CN108718465A - 一种面向无人机定位应用的配置tdd无线帧的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法，包括：根据设定准则，分别对源基站、探测基站和探测基站服务的UE的无线帧中的特殊子帧进行时隙配置，使得配置后的特殊子帧存在一个探测区间，在探测区间内，源基站为DwPTS，探测基站为UpPTS，UE为GP；在探测区间内，源基站进行探测信号下行发送，探测基站进行探测信号上行接收，探测基站服务的UE不进行信号收发；在探测区间外，探测基站服务的UE与探测基站进行常规的上下行信号传输。应用本申请，能够在大大降低无人机定位的部署成本的同时，实现大范围的无人机探测，并且具有较高的定位精度，且不影响TDD蜂窝网络正常的通信业务。

Description

一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法

技术领域

本申请涉及无人机定位技术领域，特别涉及一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法。

背景技术

近年来无人机领域发展迅速，技术的进步推动了各种类型的无人机在航拍、测绘、物流等各个领域的应用。当前，无人机已实现高度自动化和智能化，搭载有多种传感器的无人机可不受地域限制在指定范围内执行监控、侦查等任务。高度智能化无人机的广泛应用同时也带来了安全问题，如影响航空秩序、闯入敏感区域等。在政府楼宇、军用民用机场、军事基地、通信枢纽和大型活动现场等重要场地需要对其周边范围内的无人机进行探测监控。

下面简要介绍现有无人机探测技术。

A.传统无人机探测技术

进行无人机探测的传统方式有无线电频谱探测、雷达发现、声波识别、可见光/红外探测等技术手段。雷达发现技术是通过工作频段为毫米波段的雷达对低空、低速小型目标进行探测，军用领域开发的系统如瑞典“长颈鹿”雷达系统可对雷达散射截面积仅0.001平方米的无人飞行器进行自动识别跟踪。此外，可以通过高清摄像机和红外设备对设定范围进行实时监控，再由图像识别软件判别探测范围内是否存在无人机。

目前主流基于雷达、红外光和高清摄像机的无人机探测系统都需要针对无人机探测开发专用的软硬件设备，且对雷达、相机等硬件性能要求较高，只能进行区域性覆盖。主流的红外/可见光探测系统覆盖范围较小，如果不能合理部署，极有可能出现探测盲区，带来无法定位或定位不准确的问题。简言之，传统无人机探测需要专用定位系统，且部署成本高，覆盖范围小。

B.无源雷达无人机探测系统

目前，存在一种新型的无源雷达无人机探测系统。无源雷达是指雷达本身不发射电磁波信号而只用目标辐射的电磁信号进行目标探测和跟踪的雷达。目标辐射的电磁信号可能是目标自身发射的信号，或是他源发射信号经目标反射后的电磁信号。因此，根据目标辐射信号源的类型，无源雷达可分为两类：一是利用目标自身辐射源的无源雷达，包括待观测的目标自身携带的辐射源，如应答机和导航等电子设备；二是利用他源发射信号经目标反射的信号的无源雷达，这类发射信号来自于他源发射机，例如地面广播电台、电视台、通信基站、直播电视卫星和卫星导航定位系统等。

基于2G GSM(Global System for Mobile Communication)通信网络的无源雷达无人机探测系统架构如图1所示。图中MS(mobile station)是移动台、基站A/B/C是多个相邻的基站、NSS(Network switching subsystem)是交换网路子系统。基站在与MS通信的同时，无线信号被广播出来。无线信号可以被雷达接收，也可以经由无人机反射再被雷达接收。雷达通过测量这两路信号的传播时延差和多谱勒频差，来推算无人机的方位和移速等信息。

2G的GSM系统信号相对波长较长，绕射能力强，因此经由无人机反射的信号能量较弱，不利于无源雷达的信号接收；并且，GSM信号带宽小，定位精度不高；此外，在这一系统中需要使用专用的雷达进行接收，雷达站的个数就限制了可进行定位的区域范围。因此，基于GSM网络基站建立的无源雷达无人机探测系统存在定位不准确的问题。

发明内容

本申请提供了一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法，以在不影响现有TDD蜂窝网络正常通信业务的基础上，实现低成本、大范围、高精度的无人机定位。

本申请提供了一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法，其特征在于，包括：

根据设定准则，分别对源基站、探测基站和探测基站服务的UE的无线帧中的特殊子帧进行时隙配置，使得配置后的特殊子帧存在一个探测区间，在所述探测区间内，源基站为DwPTS，探测基站为UpPTS，UE为GP；

在所述探测区间内，源基站进行探测信号下行发送，探测基站进行探测信号上行接收，探测基站服务的UE不进行信号收发；

在所述探测区间外，探测基站服务的UE与探测基站进行常规的上下行信号传输。

较佳的，所述设定准则包括：

源基站使用现有TDD特殊子帧时隙配置方案中，DwPTS在特殊子帧中的OFDM符号长度超过特殊子帧长度的50％的时隙配置方案。

较佳的，所述设定准则包括：

探测基站使用新特殊子帧时隙配置方案，该配置方案遵循的准则是：在保证特殊子帧长度不变的情况下，UpPTS在特殊子帧中占有的OFDM符号长度超过特殊子帧长度的50％。

较佳的，所述设定准则包括：

探测基站服务的UE使用新特殊子帧时隙配置方案，该配置方案遵循的准则是：在保证特殊子帧长度不变的情况下，增加GP在特殊子帧中的OFDM符号长度，使得源基站为DwPTS，探测基站为UpPTS时，UE为GP。

较佳的，在进行所述时隙配置之后，还包括：

探测基站通过广播发送系统信息块类型1SIB1，SIB1内承载有探测基站服务的UE的特殊子帧的时隙配置信息；

基站间通过x2接口进行信令交互，信令中包含基站自身的特殊子帧的时隙配置信息。

较佳的，所述源基站进行探测信号下行发送包括：

信道编码后的码字通过加扰、调制、层映射和预编码后与CRS、PSS参考信号一起映射到OFDM资源上，由源基站通过RRU、仰角天线和俯角天线进行下行发送。

较佳的，所述探测基站进行探测信号上行接收包括：

探测基站通过仰角天线和RRU接收来自无人机反射的源基站下行探测信号，然后根据接收到的CRS参考信号时频特征和小区ID区分来自不同基站的信号，分别计算来自不同基站信号的多普勒频移、时延信号特征，最后根据测得的信号特征，通过多普勒频移定位算法分析附近区域内是否存在无人机及无人机的方位、速度相关信息。

由上述技术方案可见，本申请首先根据设定准则，分别对源基站、探测基站和探测基站服务的UE的无线帧中的特殊子帧进行时隙配置，使得配置后的特殊子帧形成一个源基站为DwPTS、探测基站为UpPTS、UE为GP探测区间；然后，在探测区间内，源基站进行探测信号下行发送，探测基站进行探测信号上行接收，探测基站服务的UE不进行信号收发；在探测区间外，探测基站服务的UE与探测基站进行常规的上下行信号传输，从而在不影响现有TDD蜂窝网络正常通信业务的基础上，实现了低成本、大范围、高精度的无人机定位。具体地，本发明提出的上述技术方案能够获得以下技术效果：

1)该方案仅需少量的硬件软件资源，这大大降低了实际部署成本；

2)目前TDD蜂窝网络已实现大范围信号覆盖，因此基于TDD信号的无源雷达探测方案能够实现大范围的无人机探测；

3)TD-LTE信号和TD-SCDMA信号相比于GSM信号具有频率高、带宽大等特点，因而定位精度高；

4)该方案不影响TDD蜂窝网络正常的通信业务。

附图说明

图1为现有基于GSM网络的无源雷达无人机探测系统架构图；

图2为基于TDD蜂窝网络的无源雷达无人机探测系统架构图；

图3为TD-LTE系统帧结构示意图；

图4为特殊子帧时隙配置模式7的示意图；

图5为特殊子帧时隙配置模式7的RB示意图；

图6为本申请特殊子帧时隙配置实施例一的示意图；

图7为本申请特殊子帧时隙配置实施例二的示意图；

图8为本申请探测信号处理框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

目前，商用的TDD(时分双工：Time Division Duplexing)蜂窝网络有3G的TD-SCDMA、4G的TD-LTE等，尚未见有基于其实现无人机探测的相关文献和报导。上述TDD蜂窝网络比GSM信号具有更高的频率和更大的带宽，更适合作为无源雷达信号；而且TDD蜂窝网络都能保证网络内基站同步，有利于对探测信号进行分析，每个基站被改造后都可以作为探测基站，无需单独的雷达接收机。

对TDD网络中的基站进行改造，根据探测需求适当地将部分基站设为他源发射机，部分基站设为雷达，从而构成无源雷达无人机探测系统，其系统框架如图2所示。可以看到，各基站端除原有的俯角天线(图2中指向地面目标的以细黑线示出的天线)之外，增加一套射频处理单元(RRU：Remote Radio Unit)和仰角天线(图2中指向低空目标的以粗黑线示出的天线)，增加的RRU和仰角天线专用于发送和接收探测信号。这里，将发送探测信号的基站称为源基站，如图2中的基站B/C/D，将接收无人机反射的探测信号的基站称为探测基站，如图2中的基站A。某一时刻，源基站B/C/D作为他源发射机发射下行探测信号，经过无人机反射的探测信号将作为基站A的上行信号被接收，为描述方便，这类接收探测信号的基站称为探测基站。

但仍存在的问题是，实际网络部署中，为了减少信号干扰，相邻基站的无线帧采用相同的上下行时隙配置(包括特殊子帧内部时隙的配置)。这使得源基站在发射探测信号的时候，探测基站也处于下行时隙，无法接收来自无人机的反射信号。

本发明的目的在于：通过特殊时隙配置的设计，实现将TDD蜂窝网络通信信号作为无源雷达探测信号对无人机进行探测和定位，同时保障网络中通信业务基本不受影响。

本申请主要针对TDD蜂窝网络现有的无线帧特殊时隙配置方案进行优化。本申请提供的方案对于TDD蜂窝网络的无源雷达系统均可实现对无人机的探测，目前主流的TDD蜂窝网络有TD-SCDMA蜂窝网络和TD-LTE蜂窝网络，为了便于说明，这里以TD-LTE为具体实施例进行详细介绍，该方案可以被借鉴拓展应用于其他TDD蜂窝网络中。

A.TD-LTE蜂窝网络无线帧结构简介

TD-LTE系统通过时隙划分区分上下行链路。单个TD-LTE无线帧帧长为10ms，包含10个子帧，每个子帧包含14个OFDM符号。如图3所示，10个子帧分为下行子帧(D)、上行子帧(U)和特殊子帧(S)，三种类型的子帧在一帧中按一定比例配置。TD-LTE系统支持7种不同的时隙配置模式，如表1所示。实际网络部署中，为了减少相邻小区之间的干扰，相邻小区采用相同的上下行时隙配置，以保证同一时隙内相邻基站的链路传输方向相同。同时，基站与其服务的UE应使用相同的时隙配置方案。

表1 TD-LTE时隙配置模式

其中，特殊子帧(S)由DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成，DwPTS用于建立下行链路导频和下行链路的同步，GP为保护时隙，UpPTS用于建立上行链路导频和负责上行链路同步。三个特殊时隙总长度为1ms，时隙比例配置由上层控制信息决定，可选的9种配置如表2所示。

表2特殊子帧时隙配置

以配置模式7为例，特殊时隙配置如图4所示。

在下行子帧和特殊子帧的下行时隙DwPTS中包含小区专用参考信号(CRS：Cell-specific reference signals)，CRS用于UE(Unified Equipment)估计下行信道质量，并将信道状态信息反馈回基站。CRS承载的信息与小区ID和端口有关，不同小区参考信号在一个资源块(RB：resource block)中占用的资源单元(RE：resource element)不同，避免了相邻小区之间的干扰，同时接收端也可根据接收到的CRS映射方式区分来自不同基站的信号。CRS占用在频域上间隔6个子载波，时域上间隔3个OFDM符号的资源。以特殊子帧为例，如果该特殊子帧选择特殊子帧时隙配置模式7，则CRS映射如图5所示，图中斜线标记的RE为CRS。

B.TD-LTE蜂窝网络特殊子帧时隙配置优化设计

在实际网络部署中，为了减少信号干扰，相邻基站无线帧采用相同的上下行时隙配置，包括特殊子帧内部时隙配置。为使探测基站实现对无人机探测信号的接收，并尽可能减少对实际网络部署的改动，本申请对TD-LTE无线帧的特殊子帧内部时隙配置进行改进，同时提出一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法，该方法包括：

根据设定准则，分别对源基站、探测基站和探测基站UE(即：探测基站服务的UE)的特殊子帧进行时隙配置，使得配置后的特殊子帧在某几个特定OFDM符号上形成一个探测区间，在所述探测区间内，源基站为DwPTS，探测基站为UpPTS，UE为GP；

在该探测区间内，源基站对探测信号进行下行发送，探测基站对探测信号进行上行接收，探测基站UE不发送信号以避免对探测信号造成干扰；

在探测区间外，探测基站UE与探测基站的俯角天线进行上下行TDD信号传输，以完成正常通信业务。

具体方案及准则描述如下：

1)探测基站需要使用新特殊子帧时隙配置方案，新方案需要遵守的准则是：在保证特殊子帧长度不变的情况下，对DwPTS、GP和UpPTS的OFDM符号长度进行重新分配，使得UpPTS在特殊子帧中占有的OFDM符号长度超过特殊子帧长度的50％。

2)同时，源基站选择使用现有的TD-LTE特殊子帧时隙配置方案，但需要遵守的准则是：DwPTS在特殊子帧中占有的OFDM符号长度超过特殊子帧长度的50％。

3)最后，针对探测基站使用的新特殊子帧时隙配置，探测基站服务的UE的特殊子帧时隙配置方案也需要做出相应改变，该方案需要遵守的准则是：在保证特殊子帧长度不变的情况下，增加GP在特殊子帧中的OFDM符号长度，使得在源基站为DwPTS且探测基站为UpPTS的OFDM符号上，UE为GP。

针对以上准则，下面通过具体实施例说明源基站、探测基站和探测基站服务的UE的特殊子帧时隙配置。

如图6所示为实施例一的特殊子帧时隙配置示意图，其中：

源基站采用的特殊子帧上下行时隙配置比例为DwPTS:GP:UpPTS＝10:2:2；

探测基站采用的特殊子帧上下行时隙配置方案为DwPTS:GP:UpPTS＝3:1:10；

对应探测基站的特殊子帧上下行时隙配置，探测基站UE采用的配置方案为DwPTS:GP:UpPTS＝3:7:4。

如图7所示为实施例二的特殊子帧时隙配置示意图，其中：

源基站采用的特殊子帧上下行时隙配置比例为DwPTS:GP:UpPTS＝10:2:2；

探测基站采用的特殊子帧上下行时隙配置方案为DwPTS:GP:UpPTS＝6:1:7；

对应探测基站的特殊子帧上下行时隙配置，探测基站UE采用的配置方案为DwPTS:GP:UpPTS＝6:4:4。

可以看到，对于实施例一和实施例二，都存在一个探测区间，如图中虚线框所示，在该探测区间内，探测基站进行上行信号接收，源基站进行下行信号发送，而探测基站服务的UE为GP，即不做处理；在探测区间外，探测基站UE与探测基站A进行上下行TD-LTE信号传输，以完成正常通信业务。

C.基于特殊子帧配置的TD-LTE蜂窝网络无人机定位系统的具体流程

1)探测基站通过广播发送系统信息块类型1(SIB1：System Information BlockType1)信息，SIB1内承载了探测基站服务的UE的特殊子帧时隙配置模式信息；同时基站间通过x2接口传递信令信息，其中包含基站特殊子帧的时隙配置模式信息，以完成源基站、探测基站和探测基站UE的特殊子帧时隙配置。

2)在探测区间内，探测基站UE不与探测基站A进行业务信息传递，以避免对探测信号造成干扰。

3)源基站B/C/D利用仰角天线和RRU发送TD-LTE下行信号(探测信号)，探测信号处理流程如图8左侧流程所示：信道编码后的码字通过加扰、调制、层映射和预编码后与CRS、PSS参考信号一起映射到OFDM资源上，通过RRU、仰角天线和俯角天线完成下行信号(探测信号)的发送。

4)探测基站A对于探测信号的处理流程如图8右侧流程所示：探测基站A通过仰角天线和RRU接收来自无人机反射的TD-LTE基站下行信号(探测信号)，然后根据接收到的CRS参考信号时频特征和小区ID区分来自不同基站的信号，分别计算来自不同基站信号的多普勒频移，时延等信号特征。

5)探测基站A根据测得的多普勒频移等特征，通过多普勒频移定位算法分析附近区域内是否存在无人机及无人机的方位、速度等信息。

由上述可见，本发明提出的技术方案能够获得以下技术效果：

1)该方案仅需少量的硬件软件资源，这大大降低了实际部署成本；

2)目前TDD蜂窝网络已实现大范围信号覆盖，因此基于TDD信号的无源雷达探测方案能够实现大范围的无人机探测；

3)TD-LTE信号和TD-SCDMA信号相比于GSM信号具有频率高、带宽大等特点，因而定位精度高；

4)该方案不影响TDD蜂窝网络正常的通信业务。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种面向无人机定位应用的配置TDD无线帧的方法，其特征在于，包括：

根据设定准则，分别对源基站、探测基站和探测基站服务的UE的无线帧中的特殊子帧进行时隙配置，使得配置后的特殊子帧存在一个探测区间，在所述探测区间内，源基站为DwPTS，探测基站为UpPTS，UE为GP；

在所述探测区间内，源基站进行探测信号下行发送，探测基站进行探测信号上行接收，探测基站服务的UE不进行信号收发；

在所述探测区间外，探测基站服务的UE与探测基站进行常规的上下行信号传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定准则包括：

源基站使用现有TDD特殊子帧时隙配置方案中，DwPTS在特殊子帧中的OFDM符号长度超过特殊子帧长度的50％的时隙配置方案。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定准则包括：

探测基站使用新特殊子帧时隙配置方案，该配置方案遵循的准则是：在保证特殊子帧长度不变的情况下，UpPTS在特殊子帧中占有的OFDM符号长度超过特殊子帧长度的50％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定准则包括：

探测基站服务的UE使用新特殊子帧时隙配置方案，该配置方案遵循的准则是：在保证特殊子帧长度不变的情况下，增加GP在特殊子帧中的OFDM符号长度，使得源基站为DwPTS，探测基站为UpPTS时，UE为GP。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，在进行所述时隙配置之后，还包括：

探测基站通过广播发送系统信息块类型1SIB1，SIB1内承载有探测基站服务的UE的特殊子帧的时隙配置信息；

基站间通过x2接口进行信令交互，信令中包含基站自身的特殊子帧的时隙配置信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述源基站进行探测信号下行发送包括：

信道编码后的码字通过加扰、调制、层映射和预编码后与CRS、PSS参考信号一起映射到OFDM资源上，由源基站通过RRU、仰角天线和俯角天线进行下行发送。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述探测基站进行探测信号上行接收包括：

探测基站通过仰角天线和RRU接收来自无人机反射的源基站下行探测信号，然后根据接收到的CRS参考信号时频特征和小区ID区分来自不同基站的信号，分别计算来自不同基站信号的多普勒频移、时延信号特征，最后根据测得的信号特征，通过多普勒频移定位算法分析附近区域内是否存在无人机及无人机的方位、速度相关信息。