馮 宇，許 超，李 威，李 曦，劉 翀

（1.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

如今，5G 已經(jīng)結(jié)束了標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)時(shí)代，逐漸進(jìn)入到商業(yè)化階段，它不但在技術(shù)上為大型多投入多產(chǎn)出和毫米波系統(tǒng)的實(shí)際部署奠定了基礎(chǔ)，還對(duì)5G 技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療和虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)起到了推動(dòng)作用。在飛速變化的通信需求和服務(wù)形式面前，無線通信技術(shù)也需要持續(xù)發(fā)展才能趕上時(shí)代的腳步。因此，目前學(xué)界已著手進(jìn)行5G 技術(shù)的預(yù)研究，而在這當(dāng)中許多專家和學(xué)者都將感知通信一體化技術(shù)視為極具發(fā)展前景的下一代移動(dòng)通信技術(shù)。

目前，基于工程和經(jīng)濟(jì)上的考慮，在不添加任何環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的情況下，采用WSN 現(xiàn)有的信道估計(jì)函數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了基于OCDM 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)為一種新型的OCDM 雷達(dá)與通信綜合系統(tǒng)，通過菲涅爾變換得到一組正交線性信號(hào)，結(jié)合OCDM 雷達(dá)-通信聯(lián)立系統(tǒng)構(gòu)成多波束狀結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于時(shí)間調(diào)制陣列的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用一種基于時(shí)間周期調(diào)制的多用戶通信方案，結(jié)合時(shí)間序列陣法，在空域范圍內(nèi)完成多波束賦形。然而，由于上述兩種系統(tǒng)接收機(jī)是線性的，并且發(fā)射機(jī)不了解已知信道，在通信過程中會(huì)受到傳播距離的影響，存在串行干擾和噪聲，致使獲取的天線方向圖與實(shí)際數(shù)值不一致。為此，本文設(shè)計(jì)一種基于5G 新空口的感知通信一體化多波束系統(tǒng)。

1 感知通信一體化多波束系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文通過5G 新空口多波束基站、多波束基站天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)以及多波束采集控制平臺(tái)三部分設(shè)計(jì)感知通信一體化多波束系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

1.1 5G 新空口多波束基站設(shè)計(jì)

由于5G 新空口與4G 網(wǎng)絡(luò)并存，感知通信一體化多波束系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)在5G 新空口中必須保持漫游連接，因此，設(shè)計(jì)5G 新空口多波束基站結(jié)構(gòu)，使通信保持漫游連接。5G 新空口多波束基站結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 新空口多波束基站結(jié)構(gòu)

5G 新空口多波束基站可以同時(shí)接入5G 網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)，新的無線接入網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)據(jù)采集端口和5G 核心網(wǎng)相連。5G 新空口能工作于單元擴(kuò)展，并經(jīng)由控制平面上的核心網(wǎng)絡(luò)來支撐5G 新空口通信[3]。在獨(dú)立模式下，5G 網(wǎng)絡(luò)能夠從4G 核心網(wǎng)中分離出來，獨(dú)立運(yùn)行，為感知通信一體化多波束系統(tǒng)提供一條向下一代主干網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的路線。

1.2 多波束基站天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著地空通信距離的持續(xù)增長(zhǎng)、高度降低以及障礙物的遮擋，多徑成分將會(huì)增大，造成感知通信鏈路的高概率失效[4]。在各個(gè)信道中，由于多信道時(shí)滯以及通過地表后折射，使各個(gè)信道發(fā)生了幅度和位相變化。針對(duì)大范圍的空域衰減，設(shè)計(jì)了多波束基站天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 多波束基站天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，通過上位機(jī)發(fā)出的控制指令能夠控制感知通信信道處理單元[5-6]。它能夠360°橫向全方位覆蓋，并且可以實(shí)現(xiàn)多束縱向掃描[7]。采用多天線陣列結(jié)構(gòu)可以使得陣列具有更強(qiáng)的方向性和更大的增益特性。

1.3 多波束采集控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于5G 新空口技術(shù)，以安全穩(wěn)定性、統(tǒng)一性、可擴(kuò)展性為基礎(chǔ)，建立與國(guó)網(wǎng)當(dāng)前以及今后發(fā)展需求最相適應(yīng)的多波束采集控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以此完成對(duì)感知通信一體化多波束信號(hào)傳輸與接收的覆蓋。在信號(hào)傳輸方面，利用共存的5G 新空口與4G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)專用光纜承載5G 新空口多波束基站的業(yè)務(wù)回傳。多波束采集控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 多波束采集控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，平臺(tái)控制板ARM 處理器采用LPC2294，利用專用的驅(qū)動(dòng)電路將來自某一指定邊界的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸至某一客戶應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化，使得端對(duì)端的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)大幅降低[8-10]。通過該平臺(tái)可以對(duì)2 個(gè)串口進(jìn)行分散訪問，并對(duì)2 個(gè)串口進(jìn)行快速安全的聯(lián)動(dòng)，用于采集所需信息。

2 感知通信一體化多波束系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 5G 新空口多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于雷達(dá)波束和通信波束都是定光波束，因此能實(shí)現(xiàn)的通信方位有限，通信方位與陣元數(shù)量、排列等因素之間存在著緊密而又復(fù)雜的聯(lián)系，很難實(shí)現(xiàn)任意、不依賴時(shí)間、完全自主的探測(cè)[11]?；诖耍疚牟捎枚嗖ㄊ纬煞椒?，可同時(shí)進(jìn)行單次掃頻和雙次通信掃頻。多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 5G 新空口多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)

將圖4 所示陣列視為一種n元線陣，并將各單元連接在一個(gè)帶權(quán)的網(wǎng)絡(luò)上。每個(gè)陣元將接收到的信號(hào)劃分成m個(gè)小塊（表示用戶數(shù)目），通過不同的權(quán)重單位進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，經(jīng)過加權(quán)后的信號(hào)被合成并被送往接收機(jī)。多波束賦形算法的發(fā)送方式和接收方式相似，不同之處在于其信號(hào)的傳播方向是反向的[12]。

天線方向圖函數(shù)可用如下公式表示：

式中：表示用戶1 的通信信道方向圖加權(quán)矢量；θ1表示用戶1 的信號(hào)入射方向；α表示波長(zhǎng)。對(duì)于用戶2，選擇加權(quán)矢量獲取相應(yīng)信道方向圖，用戶2 的天線方向圖函數(shù)可表示為：

2.2 基于5G 新空口編碼的多波束分解信道矩陣構(gòu)建

5G NR 即5G 新空口，是基于多載波調(diào)制的一種全球性5G 標(biāo)準(zhǔn)。在5G 新空口技術(shù)下，為了實(shí)現(xiàn)傳感一體化通信，設(shè)計(jì)一種能將信息流傳輸?shù)酱笠?guī)模天線陣列的混合時(shí)空編碼架構(gòu)，在2.1 節(jié)設(shè)計(jì)的5G 新空口多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)建多波束分解信道矩陣。5G 新空口混合時(shí)空編碼架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 5G 新空口混合時(shí)空編碼架構(gòu)

在圖5 所示的架構(gòu)中，假定每個(gè)路徑都是獨(dú)立的，并將輸入的向量作為信道矩陣構(gòu)建的特征向量，使其形成一個(gè)復(fù)高斯隨機(jī)變量[14]。2 個(gè)信號(hào)流的收發(fā)通道矩陣表示為：

式中：X=[x1,x2,…,xi]n為空間傳輸向量；E1、E2表示2 × 2的信道特征矩陣；H1、H2表示2 × 2 的天線矩陣。

基于此，在多個(gè)信號(hào)流下的5G 新空口多波束收發(fā)通道矩陣表示為：

式（4）是一個(gè)n×n的矩陣，滿足信道矩陣特征。編碼過程中會(huì)存在串行干擾，為了消除該干擾，通過QR分解能夠得到分解信道矩陣，可表示為：

對(duì)信道分解后，可減小輸出誤差。

2.3 多波束通信信道重要信號(hào)提取

在實(shí)際使用中，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致終端僅能收到部分回波信號(hào)，因此，根據(jù)上述建立的多波束分解信道矩陣，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，獲取網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)及反射點(diǎn)的空間分布信息，進(jìn)而對(duì)多波束通信信道中的重要信號(hào)進(jìn)行提取。根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，可以對(duì)容量數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，公式為：

式中：L表示信號(hào)帶寬；S表示信噪比；lb 表示香農(nóng)定理中的信道檢驗(yàn)參數(shù)。以系統(tǒng)中出現(xiàn)的信噪比超出一定門限的概率來反映區(qū)域內(nèi)各位置的干擾速率，結(jié)合所構(gòu)建的天線方向圖解能夠反映區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的基本通信質(zhì)量，從而為科學(xué)的頻譜資源配置提供依據(jù)[15]。因?yàn)樾诺赖膮⒘亢臀恢弥g存在著某種關(guān)聯(lián)，而且相鄰的兩個(gè)端點(diǎn)的參量之間也存在著某種相似的聯(lián)系，所以對(duì)應(yīng)方塊內(nèi)的圖像雖然保持了部分的局域空間關(guān)系，但仍然存在失真。為了解決這個(gè)問題，需要在一個(gè)安裝了天線的基臺(tái)上，對(duì)該地區(qū)中的全部終端裝置進(jìn)行上行鏈路檢測(cè)。該方法以通道的二階初始力矩為信道重要信號(hào)的初始值，其表達(dá)式為：

由于在提取過程中，上述獲取到的多波束通信信道中的重要信號(hào)受到傳播距離的影響而存在噪聲，因此，采用基于通道映射的方法對(duì)獲取的信道重要信號(hào)μ進(jìn)行校正處理：

式中：j表示信息量總數(shù)；η表示傳輸損耗指數(shù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置

在通信感知一體化環(huán)境下，傳感任務(wù)的完成往往需要一體化發(fā)射機(jī)與被感知目標(biāo)之間存在一定距離。通信感知一體化在智慧交通場(chǎng)景中的應(yīng)用設(shè)置如圖6 所示。以車聯(lián)網(wǎng)和無人駕駛為核心的智能交通，將借助通信感應(yīng)集成系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人、車、路的高效協(xié)作互聯(lián)。由于通信與傳感的協(xié)同作用，使得路邊單元不僅可以精確地對(duì)車輛的定位和車速進(jìn)行檢測(cè)，而且還可以與其他車輛、路邊單元和行人等進(jìn)行快速的信息交流，從而提高對(duì)車輛的定位和車速的識(shí)別能力。

圖6 應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置

3.2 系統(tǒng)過程模擬

在持續(xù)通信狀態(tài)下，由終端進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，并按照終端所傳數(shù)據(jù)使用的信道資源差異對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行過程模擬，步驟為：

1）在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分配。發(fā)送數(shù)據(jù)是由基地臺(tái)利用系統(tǒng)信息進(jìn)行發(fā)送的，并且授權(quán)的資源也是在通道中完成信令分配的。

2）在使用者需要開始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以開始數(shù)據(jù)層的一虛擬程式，并且利用所配置的網(wǎng)絡(luò)資源給使用者發(fā)送數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含控制信令、上行小數(shù)據(jù)。

3）在第一次發(fā)送數(shù)據(jù)傳送報(bào)文后，終端機(jī)將處于無線資源的連續(xù)控制中。通過基地站的操作，能夠使得兩個(gè)平臺(tái)之間的小型數(shù)據(jù)在上行與下行之間連續(xù)地進(jìn)行傳輸。

4）通常在基地臺(tái)向終端發(fā)送信息時(shí)，由無線電資源控制信息結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸程序，且受到該信息的影響，也會(huì)出現(xiàn)異常狀況而結(jié)束數(shù)據(jù)傳送程序。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

理想多波束成形是向中心點(diǎn)聚攏的，以輸入4 × 4的信道矩陣為例，分別使用基于OCDM 的系統(tǒng)、基于時(shí)間調(diào)制陣列的系統(tǒng)和基于5G 新空口多波束系統(tǒng)，對(duì)比分析多波束成形情況，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，只有使用基于5G 新空口多波束系統(tǒng)多波束成形是向中心點(diǎn)聚攏的，其余兩種系統(tǒng)多波束成形呈分散狀態(tài)，與理想成形效果不符。三種系統(tǒng)的波束法向方向圖如圖8所示。由圖8 可知：使用基于OCDM 的系統(tǒng)在不同角度下，天線方向圖與理想圖未完全重合，其天線方向最大值為-30 dB；使用基于時(shí)間調(diào)制陣列的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)天線方向圖與理想圖未完全重合，其天線方向最大值為-10 dB；使用基于5G 新空口多波束系統(tǒng)與理想圖完全重合，其天線方向最大值為0。

圖7 不同方法多波束成形效果對(duì)比分析

圖8 不同方法波束法向方向圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于5G 新空口的感知通信一體化多波束系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)以5G 新的空中端口、多波束賦形、多波束控制、多通信固定、通信效能為基礎(chǔ)的多波束分解信道矩陣，既兼顧了對(duì)數(shù)據(jù)的要求，又兼顧了對(duì)多波束通信信道重要信號(hào)的提取，是一種實(shí)用的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在不受干擾的情況下完成通信工作，也證實(shí)了大規(guī)模系統(tǒng)能夠進(jìn)行多波束協(xié)同通信。