基于5G 新空口的感知通信一體化多波束系統(tǒng)

馮 宇，許 超，李 威，李 曦，劉 翀

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

如今，5G 已經(jīng)結(jié)束了標準的凍結(jié)時代，逐漸進入到商業(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)的實際部署奠定了基礎(chǔ)，還對5G 技術(shù)應(yīng)用于遠程醫(yī)療和虛擬現(xiàn)實等業(yè)務(wù)起到了推動作用。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)展才能趕上時代的腳步。因此，目前學(xué)界已著手進行5G 技術(shù)的預(yù)研究，而在這當中許多專家和學(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通信技術(shù)。

目前，基于工程和經(jīng)濟上的考慮，在不添加任何環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的情況下，采用WSN 現(xiàn)有的信道估計函數(shù)進行檢測。文獻[1]設(shè)計了基于OCDM 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)為一種新型的OCDM 雷達與通信綜合系統(tǒng)，通過菲涅爾變換得到一組正交線性信號，結(jié)合OCDM 雷達-通信聯(lián)立系統(tǒng)構(gòu)成多波束狀結(jié)構(gòu)；文獻[2]設(shè)計了基于時間調(diào)制陣列的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用一種基于時間周期調(diào)制的多用戶通信方案，結(jié)合時間序列陣法，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)接收機是線性的，并且發(fā)射機不了解已知信道，在通信過程中會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際數(shù)值不一致。為此，本文設(shè)計一種基于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

本文通過5G 新空口多波束基站、多波束基站天線自動對準平臺以及多波束采集控制平臺三部分設(shè)計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

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]。在獨立模式下，5G 網(wǎng)絡(luò)能夠從4G 核心網(wǎng)中分離出來，獨立運行，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對準平臺設(shè)計

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

圖2 多波束基站天線自動對準平臺結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，通過上位機發(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的方向性和更大的增益特性。

1.3 多波束采集控制平臺設(shè)計

基于5G 新空口技術(shù)，以安全穩(wěn)定性、統(tǒng)一性、可擴展性為基礎(chǔ)，建立與國網(wǎng)當前以及今后發(fā)展需求最相適應(yīng)的多波束采集控制平臺結(jié)構(gòu)，以此完成對感知通信一體化多波束信號傳輸與接收的覆蓋。在信號傳輸方面，利用共存的5G 新空口與4G 網(wǎng)絡(luò)，實現(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結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 多波束采集控制平臺結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，平臺控制板ARM 處理器采用LPC2294，利用專用的驅(qū)動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，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地化，使得端對端的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的延時大幅降低[8-10]。通過該平臺可以對2 個串口進行分散訪問，并對2 個串口進行快速安全的聯(lián)動，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

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

由于雷達波束和通信波束都是定光波束，因此能實現(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，很難實現(xiàn)任意、不依賴時間、完全自主的探測[11]。基于此，本文采用多波束形成方法，可同時進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帶權(quán)的網(wǎng)絡(luò)上。每個陣元將接收到的信號劃分成m個小塊（表示用戶數(shù)目），通過不同的權(quán)重單位進行權(quán)重計算，經(jīng)過加權(quán)后的信號被合成并被送往接收機。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 的信號入射方向；α表示波長。對于用戶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 標準。在5G 新空口技術(shù)下，為了實現(xiàn)傳感一體化通信，設(shè)計一種能將信息流傳輸?shù)酱笠?guī)模天線陣列的混合時空編碼架構(gòu)，在2.1 節(jié)設(shè)計的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 新空口混合時空編碼架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 5G 新空口混合時空編碼架構(gòu)

在圖5 所示的架構(gòu)中，假定每個路徑都是獨立的，并將輸入的向量作為信道矩陣構(gòu)建的特征向量，使其形成一個復(fù)高斯隨機變量[14]。2 個信號流的收發(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，在多個信號流下的5G 新空口多波束收發(fā)通道矩陣表示為：

式（4）是一個n×n的矩陣，滿足信道矩陣特征。編碼過程中會存在串行干擾，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提取

在實際使用中，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，因此，根據(jù)上述建立的多波束分解信道矩陣，通過對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，獲取網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點及反射點的空間分布信息，進而對多波束通信信道中的重要信號進行提取。根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，可以對容量數(shù)據(jù)進行估算，公式為：

式中：L表示信號帶寬；S表示信噪比；lb 表示香農(nóng)定理中的信道檢驗參數(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]。因為信道的參量和位置之間存在著某種關(guān)聯(lián)，而且相鄰的兩個端點的參量之間也存在著某種相似的聯(lián)系，所以對應(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。為了解決這個問題，需要在一個安裝了天線的基臺上，對該地區(qū)中的全部終端裝置進行上行鏈路檢測。該方法以通道的二階初始力矩為信道重要信號的初始值，其表達式為：

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獲取的信道重要信號μ進行校正處理：

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)測試

3.1 應(yīng)用場景設(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)射機與被感知目標之間存在一定距離。通信感知一體化在智慧交通場景中的應(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車輛的定位和車速進行檢測，而且還可以與其他車輛、路邊單元和行人等進行快速的信息交流，從而提高對車輛的定位和車速的識別能力。

圖6 應(yīng)用場景設(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該系統(tǒng)進行過程模擬，步驟為：

1）在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須對各節(jié)點進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分配。發(fā)送數(shù)據(jù)是由基地臺利用系統(tǒng)信息進行發(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，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)傳送報文后，終端機將處于無線資源的連續(xù)控制中。通過基地站的操作，能夠使得兩個平臺之間的小型數(shù)據(jù)在上行與下行之間連續(xù)地進行傳輸。

4）通常在基地臺向終端發(fā)送信息時，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，也會出現(xiàn)異常狀況而結(jié)束數(shù)據(jù)傳送程序。

3.3 實驗結(jié)果與分析

理想多波束成形是向中心點聚攏的，以輸入4 × 4的信道矩陣為例，分別使用基于OCDM 的系統(tǒng)、基于時間調(diào)制陣列的系統(tǒng)和基于5G 新空口多波束系統(tǒng)，對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比分析

圖8 不同方法波束法向方向圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計一種基于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，既兼顧了對數(shù)據(jù)的要求，又兼顧了對多波束通信信道重要信號的提取，是一種實用的系統(tǒng)。實驗結(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，也證實了大規(guī)模系統(tǒng)能夠進行多波束協(xié)同通信。