CN103248397A - 一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其包括四台固定发射机、一台移动接收机。三台固定发射机分别布置在室内的三个角上，离室内地面垂直距离高于两米，且处于同一水平面，另外一台固定发射机在室内的另一个角上的地面上。四台固定发射机分别发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪超宽带信号，在移动接收机内部进行相关、解调模块运算，最终解算出接收点的位置。超宽带信号的传输采用基于帧的标准结构，其信号帧包括前导码和有效数据；超宽带信号用复数基带信号来描述。超宽带信号使用三个频带依次循环往复传输。本发明满足UWB高速无线通信和精密定位的需要，同时达到整合资源、功能扩展、降低功耗体积等目的。

Description

一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统

技术领域

本发明涉及一种信号体制系统，尤其涉及一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统。

背景技术

超宽带(UWB-Ultra Wideband)技术是近年来发展起来的一种无线电技术，超宽带技术以其传输速率高、抗干扰能力强、定位精确、功耗成本低等显著优点成为室内定位和高速无线通信中的热门技术。

信号体制是无线导航定位和通信系统技术体制最重要的组成部分之一，它以信号为载体，作为系统中发射机、接收机以及监控部分之间协调工作的纽带，关系到系统定位、授时和高速通信等基本功能以及定位测速授时精度、兼容和互操作性、保密性、抗干扰能力等关键性能和指标的实现。一个设计合理、性能完善的信号体制，在无线导航定位和通信系统中有着非常重要的位置。

导航通信一体化有广泛的应用前景，特别是对动态系统的位置信息的回传和命中目标的能力评估；对海上渔船遇险呼叫、抢救和无光缆及无移动通讯的边远地区的通信的应用均有重大的实用价值。

对室内定位系统的研究，已经有近30年的历史，总结起来，室内定位系统依赖的技术主要有超声波、红外线等。超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术以其传输速率高、发射信号功率小、信号功率谱密度低、抗多径干扰性能强等特点，将超宽带技术应用于室内定位系统中，能够使系统在标识大小、功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性能等方面得到大幅度提升。美国、加拿大、英国等发达国家近年来投入了大量的人力和物力来对相关技术和产品进行研究和开发。Localizers系统是由美国AETHER WIRE&LOCATION开发的室内定位系统。待定位的超宽带接收机和几个参考定位的收发信机之间进行脉冲通信，通过监测信号中携带的伪随机码的时延来判断到不同参考点的距离，如果知道三个以上的参考点就可以确定未知点的三维位置，以上所介绍的系统能实现室内精确的定位，但不具备与外界通信能力。

在高速无线通信方面，超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。美国Intel公司和XtremeSpectrum公司更是早在2002年就推出了采用大规模集成电路、速率达100Mbps以上的UWB传输链路演示系统。2003年4月Intel公司演示了多带方式的UWB系统，速率达到220Mbps，传输距离为1米；同时，新加坡资讯通信研究院的UWB实验系统更是达到了500Mbps的速率，传输距离为4米。但这些系统只具备通信能力，而不具备定位功能。

导航与通信一体化信号体制的研究可有效扩充现有系统的功能，简化系统设计，降低功耗体积，提高系统性能。因此对导航与通信一体化的研究一直是国内外学术界研发的热点。早在2000年国外就研发出了GPS导航通信手机芯片。在国内，2006年中国科学院国家授时中心成功完成“通信导航一体化实验”，标志着我国在导航与通信一体化信号体制研究方面取得新的突破。

基于超宽带的导航与通信一体化信号体制的研究在国外还没有相关报道；在国内尚属首创，许多研究还处于起步阶段。基于UWB的导航与通信一体化信号体制的研究可以填补国内在超宽带导航与定位领域一项空白。

发明内容

本发明提出一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其有效地将导航信号传递给用户，有力抵抗各种干扰，提高用户测距精度，实现精确定位和通信功能，并能与其他无线系统兼容互用是本成果所解决的主要问题。

本发明是这样实现的，一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其包括四台作为基站的固定发射机、以及一台移动接收机；三台固定发射机分别布置在室内的三个角上，离室内地面垂直距离高于2米，且处于同一水平面，另外一台固定发射机在室内的另一个角上的地面上；四台固定发射机分别发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪该超宽带信号，在该移动接收机内部进行相关、解调模块运算，最终解算出接收点的位置；该超宽带信号的传输采用基于帧的标准结构，其信号帧包括前导码和有效数据；发射的超宽带信号用下面的复数基带信号来描述： $S_{\mathrm{RF}}\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{packet}}}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n(t-n{T}_{\mathrm{SYM}})\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\left(\left(q\left(n\right)\right)t\right)\right)\right\}$ ，其中，Re()表示取信号的实部；T_SYM是符号的长度；N_packet是一个数据包内的符号数；f_c(m)是第m个频带的中心频率；q(n)是将第n个符号映射到相应频带的函数；s_n(t)是第n个符号的复基带信号表达式；超宽带信号使用3个频带依次循环往复传输。

作为上述方案的进一步改进，s_n(t)满足下面的性质：当

时，s_n(t)=0，第n个符号的确切结构取决于它在数据包中的位置：

$s_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{sync},n}\left(t\right)& 0\≤n\≤N_{\mathrm{sync}}\\ s_{\mathrm{frame},n-N_{\mathrm{sync}}}\left(t\right)& N_{\mathrm{sync}}\≤n\≤N_{\mathrm{packet}}\end{array}\right.$

其中s_ync,n(t)为前导码的第n个符号，s_frame,n (t)描述的是帧的第n个符号，N_sync为前导码中的符号数，N_packet=N_frame+N_sync为总符号数。

优选地，超宽带信号使用3个频带依次循环往复传输时，第1个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，第2个符号在中心频率为3960MHz的频带上传输，第3个符号在中心频率为4488MHz的频带上传输，如此循环往复，完成整个超宽带信号的传输。

再优选地，假设用户在t_U,i时刻接收到基站i在t_S,i时刻发射的信号，t_U,j时刻接收到基站j在t_S,j时刻发出的信号，其中，Δt_GPS,Si,Δt_GPS,Sj,Δt_GPS,U分别表示基站i、基站j、用户User的时间与外部标准时间的偏差，则

基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,j+Δt_GPS,U,j)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差表示为：(t_i-t_j)=((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,i))-((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j))（1）式；

若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t_s,i-t_s,j为常数T，则（1）式又可表示为：(t_i-t_j)=(t_U,j-t_U,i)+T+(Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j)（2）式；

t_u,j-t_u,i可通过信号在接收机内自相关、互相关处理后得到，又因为 $c(t_i-t_j)=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}-\sqrt{{(X_j-x)}^2+{(Y_j-y)}^2+{(Z_j-z)}^2}$ （3）式，其中(X_i,Y_i,Z_i)和(X_j,Y_j,Z_j)是基站i和基站j的位置坐标，（x，y，z）是用户位置坐标，联立（1）式、（2）式、（3）式方程组即可解算出用户（x，y，z）位置。

本发明基于UWB的导航定位系统和通信系统信号体制的建立与实施，集导航与通信功能于一身，满足UWB高速无线通信和精密定位的需要，同时达到整合资源、功能扩展、降低功耗体积等目的。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统的发射机结构设计框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统包括四台作为基站的固定发射机、以及一台移动接收机；三台固定发射机分别布置在室内的三个角上，离室内地面垂直距离高于2米，且处于同一水平面，另外一台固定发射机在室内的另一个角上的地面上；四台固定发射机分别发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪该超宽带信号，在该移动接收机内部进行相关、解调模块运算，最终解算出接收点的位置。

超宽带信号的信号格式（前导码+有效数据的结构）：导航与通信的实现都是通过信号进行实现的，本系统的信号传输采用基于帧的标准结构，以有利于进行高速无线多媒体通信，信号帧主要由前导码和有效数据两部分组成。

发射的RF信号可以用下面的复数基带信号来描述：

$S_{\mathrm{RF}}\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{packet}}}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n(t-n{T}_{\mathrm{SYM}})\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\left(\left(q\left(n\right)\right)t\right)\right)\right\}$

其中Re()表示取信号的实部，T_SYM是符号的长度，N_packet是一个数据包内的符号数，f_c(m)是第m个频带的中心频率，q(n)是将第n个符号映射到相应频带的函数，s_n(t)是第n个符号的复基带信号表达式，它满足下面的性质：当

时，s_n(t)=0。第n个符号的确切结构取决于它在数据包中的位置：

$s_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{sync},n}\left(t\right)& 0\≤n\≤N_{\mathrm{sync}}\\ s_{\mathrm{frame},n-N_{\mathrm{sync}}}\left(t\right)& N_{\mathrm{sync}}\≤n\≤N_{\mathrm{packet}}\end{array}\right.$

其中s_sync,n(t)为前导码的第n个符号，s_frame,n(t)描述的是帧的第n个符号，N_sync为前导码中的符号数， N_packet=N_frame+N_sync为总符号数。N_frame,N_sync以及N_packet的准确值如表1所示。

表1 系统参数

复时域信号s_n(t)可以由离散时间信号s_n(k)的实部和虚部分量通过数模变换器（DAC）和抗混叠滤波器产生。

超宽带信号的信号传输：所产生的信号使用3个频带传输，其中第一个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，第2个符号在中心频率为3960MHz的频带上传输，第3个符号在中心频率为4488MHz的频带上传输，第4个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，如此循环往复，完成整个信号的传输。

利用超宽带信号进行定位。假设用户在t_U,i时刻接收到基站i在t_S,i时刻发射的信号，t_U,j时刻接收到基站j在t_S,j时刻发出的信号。其中Δt_GPS,Si,Δt_GPS,Sj,Δt_GPS,U分别表示基站i、基站j、用户User的时间与外部标准时间的偏差（与GPS标准时的偏差）。则

基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,j+Δt_GPS,U,j)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差（TDOA）可表示为：

(t_i-t_j)=((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,i))-((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j)) （1）式；

若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t_s,i-t_s,j为常数T，则（1）式又可表示为：

(t_i-t_j)=(t_U,j-t_U,i)+T+(Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j)（2）式；

t_u,j-t_u,i可通过信号在接收机内自相关、互相关处理后得到。又因为

$c(t_i-t_j)=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}-\sqrt{{(X_j-x)}^2+{(Y_j-y)}^2+{(Z_j-z)}^2}$ （3）式，其中(X_i,Y_i,Z_i)和(X_j,Y_j,Z_j)是基站i和基站j的位置坐标，（x，y，z）是用户位置坐标。联立三个以上的方程组即可解算出用户（x，y，z）位置。

本发明的基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其具体实施如下。

（一）基本参数确定

1. 载波频率选择

基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制是基于多频带正交频分复用（MB-OFDM）的，FCC将未授权的3.1~10.6GHz频段划归超宽带使用，MB-OFDM方案将UWB频谱分为14个频带，每个频带的带宽为528MHz。前12个频带分成4个频带组，每组有3个频带，最后两个频带被分配至第五频带组。在现有射频CMOS的技术下，3.1-4.8GHz被认为是UWB设备应用最有效的频带（能简化射频和前端模拟电路以缩短上市时间，同时避免来自IEEE802.11a所使用的频带干扰），因此本系统选用第一频带组，载波中心频率分别为3432MHz、3960MHz、4488MHz。

2、信道划分

IEEE802.15.3a标准通过时频编码来划分逻辑信道，将已编码信息在3个频带上进行交织，成为时频交织器。

3、数据速率

MB-OFDM支持数据率包括：53.3Mb/s，80Mb/s，106.7Mb/s,160Mb/s,200Mb/s,320Mb/s,400Mb/s和480Mb/s。考虑硬件设计与实现的复杂度，选用53.3Mb/s的数据速率。

4、符号参数

每个符号共165个采样点，主要由128点的IFFT数据和37个采样点的补零后缀组成。在128点的IFFT中，IFFT的周期为242.5ns，数据子载波数为100，导频子载波数为12，保护子载波为10，其余6个子载波为直流分量。为了克服多径效应并提供足够的时间供发送和接收端切换跳频，在每个符号前插入60.6ns的零前缀和9.5ns的零后缀，共计37个采样点。

基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制基本参数如上述表1所示。

（二）导航信号的产生

导航信号的产生如图1所示，具体实施过程如下：

1. 前导码的产生

前导码是信号帧的第一部分，前导码主要由3个符号的包检测序列、21个符号的帧检测序列和6个信道估计序列组成。具体生成过程如下：

（1）首先由16bit等级序列A与8bit扩展序列B相乘生成128bit序列C，

（2）添加37比特的补零后缀得到165bit的一个符号的前导序列S_exe，

（3）一个符号的前导序列S_exe与符号扩展序列S_cover相乘得到30个符号的帧检测序列。

等级序列A、扩展序列B、扩展序列S_cover值详见表2、表3、表4。

表2 序列A

表3 序列B

表4 扩展序列S_cover

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
																Scover	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
序号	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
																Scover	1	1	1	1	1	1	-1	-1	-1	1	1	1	1	1	1

2. 有效数据单元的产生

（1）首先根据发射端的传输速率、传输数据长度等基本参数确定每个符号中所包含的数据比特数为100，编码速率为1/3；

（2）利用生成多项式G(x)=1+x³+x¹⁰生成伪随机码，通过添加适当的“0”（至少6个），使得比特流的长度是300的整数倍；

（3）利用多项式为

的扰码器对比特流进行扰码；用6个未扰码的“0”比特替换6个“0”经过扰码后形成的比特；

（4）利用卷积编码器对数据进行1/3速率的卷积编码，并利用打孔器将卷积编码后的码速率提高到1/2；

（5）将打孔器的输出数据流送往交织器进行交织处理，并将交织后的数据流分成长度为100个比特的块，然后送往QPSK调制器将其调制成复数信号；

（6）将调制后的复数信号分成长度为50比特的若干组，将每组数据利用时域/频域扩展器将其扩展成长度为200比特的数据块；其中前1至100个比特的数据可形成一个奇数OFDM符号，第101至200个比特数据可形成一个偶数OFDM符号。每100个比特数据映射到编号为-56、-54～-46、-44 ～-36、-34 ～-26、-24 ～-16、-14 ～-6、-4 ～-1、1～ 4、6～14、16～24、26～34、36～44、46、54～56的子载波上；编号为-55、-45、-35、-25、-15、-5、5、15、25、35、45、55的子载波用来插入导频；编号为-61，-60，…，-57和57，58，…，61的子载波插入保护数据；代表中心频率的0号子载波为直流分量；

（7）经过映射并插入保护子载波、导频子载波的信号经过128点反傅立叶变换为时域信号，再在每128个时域信号后添加37个“0”后缀，从而形成一个OFDM符号；

（8）根据数据长度，经过以上过程即可得到由若干个（一般为6的整数倍）OFDM符号组成的有效数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其特征在于：其包括四台作为基站的固定发射机、以及一台移动接收机；三台固定发射机分别布置在室内的三个角上，离室内地面垂直距离高于两米，且处于同一水平面，另外一台固定发射机在室内的另一个角上的地面上；四台固定发射机分别发射超宽带信号，移动接收机进行捕获和跟踪该超宽带信号，在该移动接收机内部进行相关、解调模块运算，最终解算出接收点的位置；该超宽带信号的传输采用基于帧的标准结构，其信号帧包括前导码和有效数据；发射的超宽带信号用下面的复数基带信号来描述： $S_{\mathrm{RF}}\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{packet}}}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n(t-n{T}_{\mathrm{SYM}})\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_c\left(\left(q\left(n\right)\right)t\right)\right)\right\}$ ，其中，Re()表示取信号的实部；T_SYM是符号的长度；N_packet是一个数据包内的符号数；f_c(m)是第m个频带的中心频率；q(n)是将第n个符号映射到相应频带的函数；s_n(t)是第n个符号的复基带信号表达式；超宽带信号使用三个频带依次循环往复传输。

2.根据权利要求1所述的基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其特征在于：s_n(t)满足下面的性质：当时，s_n(t)=0，第n个符号的确切结构取决于它在数据包中的位置：

$s_n\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{s}_{\mathrm{sync},n}\left(t\right)& 0\≤n\≤N_{\mathrm{sync}}\\ s_{\mathrm{frame},n-N_{\mathrm{sync}}}\left(t\right)& N_{\mathrm{sync}}\≤n\≤N_{\mathrm{packet}}\end{array}\right.$

其中s_ync,n(t)为前导码的第n个符号，s_frame,n (t)描述的是帧的第n个符号，N_sync为前导码中的符号数，N_packet=N_frame+N_sync为总符号数。

3.根据权利要求2所述的基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其特征在于：超宽带信号使用3个频带依次循环往复传输时，第1个符号在中心频率为3432MHz的频带上传输，第2个符号在中心频率为3960MHz的频带上传输，第3个符号在中心频率为4488MHz的频带上传输，如此循环往复，完成整个超宽带信号的传输。

4.根据权利要求3所述的基于超宽带的室内导航与通信一体化信号体制系统，其特征在于：假设用户在t_U,i时刻接收到基站i在t_S,i时刻发射的信号，t_U,j时刻接收到基站j在t_S,j时刻发出的信号，其中，Δt_GPS,Si,Δt_GPS,Sj,Δt_GPS,U分别表示基站i、基站j、用户User的时间与外部标准时间的偏差，则

基站i所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

基站j所发射信号到达用户的时间为TOA：(t_U,j+Δt_GPS,U,j)-(t_S,i+Δt_GPS,S,j)；

则基站i、基站j所发射信号到达用户的时间差表示为：(t_i-t_j)=((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,i+Δt_GPS,S,i))-((t_U,i+Δt_GPS,U)-(t_S,j+Δt_GPS,S,j))（1）式；

若基站i与基站j发射信号采用等间隔发射，即t_s,i-t_s,j为常数T，则（1）式又可表示为：(t_i-t_j)=(t_U,j-t_U,i)+T+(Δt_GPS,S,i-Δt_GPS,S,j)（2）式；

t_u,j-t_u,i可通过信号在接收机内自相关、互相关处理后得到，又因为 $c(t_i-t_j)=\sqrt{{(X_i-x)}^2+{(Y_i-y)}^2+{(Z_i-z)}^2}-\sqrt{{(X_j-x)}^2+{(Y_j-y)}^2+{(Z_j-z)}^2}$ （3）式，其中(X_i,Y_i,Z_i)和(X_j,Y_j,Z_j)是基站i和基站j的位置坐标，（x，y，z）是用户位置坐标，联立（1）式、（2）式、（3）式方程组即可解算出用户（x，y，z）位置。