jié)果影響較大。5G移動通信基站的下行同步過程采用了波束賦形技術(shù),可充分利用波束信號中存在的測向信息,即使用單天線實現(xiàn)測向功能。

考慮到基站在一個周期內(nèi)會發(fā)送多個SSB波束,采用不同的DMRS序列,每個位置上接收機所接收到的SSB波束的信噪比不同,因此可根據(jù)DMRS序列計算各個波束的信噪比實現(xiàn)信號的測向。5G參考信號測向原理示意如圖3所示。

圖3 5G參考信號測向原理示意Fig.3 Principle schematic of ranging for 5G reference signal

具體的參考信號測向包括3個步驟:第一步為測向觀測量提取,與測距信息觀測量提取類似;第二步為DMRS信噪比計算,以LSSB=8(基站一個周期內(nèi)發(fā)送SSB波束數(shù)量最大為8)為例,需要在接收端生成8個不同DMRS序列,分別對接收到的參考信號求信噪比;第三步為角度擬合,計算基站和接收機相對角度。以8個波束的信噪比作為自變量,角度作為因變量,通過多元線性回歸擬合得到角度計算公式。具體的測向流程如圖4所示。

圖4 5G參考信號測向流程Fig.4 Flowchart of direction-finding for 5G reference signal

2.2 基于5G DMRS信號信噪比的測向估計

(19)

(20)

(21)

此時,接收機相對基站的角度為α可以根據(jù)線性回歸公式計算:

(22)

式中:ai和b根據(jù)線性回歸求得。

3 實驗方案與結(jié)果

3.1 實驗設(shè)備與流程

通過實際實驗對5G參考信號測距和測向方法的性能進行評估。實驗采集了中國聯(lián)通公司5G基站信號,基站頻段為n78頻段,SSB中心頻率為3 408.96 MHz。接收端使用定制設(shè)備進行信號采集,采集到的信號經(jīng)Matlab程序處理,實現(xiàn)測距測向算法。接收端實驗包括GNSS信號接收天線、5G信號接收天線(頻率700～6 000 MHz)、原子鐘、推車、移動電源以及定制接收機。實驗設(shè)備與實驗環(huán)境如圖5所示。

圖5 實驗現(xiàn)場及儀器說明

在實驗過程中,基站位置固定,接收機持續(xù)移動,使接收機與基站的距離和角度持續(xù)變化。由于城市環(huán)境復(fù)雜,距離和角度的真實值難以獲得。因此,在誤差計算部分,以GNSS定位獲得接收機和基站的經(jīng)緯度,根據(jù)經(jīng)緯度計算出距離和角度作為參考值,計算誤差。

實驗過程中,接收機移動路線如圖6和圖7所示。

圖6 測距實驗過程Fig.6 Procedure of ranging experiment

圖7 測向?qū)嶒炦^程Fig.7 Procedure of direction-finding experiment

3.2 測距結(jié)果及誤差

實驗中的基準結(jié)果是由GNSS接收機與基站的經(jīng)緯度計算得到。實驗將采用了5G DMRS信號測距結(jié)果、未采用5G DMRS信號測距結(jié)果與GNSS測距基準結(jié)果對比,如圖8所示。

圖8 測距結(jié)果對比Fig.8 Comparison of ranging results

可以看出,利用DMRS進行多徑誤差處理的測距結(jié)果均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)為21.3 m,未利用DMRS進行多徑誤差處理的測距RMSE為37.4 m,相比而言,測距精度提高了46.1%,說明了高帶寬的5G DMRS信號對于多徑處理的有效性。

3.3 測向結(jié)果及誤差

實驗中GNSS測向結(jié)果也根據(jù)接收機運動方向和基站經(jīng)緯度計算得出,作為參考值。實驗過程中對各個波束信噪比的變化進行了記錄,如圖9所示?；谑?22)計算出的5G參考信號測向結(jié)果與GNSS測向結(jié)果的對比如圖10所示。

圖9 各個波束信噪比變化Fig.9 SNR changes under different beams

圖10 測向結(jié)果對比Fig.10 Comparison of direction-finding results

與GNSS基準值相比,本文提出的5G參考信號測向結(jié)果的RMSE為7.925°。

3.4 實驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出,可以通過對5G移動通信中的參考信號處理,提取出相應(yīng)的測距和測向信息,建立基于5G移動參考信號的SOP定位系統(tǒng)。但在實際場景中,由于信號傳播環(huán)境復(fù)雜、樓宇數(shù)木遮擋和鄰區(qū)基站干擾等因素使得信號強度較弱,其測距和測向精度還有待提高。隨著5G移動通信基站部署和推廣,未來可提取出更多基站的測距測向信息,提高基站測距測向精度。

4 結(jié)論

本文針對5G移動通信SOP定位系統(tǒng)中所存在的多徑干擾嚴重和測距測向信息難以提取等問題,通過在原有信號處理基礎(chǔ)上增加多徑誤差處理、波束信噪比擬合功能,實現(xiàn)了一種基于5G參考信號的測距測向技術(shù)。在測距技術(shù)中,充分利用5G移動通信信號中的 DMRS參考信號得到更高精度的信道估計,更有效消除多徑誤差影響。在測向技術(shù)中,根據(jù)各個波束信噪比擬合出角度計算公式和回歸系數(shù),實現(xiàn)接收機相對基站的方向角測量。

基于本文所提出的方法,在城市環(huán)境中利用實際的聯(lián)通5G基站開展實驗。實驗結(jié)果表明:① 與GNSS測量結(jié)果相比,本方法的測距結(jié)果RMSE為21.3 m;② 與GNSS測量結(jié)果相比,測向結(jié)果RMSE為7.9°;③ 測距測向結(jié)果初步驗證了5G參考信號在城市復(fù)雜環(huán)境下的可用性。

未來隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速推廣,基站數(shù)量和布站密度會進一步上升。利用本方法可獲得更多基站的測距測向信息,彌補單基站測距測向精度較低的缺陷。