CN113009413A

CN113009413A - 基于正交频分复用波形的网络节点间测距方法

Info

Publication number: CN113009413A
Application number: CN202110247187.5A
Authority: CN
Inventors: 卢小峰; 刘灿; 杨鲲; 胡杰; 万瑞; 李洋
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2021-06-22

Abstract

本发明公开了一种基于正交频分复用波形的网络节点间测距方法，主要解决现有技术易受无线信道中噪声和多经干扰的问题。其实现方案是：1)接收端提取训练序列；2)根据训练序列计算初始信道频域相应；3)在初始信道频域响应对应的时域形式的信道冲击响应中去除噪声和多经干扰信号，得到处理后的信道频域响应；4)从处理后的信道频域响应中提取子载波间的相位差并计算信号飞行时间；5)利用信号飞行时间计算节点间的距离。本发明通过在信道冲击响应中去除噪声和多经干扰信号，相较于现有正交频分复用波形测距算法提高了一个量级的测距精度，且在存在噪声和多经干扰的无线信道中能稳定的实现分米级的单次测距性能，可用于通信与定位一体化系统。

Description

基于正交频分复用波形的网络节点间测距方法

技术领域

本发明属于测控通信领域，更进一步网络节点间的测距方法，可用于通信与定位一体化系统。

背景技术

随着无线网络的发展，人们对于基于位置的服务需求也越来越大，全球卫星定位系统目前可以达到米级的定位精度，但是卫星定位信号强度低，受环境影响大，并且无法提供更高精度的定位服务。任光亮，空间精密OFDM测距技术[J].西安电子科技大学学报,2009一文描述了一种通过提取OFDM子载波间相位差的实现更高精度的测距方法。该方法具有非常高的理论精度，但是由于信号在无线环境中易受噪声和多径等干扰的影响导致该方法中的子载波相位发生变化，在常见的室内外场景中只能获得米级的测距精度。

武汉大学在其专利号为CN201710464875.0专利文献中公开了一种多载波数字广播信号载波平滑高精度时延估计方法。其首先进行接收信号的定时同步和载波同步；然后通过对单位时间内多个到达符号的多径信息进行统计，按照最早到达路径最多频次检测原则，提取OFDM到达的首径信息；最后通过相位平滑进一步消除噪声以提高时延估计的准确性。该方法通过统计方式识别首径信息和消除测量噪声，提高了测距的稳定性。但是，该方法由于识别的首径时延单位为采样周期，因而精度较低，且处理时延大。

发明内容

本发明的目的在于针对OFDM测距技术的不足，提出一种正交频分复用波形测距中的噪声和多径抑制方法，以减小测距时延，提高OFDM测距的精度。

本发明的技术方案是，在信道频域响应中提取子载波间相位差之前，首先将信道频域响应变换为时域形式且只保留主径及其附近的信道冲击响应信息，然后将信道冲击响应再变换为信道频域响应，进行相位提取等操作直至完成测距功能。其实现步骤包括如下：

(1)对接收信号分别进行定时同步和载波同步，记录定时同步的时间信息t_i，并从载波同步的信号中提取出训练序列q；

(2)获取抑制噪声和多径干扰的信道频域响应：

(2a)对训练序列q进行FFT运算，再与本地频域形式的训练序列Q进行相关运算，得到初始信道频域响应H；

(2b)对初始信道频域响应H进行IFFT运算，得到初始信道冲击响应h；

(2c)检测初始信道冲击响应h的峰值，保留峰值及其左右各k个位置上的值，其余位置置零，得到处理后的信道冲击响应r；

(2d)将处理后的信道冲击响应r进行FFT运算，得到抑制噪声和多径干扰的信道频域响应R；

(3)在抑制噪声和多径干扰的信道频域响应R的子载波之间进行相关求和运算，并将运算结果转换为相位角，即为相邻子载波之间的相位差

(4)将相邻子载波间的相位差

转换为时延信息，并与(1)记录的定时同步时间信息组合，得到精细的信号飞行时间t，再根据该飞行时间t通过TOA测距算法计算出节点间的距离：d＝t·c，其中c为光速。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明由于在信道冲击响应上去除主径外的噪声和多径信息，因此具有较强的抗干扰能力，提高了至少一个量级的测距精度。

2.本发明利用信道冲击响应的峰值位置补偿定时同步的误差，提高了单次测距的稳定性，从而减小了获取高精度距离值的时延。

3.本发明中由于分别从通信系统的定时同步和信道估计中获取信号飞行时间，其测距方法适合用于通信和导航的一体化设计。

附图说明

图1为本发明的实现流程框图；

图2为本发明仿真中使用的信道对子载波干扰图；

图3为用本发明对图2数据进行干扰抑制后的仿真图；

图4为用本发明在单径信道中的测距性能仿真图。

图5为用本发明在多径信道中的测距性能仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步的描述：

本实施例的实施场景基于通信与定位一体化的无线自组网，自组网内各节点在分配的时隙中发送信号，接收节点在解析信号的同时提取信号飞行时间，最后利用信号飞行时间计算出发送节点到接收节点的距离。

参照图1，对本实例的实现步骤如下：

步骤1,从接收信号中获取初始信道频域响应。

1.1)接收端对接收信号进行检测，通过本地相关算法实现定时同步，并记录定时同步的时间信息t_i；

1.2)根据定时同步指示的信号位置对信号进行载波同步，然后提取出时域形式的训练序列q：

q＝(q₁,q₂,…,q_k,…,q_N)，

其中，q_k是序列q中的第k个值，其表示为：

其中，j为虚部符号，μ为序列根植，N为序列长度，c_f为N对2取模的值；

1.3)将时域形式的训练序列q进行FFT运算，再与本地频域形式的训练序列Q进行相关运算，得到初始信道频域响应H：

H＝FFT(q)·Q^*，

其中，Q^*表示Q的共轭形式。

步骤2,抑制初始信道频域响应中的噪声和多径干扰。

2.1)将初始信道频域响应H进行IFFT运算，得到初始信道冲击响应h：

h＝IFFT(H)；

2.2)寻找初始信道冲击响应h的峰值位置并记为m，保留m位置及其左右各k个值，将其余位置的值设为零，得到处理后的信道冲击响应r：

r＝(r₁,r₂,…r_i,…,r_N)，

其中，r_i是序列r中的第i个值，i从1到N，N为序列长度，r_i的取值为：

通过此操作可以去除k倍的采样周期外的噪声和多径干扰，提高的信噪比为：

当N＝2048，且k＝1时，SNR＝28.3dB；

2.3)对处理后的信道冲击响应r进行FFT运算，得到抑制干扰的信道频域响应R：

R＝FFT(r)。

步骤3,提取包含小数倍的信号飞行时间。

3.1)在抑制噪声和多径干扰的信道频域响应R的子载波之间进行相关求和运算，得到间隔为Δ子载波间的相位差信息W：

其中，N为R的长度，R_i表示R的第i个值，

表示R的第i+Δ个值的共轭形式；

3.2)对W进行求相位角运算，得到间隔Δ子载波间的相位差

为：

其中，angle为求相位角运算；

3.3)将子载波间的相位差

转换为包含小数倍的信号飞行时间t_f：

其中，t_f中允许存在整数倍的信号飞行时间，并能够补偿定时同步的误差。

步骤4,计算发送节点与接收节点的距离。

根据定时同步记录的时间信息t_i和包含小数倍的信号飞行时间t_f，则发送节点到接收节点的距离d为：

d＝(t_i+t_f)·c，其中，c为光速。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步的说明：

1.仿真实验条件：

仿真实验的硬件平台：处理器为Intel i7-8700 CPU，主频为3.2GHz，内存16GB。

仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2018b。

2.仿真内容与结果分析：

仿真1，使用MATLAB软件模拟包含长度为2048的训练序列经过信噪比为10dB的多径信道后的子载波相位干扰情况，结果如图2所示，其中图2(a)表示信号飞行时间产生的子载波相位，图2(b)表示图2(a)中信号被噪声和多径干扰后的子载波相位。

仿真2，使用本发明对图2(b)进行干扰抑制，结果如图3所示，从图(3)可以看出子载波的相位噪声得到了明显的抑制，并且中间约1400个子载波之间的相位差与图2(a)相似。

仿真3，为了验证本发明对噪声干扰的抑制作用，在不同信噪比下对测距结果的误差进行统计，结果如图4所示，从图4可知现有正交频分复用波形测距算法的测距误差在信噪比为0dB时有90％的概率小于4.92m，使用本发明的测距误差在信噪比为0dB时有90％的概率小于0.31m，其性能优于现有算法在信噪比为10dB的测距性能，可见本发明具有很强的降噪能力。

仿真4，在仿真3的基础上，增加包含多径干扰的莱斯信道，在不同信噪比下对测距结果的误差进行统计，结果如图5所示，其中现有正交频分复用波形测距算法的测距误差小于10m的概率均小于75％，而使用本发明的测距误差均有90％的概率小于0.60m，可见本发明的测距精度提高了一个量级，并且具有更高的稳定性。

以上仿真结果表明：本发明中通过在时域的信道冲击响应中去除噪声和多径干扰信号，使正交频分复用波形测距技术具有很强的抗干扰能力，显著提高了测距精度和稳定性。