CN111836296B - 一体化波形通信测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种一体化波形通信测量系统，旨在提供一种兼具高通信容量、高精度测量的通信测量系统。本发明通过下述技术方案实现：发射端，通信子带1～通信子带D的各路通信数据生成模块产生频域OFDM波形信号，子载波映射模块通过子载波映射调制到不同的子带频域位置上，IFFT模块将得到的时域信号经添加CP模块添加CP，生成通信子带OFDM时域信号；同时各路测量数据生成模块将时域测量波形信号分别送入各路通道上串联的频谱搬移模块，将各路时域测量波形信号调制到不同的子带频域位置上，最后通过各路发射子带滤波器进行滤波处理，合路器将各路滤波后的信号合并到一路，实现通信波形和测量波形的融合。

Description

一体化波形通信测量系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及到一种通信、测量一体化波形及系统。

背景技术

传统上，一般认为通信和雷达探测的信号特性具有显著区别：一方面，雷达探测波形所发送的信号大多是规则的已知信号，要求具有优良的自相关特性、很大的信号带宽、很高的动态范围，可以容忍大的多普勒频偏，以估计运动目标的速度；另一方面，通信信号，不管采用何种调制方式，其波形是随机、不确定的，要求高的频谱效率，除了频率调制信号外，大多对多普勒频偏很敏感。因此，如何解决通信和雷达探测这两类信号波形不共性的难题，成为一体化共享信号波形设计的难题。现有一体化信号波形设计采取的是“序贯设计”的方法，往往是从雷达或者通信单一系统角度出发进行设计，然后通过调整信号波形参数来尽量满足另一系统的需求。由于在设计之初缺乏一体化的考虑，更没有完善的理论体系对信号波形设计进行规范和指导，导致设计的信号波形很难在兼顾雷达和通信性能中取得最佳的折中。

随着互联网技术的飞速发展，基于位置的服务将日益进入大众应用和公共服务领域。因此需要一种既可以达到高容量通信需求，又能满足高精度测量需求的通信、测量一体化波形。目前通过无线电进行测距/定位的方法，源头上都是来自雷达技术，主要的算法手段就两种，TOF/TDOA算法，是基于飞行的，就是光速来乘时间来测距，距离知道了，自然可以计算出相对的位置坐标；AOA算法，基于场强角度的，通过智能天线的接收信号来判断信源的方向，多几个方向角，也是可以推算出相对位置坐标。例如，蜂窝网利用PRACH和 SRS信道测量就是基于飞行的算法，即基站采用参考信号，对UE的空口传输时延进行估计，然后折算为距离。

传统连续波扩频测量系统采用非相干扩频体制，主要实现高精度测距、测速等功能。传统测量采用时域扩频信号进行测量，测量波形生成：采用测距伪码(如Gold码)对载波进行BPSK调制。伪码测距的基本原理：一般利用无线电信号来测量距离就是通过测量无线电信号的延迟时间来解算距离。伪码测量时延就是充分利用了伪码的自相关特性，伪码的自相关值有着尖锐的峰值。伪码测距发射系统通过伪码扩频后，把扩频信号发向扩频测距系统接收机。接收机本地伪码产生器能够产生和发射机相同的伪码序列，只不过此时接收机接收到的伪码序列有了相位的延迟。所接收机经过伪码的同步处理后，可恢复接收的伪码序列，如此通过对伪码相位的比较就可得到伪码的相位时延。

另一方面，5G通信中采用了F-OFDM(Filtered-Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)技术，F-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，是基于OFDM的改进方案。F-OFDM是一种基于子带滤波，以OFDM作为基础调制方式的非正交多载波技术，它在兼顾OFDM系统优点的基础上，实现了5G通信对物理层波形的要求。其基本思想是将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并通过在发送端与接收端对不同子带进行滤波操作，以降低各个子带信号之间的相互干扰。这样使得F-OFDM系统能够根据具体的业务需求，对不同子带设置不同的符号周期、CP长度以及子载波间隔等参数，从而实现了灵活自适应的5G空口技术，以支持5G按业务需求的动态软空口参数配置，提高5G系统的灵活性和可扩展性。F-OFDM能够实现空口物理层切片后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求，提高系统对各类业务的支持能力。比如，为了实现低功耗大覆盖的物联网业务，可在选定的子带中采用单载波波形；为了实现较低的空口时延，可以采用更小的传输时隙长度；为了对抗多径信道，可以采用更小的子载波间隔和更长的循环前缀。由此可见，基于F-OFDM波形的通信体制的优势为通信容量大，多址方式丰富(时分、频分、码分)，调度灵活，适应多用户场景，适应各类不同业务类型场景。然而，基于传统 OFDM波形通信体制采用SRS等参考信号进行测量，测量精度低，无法满足高精度测距的业务需求，目前尚无一套系统的解决方案。

发明内容

为了克服现有信号波形的不足，解决传统OFDM波形通信体制测量精度低的问题，本发明提出了一种兼具高通信容量、高精度测量以及灵活调度测量的能力，具有捷变能力的一体化信号波形，能够根据频谱时空特性的变化自适应调整波形的一体化波形通信测量系统，以实现资源的高效利用，解决传统OFDM波形通信体制测量精度低的问题。

本发明是通过如下技术方案实现：一种一体化波形通信测量系统，包括：通信子带1～D路顺次串联的通信数据生成模块(1)、子载波映射模块(3)、IFFT模块(4)、添加CP 模块(5)、发射子带滤波器(6)和测量子带1～C路顺次串联的测量数据生成模块(2)、频谱搬移模块(7)、发射子带滤波器(6)、共端相连合路器(14)及天线构成的一体化波形通信测量系统发送端，通过天线分别连接通信子带1～D路顺次串联的接收子带滤波器(8)、去CP模块(9)、FFT模块(10)、信号检测/解调模块(11)和测量子带1～C路顺次串联的接收子带滤波器(8)、下变频模块(12)、扩频信号处理模块(13)构成的的一体化波形通信测量系统接收端，其特征在于：一体化波形通信测量系统的发射端，通信子带1～通信子带D的各路通信数据生成模块(1)产生频域OFDM波形信号，子载波映射模块(3)将各路频域OFDM波形信号通过子载波映射调制到不同的子带频域位置上，并通过IFFT模块 (4)快速傅里叶逆变换到时域，将得到的时域信号经添加CP模块(5)添加CP，生成通信子带OFDM时域信号；同时测量子带1～测量子带C的各路测量数据生成模块(2)产生包含扩频信号的时域测量波形信号，分别送入各路通道上串联的频谱搬移模块(7)，将各路时域测量波形信号调制到不同的子带频域位置上，完成各路测量时域波形信号的生成，最后将上述通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号和测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号分别通过各路发射子带滤波器(6)进行滤波处理，降低自身信号带外泄露频谱对其它子带信号带来的干扰，然后通过合路器(14)将各路滤波后的信号合并到一路，实现通信波形和测量波形的融合，并通过发射机发送到空口。

本发明相对于现技术具有以下的有益效果：

本发明在F-OFDM技术的基础上，实现OFDM通信波形和测量波形的融合。一体化波形通信测量系统发射端各路通信数据生成模块产生频域OFDM波形信号，用于高速通信，各路测量数据生成模块产生时域测量波形信号(扩频信号，如Gold序列)，用于高精度测量。子载波映射模块将各路通信子带信号通过子载波映射调制到不同的子带频域位置上，并通过IFFT变换得到时域信号，然后添加CP，完成OFDM时域信号生成。频谱搬移模块将各路测量子带信号调制到不同的子带频域位置上，完成时域测量波形信号的调制。子带滤波器对上述各路时域信号分别进行子带滤波，以降低子带之间各类信号的相互干扰。合路器将各子带信号合并到一路，并通过发射机发送到空口。这种方法利用子带滤波技术，将基于OFDM 的通信波形和基于扩频信号的测量波形进行融合，使得该一体化波形既满足高速通信的需求，又能满足高精度测量、灵活调度测量的需求。解决通信OFDM波形测量精度低的问题。其中，子带滤波器对发射端来说，降低自身信号带外泄露频谱对其他子带信号带来的干扰；对接收端来说，降低其他子带信号带外泄露频谱对当前子带信号引入的干扰。

本发明在一体化波形通信测量系统接收端采用子带滤波器将各路OFDM波形信号和测量波形信号进行分离。对于各路分离后的OFDM信号，分别进行去CP、FFT、信号检测/ 解调处理，获取通信原始信息。对于各路分离后的测量子带信号，下变频模块进行下变频处理，得到零频基带扩频信号，然后扩频信号处理模块进行测量处理，获取测量结果信息。从而获得了传统连续波扩频体制测速、测距精度高的优点。由于接收端经子带滤波后可得到与传统连续波扩频体制相同的测量信号，因此，扩频信号处理可极大程度地延用传统连续波扩频方案进行测量，保证测速和测距的精度。

本发明将通信子带信号和测量子带信号分别映射到预先设计的频谱资源上，然后通过子带滤波技术对各路信号分别进行子带滤波，以降低子带之间各类信号的相互干扰，最后将各路子带信号合并到一路，从而实现了通信波形和测量波形的融合；利用连续波扩频体制测速、测距精度高的特点，并兼容5G空口，能够利用现有5G技术在资源调度灵活、多址方式丰富的优势，可满足在大规模场景中的海量接入、高速通信、高精度测量的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于子带滤波的通信测量一体化波形及系统；

图2是图1的实施例示意图；

图3是频域子带划分示意图。

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中一种一体化波形通信测量系统，包括：通信子带1～D路顺次串联的通信数据生成模块(1)、子载波映射模块(3)、IFFT模块(4)、添加 CP模块(5)、发射子带滤波器(6)和测量子带1～C路顺次串联的测量数据生成模块(2)、频谱搬移模块(7)、发射子带滤波器(6)、共端相连合路器(14)及天线构成的一体化波形通信测量系统发送端，通过天线分别连接通信子带1～D路顺次串联的接收子带滤波器(8)、去CP模块(9)、FFT模块(10)、信号检测/解调模块(11)和多路(测量子带1～C)顺次串联的接收子带滤波器(8)、下变频模块(12)、扩频信号处理模块(13)构成的的一体化波形通信测量系统接收端。一体化波形通信测量系统的发射端，通信子带1～通信子带D的各路通信数据生成模块(1)产生频域OFDM波形信号，子载波映射模块(3)将各路频域 OFDM波形信号通过子载波映射调制到不同的子带频域位置上，并通过IFFT模块(4)快速傅里叶逆变换到时域，将得到的时域信号经添加CP模块(5)添加CP，生成通信子带 OFDM时域信号；同时测量子带1～测量子带C的各路测量数据生成模块(2)产生包含扩频信号的时域测量波形信号，分别送入各路通道上串联的频谱搬移模块(7)，将各路时域测量波形信号调制到不同的子带频域位置上，完成各路测量时域波形信号的生成，最后将上述通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号和测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号分别通过各路发射子带滤波器(6)进行滤波处理，降低自身信号带外泄露频谱对其它子带信号带来的干扰，然后通过合路器(14)将各路滤波后的信号合并到一路，实现通信波形和测量波形的融合，并通过发射机发送到空口。

在接收端，各路接收子带滤波器(8)将上述发送端合路器(14)合路后天线发送的时域信号进行分离，得到各路通信子带OFDM时域信号和各路测量时域波形信号，分离后的各路通信子带OFDM时域信号经各路通道上的去CP模块(9)分别进行去CP后送入 FFT模块(10)进行快速傅里叶变换，再经信号检测/解调模块(11)进行信号检测/解调处理获取通信原始信息；分离后的各路测量时域波形信号经各路通道上的下变频模块(12)分别进行下变频处理，得到零频基带扩频信号，然后经扩频信号处理模块(13)进行测量处理，获取测量结果信息。

子带滤波器需要满足：即能达到较大的带外抑制，以获得较小的带外频谱泄漏，同时在时域有很好的聚焦性，以满足短突发通信较低符号间干扰的要求；不同用户采用的子带滤波器必须与其所占用的频谱资源匹配。但是，由于用户所分配的频谱资源随业务需求而动态变化，所以，子带滤波器需要能根据分配的频谱带宽尺寸而动态变化。

接收端构造子带滤波器的方法：预先生成一组不同带宽的基带滤波器，然后根据分配的子带带宽大小和频谱位置将基带滤波器搬移到子带频谱中心位置，实现动态子带滤波。

参阅图2。在可选的实施例中，以D个通信子带和C个测量子带为例，进行阐述。

首先发射端或设计人员将用于通信、测量的整个频谱划分为多个子带，其中，通信子带1～通信子带D用于高速通信，测量子带1～测量子带C用于高精度测量。总的子带个数以及每个子带的带宽可以根据实际的通信业务需求、测量精度需求进行独立地、灵活地设置。举例，可以假设通信子带1～通信子带D的带宽均为10MHz，测量子带1～测量子带C的带宽均为30MHz。频域子带划分示意图如图3所示(这里仅做示例，不限制各子带划分的位置和大小)。

各路通信数据生成模块(1)产生用于高速通信业务的通信子带1～通信子带D的频域OFDM波形信号S_d(k)，k＝1,…,N_d，其中，k为频域子载波索引，N_d为长度，下标d表示通信子带索引，d取值从1到D。

各路子载波映射模块(3)将通信子带1～通信子带D的频域OFDM波形信号映射到对应的频域资源位置，剩余位置填零，得到子载波映射后的信号S′_dd(k′)，k′＝1,…,N′_d，其中，

k′为频域子载波索引，N′_d为长度。

各路IFFT模块(4)将通信子带1～通信子带D的子载波映射后的信号进行快速傅里叶逆变换到时域，得到时域信号s′_d(n′)，n′＝1,…,N′_d，其中，n′为时域采样点索引，N′_d为长度。

各路添加CP模块(5)对通信子带1～通信子带D的时域信号进行CP添加，生成通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号。

各路测量数据生成模块(2)产生用于高精度测量的测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号p_c(m)，m＝1,…,M_c，其中，m为时域采样点索引，M_c为长度，下标c表示测量子带索引，c取值从1到C。

各路DFT模块(7)将测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号变换到频域，得到频域测量信号P_c(k)，k＝1,…,M_c，其中，k为频域子载波索引，M_c为长度。

各路子载波映射模块(3)将测量子带1～测量子带C的频域测量信号映射到对应的频域资源位置，剩余位置填零，得到子载波映射后的频域测量信号P′_c(k′)，k′＝1,…,M′_c，其中

k′为频域子载波索引，M′_c为长度。

各路IFFT模块(4)将测量子带1～测量子带C的子载波映射后的频域测量信号变换到时域，得到时域测量信号p′_c(m′)，m′＝1,…,M′_c，其中，m′为时域采样点索引，M′_c为长度。

各路发射子带滤波器(6)将上述通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号、测量子带1～测量子带C的时域测量信号分别进行子带滤波处理，以降低子带之间的干扰，然后通过合路器(14)将各路滤波后的通信子带OFDM时域信号和测量子带时域测量信号合并为一路，实现通信波形和测量波形的融合，并通过发射机发送到空口。

在接收端，各路接收子带滤波器(8)将OFDM波形信号和测量波形信号进行滤波分离，分别得到通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号、测量子带1～测量子带C的时域测量信号。

各路去CP模块(9)对通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号进行删除CP处理，得到通信子带1～通信子带D的去CP后的OFDM时域信号。

各路FFT模块(10)对通信子带1～通信子带D的去CP后的OFDM时域信号进行快速傅里叶变换，得到通信子带1～通信子带D的OFDM频域信号。

各路信号检测/解调模块(11)对通信子带1～通信子带D的OFDM频域信号进行检测/解调处理，得到通信子带1～通信子带D的通信原始信息。

各路下变频模块(12)对测量子带1～测量子带C的时域测量信号进行下变频处理，得到测量子带1～测量子带C的零频基带测量信号。

各路扩频信号处理模块(13)对测量子带1～测量子带C的零频基带测量信号分别进行高精度测量，获取测量子带1～测量子带C的测量结果信息，完成高精度测距、测速。

参阅图3。如图3所示频域子带划分示意图(这里仅做示例，不限制各子带划分的位置和大小)。发射端或设计人员将用于通信、测量的整个频谱划分为多个子带，其中通信子带1～通信子带D用于高速通信系统，测量子带1～测量子带C用于高精度测距。总的子带个数以及每个子带的带宽可以根据实际的通信业务需求、测量精度需求进行独立地、灵活地设置。举例，可以假设通信子带1～通信子带D的带宽均为10MHz，测量子带1～测量子带C 的带宽均为30MHz。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种一体化波形通信测量系统，包括：通信子带1～D路顺次串联的通信数据生成模块(1)、子载波映射模块(3)、IFFT模块(4)、添加CP模块(5)、发射子带滤波器(6)和测量子带1～C路顺次串联的测量数据生成模块(2)、频谱搬移模块(7)、发射子带滤波器(6)、共端相连合路器(14)及天线构成的一体化波形通信测量系统发送端；通过天线分别连接通信子带1～D路顺次串联的接收子带滤波器(8)、去CP模块(9)、FFT模块(10)、信号检测/解调模块(11)和测量子带1～C路顺次串联的接收子带滤波器(8)、下变频模块(12)、扩频信号处理模块(13)构成的一体化波形通信测量系统接收端。其特征在于：一体化波形通信测量系统的发射端，通信子带1～通信子带D的各路通信数据生成模块(1)产生频域OFDM波形信号，子载波映射模块(3)将各路频域OFDM波形信号通过子载波映射调制到不同的子带频域位置上，并通过IFFT模块(4)快速傅里叶逆变换到时域，将得到的时域信号经添加CP模块(5)添加CP，生成通信子带OFDM时域信号；同时测量子带1～测量子带C的各路测量数据生成模块(2)产生包含扩频信号的时域测量波形信号，分别送入各路通道上串联的频谱搬移模块(7)，将各路时域测量波形信号调制到不同的子带频域位置上，完成各路测量时域波形信号的生成；最后将上述通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号和测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号分别通过各路发射子带滤波器(6)进行滤波处理，降低自身信号带外泄露频谱对其它子带信号带来的干扰，然后通过合路器(14)将各路滤波后的信号合并到一路，实现通信波形和测量波形的融合，并通过发射机发送到空口。

2.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：在接收端，各路接收子带滤波器(8)将发送端合路器(14)合路后天线发送的时域信号进行分离，得到各路通信子带OFDM时域信号和各路测量时域波形信号，分离后的各路通信子带OFDM时域信号经各路通道上的去CP模块(9)分别进行去CP后送入FFT模块(10)进行快速傅里叶变换，再经信号检测/解调模块(11)进行信号检测/解调处理获取通信原始信息；分离后的各路测量时域波形信号经各路通道上的下变频模块(12)分别进行下变频处理，得到零频基带扩频信号，然后经扩频信号处理模块(13)进行测量处理，获取测量结果信息。

3.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：发射端或设计人员将用于通信、测量的整个频谱划分为多个子带，其中，通信子带1～通信子带D用于高速通信，测量子带1～测量子带C用于高精度测量。

4.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：发射端和接收端构造子带滤波器的方法，预先生成一组不同带宽的基带滤波器，然后根据分配的子带带宽大小和频谱位置将基带滤波器搬移到子带频谱中心位置，实现动态子带滤波。

5.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：各路通信数据生成模块(1)产生用于高速通信业务的通信子带1～通信子带D的频域OFDM波形信号S_d(k)，k＝1,…,N_d，其中，k为频域子载波索引，N_d为长度，下标d表示通信子带索引，d取值从1到D；各路测量数据生成模块(2)产生用于高精度测量的测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号p_c(m)，m＝1,…,M_c，其中，m为时域采样点索引，M_c为长度，下标c表示测量子带索引，c取值从1到C。

6.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：各路子载波映射模块(3)将通信子带1～通信子带D的频域OFDM波形信号映射到对应频域资源位置，剩余位置填零，得到子载波映射后的信号S′_d(k′)，k′＝1,…,N′_d，其中，

k′为频域子载波索引，N′_d为长度；并将测量子带1～测量子带C的频域测量信号映射到对应的频域资源位置，剩余位置填零，得到子载波映射后的频域测量信号P′_c(k′)，k′＝1,…,M′_c，其中

k′为频域子载波索引，M_c′为长度。

7.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：各路IFFT模块(4)将通信子带1～通信子带D的子载波映射后的信号进行快速傅里叶逆变换到时域，得到时域信号s′_d(n′)，n′＝1,…,N′_d，其中，n′为时域采样点索引，N′_d为长度；并将测量子带1～测量子带C的子载波映射后的频域测量信号变换到时域，得到时域测量信号p′_c(m′)，m′＝1,…,M′_c，其中，m′为时域采样点索引，M′_c为长度。

8.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：各路添加CP模块(5)对通信子带1～通信子带D的时域信号进行CP添加，生成通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号；各路DFT模块(7)将测量子带1～测量子带C的时域测量波形信号变换到频域，得到频域测量信号P_c(k)，k＝1,…,M_c，其中，k为频域子载波索引，M_c为长度；各路发射子带滤波器(6)将上述通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号、测量子带1～测量子带C的时域测量信号分别进行子带滤波处理，以降低子带之间的干扰，然后通过合路器(14)将各路滤波后的通信子带OFDM时域信号和测量子带时域测量信号合并为一路，实现通信波形和测量波形的融合，并通过发射机发送到空口。

9.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：在接收端，各路接收子带滤波器(8)将OFDM波形信号和测量波形信号进行滤波分离，分别得到通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号、测量子带1～测量子带C的时域测量信号；各路去CP模块(9)对通信子带1～通信子带D的OFDM时域信号进行删除CP处理，得到通信子带1～通信子带D的去CP后的OFDM时域信号；各路FFT模块(10)对通信子带1～通信子带D的去CP后的OFDM时域信号进行快速傅里叶变换，得到通信子带1～通信子带D的OFDM频域信号；各路信号检测/解调模块(11)对通信子带1～通信子带D的OFDM频域信号进行检测/解调处理，得到通信子带1～通信子带D的通信原始信息。

10.如权利要求1所述的一体化波形通信测量系统，其特征在于：各路下变频模块(12)对测量子带1～测量子带C的时域测量信号进行下变频处理，得到测量子带1～测量子带C的零频基带测量信号；各路扩频信号处理模块(13)对测量子带1～测量子带C的零频基带测量信号分别进行高精度测量，获取测量子带1～测量子带C的测量结果信息，完成高精度测距、测速。

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