一种场景适应的通导一体化信号设计方法与流程

1.本发明涉及导航定位与通信领域，尤其涉及一种场景适应的通导一体化信号设计方法。


背景技术：

2.一般来说，gps等卫星定位系统可以在全球范围内提供高精度的位置信息，但在某些场景下，如室内、矿井、森林等复杂环境中，卫星信号被遮挡、削弱，甚至有同频干扰信号的存在进一步影响了接收信号质量，导致较大的定位误差。
3.通信系统具有覆盖范围广、稳定性强等优点，利用通信系统进行定位，可有效满足卫星+通信网协同发展需求，提高位置服务的可靠性。目前蜂窝网络定位系统可以依靠地面基站实现定位，但其严重依赖基站，定位精度差；伪卫星定位系统、wifi与5g定位系统都可以依赖自身的定位设备实现高精度定位，但其定位范围小，在干扰信号存在的环境下难以保证定位精度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出一种场景适应的通导一体化信号设计方法，能够在复杂环境下实现通信方式及参数配置可适应调整的通导一体化信号，为研制环境自适应的通信与定位一体化系统奠定技术基础。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种场景适应的通导一体化信号设计方法，包括以下步骤：
7.(1)设计基于tdma的无线帧结构，每个数据子帧由n个时隙组成，每个时隙包括前导序列、通信数据内容和保护间隔，分别包括1、m、n个ofdm符号；前导序列由zc序列映射到相应子载波而成，用于通信中的定时同步与定位中的时延估计；
8.(2)针对不同场景、定位开销及定位精度需求，采用三种不同设计方式的导频信号，分别为常规型导频、基于资源优化配置的梳状导频以及基于线性功率提升的块状导频；
9.其中，常规型导频信号通过将自相关性性能良好的zc序列映射到ofdm符号的相应子载波上实现同步与时延估计，其发射信号表示为：
[0010][0011]
其中，n为测距序列子载波数，di为相应子载波上调制的测距序列，t为ofdm符号长度，t为时间变量，j为虚数单位；
[0012]
基于资源优化配置的梳状导频在调制梳状zc序列的同时通过插入通信数据实现定位开销的节约，其发射信号表示为：
[0013][0014]
其中，m为有效测距序列子载波数，n-m为梳状导频信号传输通信信息的子载波数，ck
为相应子载波上调制的通信信息；
[0015]
基于线性功率提升的块状导频通过将信号能量集中在相应测距序列上提高发射功率以实现信噪比的提升，同时通过块状结构的调制方式避同频窄带干扰，实现干扰环境下定位精度的提升，其发射信号表示为：
[0016][0017]
其中，u和m分别表示zc测距序列在导频信号频域上分成块状的个数以及每个子块占用的子载波的数量，du和di分别表示块状的序列号以及子块内子载波序列号。
[0018]
本发明相比背景技术具有如下优点：
[0019]
(1)本发明的通信定位一体化信号设计方法可同时解决卫星拒止环境下通信与位置服务问题。
[0020]
(2)本发明提出的基于资源优化配置的梳状导频信号，具备减少通导一体化系统中定位开销，提升资源利用率的能力。
[0021]
(3)本发明提出的基于线性功率提升的块状导频信号，具备以有限的定位资源实现定位精度提升的能力，且能够规避窄带干扰，保证复杂环境下的高精度定位。
[0022]
总之，本发明将通信系统与定位系统在信号体制设计上相融合，并能够实现环境适应的通导一体化信号设计，可作为未来通信与定位一体化技术的主流技术体制之一。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例中通导一体化协议帧结构的示意图。
[0024]
图2是本发明实施例中资源优化配置的梳状导频结构图。
[0025]
图3是本发明实施例中线性功率提升的块状导频结构图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
[0027]
一种场景适应的通导一体化信号设计方法，包括以下步骤：
[0028]
(1)设计基于tdma的无线帧结构，如图1所示，每个数据子帧由n个时隙组成，其中每个时隙包括前导序列、通信数据内容和保护间隔，分别包括1、m、n个ofdm符号。前导序列由zc序列映射到相应子载波而成，可同时用于通信中的定时同步与定位中的时延估计；
[0029]
(2)前导序列针对不同场景、定位开销及定位精度需求，提出了三种不同设计方式的导频信号，分为常规型导频、基于资源优化配置的梳状导频及基于线性功率提升的块状导频。
[0030]
其中，常规型导频信号通过将自相关性性能良好的zc序列映射到ofdm符号的相应子载波上实现同步与时延估计功能。经过设计与推导，其发射信号可以表示为：
[0031][0032]
其中，n为测距序列子载波数，di为相应子载波上调制的测距序列，t为ofdm符号长度。
[0033]
基于资源优化配置的梳状导频在调制梳状zc序列的同时通过插入通信数据实现
定位开销的节约，如图2所示，但代价是需要牺牲一定的定位精度。其发射信号可以表示为：
[0034][0035]
其中，m为有效测距序列子载波数，n-m为梳状导频信号传输通信信息的子载波数，di与ck分别为相应子载波上调制的测距序列和通信信息。
[0036]
基于线性功率提升的块状导频通过将信号能量集中在相应测距序列上提高发射功率以实现信噪比的提升，如图3所示，同时块状结构的调制方式可以规避同频窄带干扰，实现干扰环境下定位精度的提升。但代价是峰均比的提升且未实现定位开销的节约。其发射信号可以表示为：
[0037][0038]
其中，u和m分别表示zc测距序列在导频信号频域上分成块状的个数以及每个子块占用的子载波的数量，du和di分别表示块状的序列号以及子块内子载波序列号。
[0039]
该方法具有以下特点：
[0040]
(1)通过在时隙中分配前导序列以及通信分量，由前导序列完成通信中的同步与定位中的时延估计技术，由通信分量的ofdm符号主要承担通信数据的传输，实现通信与定位技术在信号体制上的融合。
[0041]
(2)针对通导一体信号中的导频信号进行优化设计，设计方式包括常规型导频、资源优化配置的梳状导频以及线性功率提升的块状导频三种。
[0042]
(3)面向高斯信道与窄带干扰两种场景，根据通导一体化系统对定位开销、定位精度以及峰均比的需求，对通导一体化信号体制中导频信号的设计方式以及参数配置适应选择，提高信号体制对环境的适应性及通信与定位性能优化。
[0043]
以下为一个更具体的例子：
[0044]
一种场景适应的通导一体化信号设计方法，包括以下步骤：
[0045]
(1)将每个数据子帧分成20个时隙，通导一体化系统的各节点分时隙传输数据。每个时隙设计传输13个ofdm符号，每个ofdm符号配置2048个子载波，子载波间隔为15khz。其中第一个ofdm符号传输前导序列，中间的11个符号为数据载荷传输通信信息，最后一个符号为时隙保护间隔；
[0046]
(2)常规型导频信号即将zc序列全部映射到ofdm信号的相应子载波上，基于资源优化配置的com2梳状导频在ofdm信号一半子载波插入zc序列的同时另一半调制通信数据，基于线性功率提升的块状导频将信号能量集中于4块zc序列块中，其中每个块状结构占128个子载波；
[0047]
(3)系统工作的电磁环境可分为高斯信道和窄带干扰信道两种，其中窄带干扰可设计为带宽为2mhz、功率可配置的干扰信号形式。
[0048]
该方法在面向复杂电磁环境时，通导一体化信号设计方法可以适应选择：当系统在窄带干扰环境下有高精度定位需求时，可选用基于线性功率提升的块状导频；当系统在高斯信道下对峰均比有需求时，可选用常规型导频信号；当系统需降低定位开销提高通信容量时，可选用基于资源优化配置的梳状导频信号。
[0049]
总之，本发明可以针对不同场景下不同峰均比、定位开销与定位精度需求，适应的
调整信号体制的设计方式与参数配置，从而提高通导一体化系统的性能指标及环境适应能力。