CN113438730A - 一种基于gfdm信号的无线定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种基于GFDM信号的无线定位方法，包括接收端接收来自GFDM发射端的GFDM信号，并利用GFDM信号的循环前缀对GFDM信号进行定时初同步；接收端对GFDM信号进行定时精同步，得到GFDM导频信号和GFDM导频信号首径的到达时间；接收端基于GFDM导频信号或GFDM导频信号首径的到达时间进行无线定位。本发明能够实现基于GFDM信号的高精度定位。

Description

一种基于GFDM信号的无线定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种基于GFDM信号的无线定位方法。

背景技术

现有的定位方法主要包括GNSS定位、室内无线信号定位(WIFI、蓝牙、超宽带等)。GNSS信号由于在城市峡谷、室内、地下等复杂空间信号弱且难以抵达，而难以满足室内等遮蔽空间下的定位需求。因此，以WIFI、蓝牙、超宽带为主流的室内无线信号定位技术得到了快速的发展。基于WIFI、蓝牙、超宽带的定位技术，需要额外布设基站，而难以形成大规模的应用，这意味着无法实现室内外定位的广覆盖，而难以普及推广。

基于移动通信技术的定位研究，目前主要集中在4G LTE和5G NR(5G New Radio，5G新一代无线电技术)所采用的OFDM信号。而GFDM(Generalized Frequency DivisionMultiplexing，广义频分复用)信号，由于未被5G NR所采纳，因此基于GFDM信号的定位方法研究较少。目前，传统OFDM信号在5G时代暴露出精确时间同步功耗大，CP结构导致频谱效率低，子载波正交导致带外辐射强等缺点与局限性，而GFDM信号相对于OFDM信号具有低功耗、高频谱效率、带外辐射小的优势，因此利用GFDM信号进行定位研究，能够提高特定场景下的定位精度，例如，mMTC(massive Machine Type of Communication，大规模物联网)、URLLC(ultra-Reliable Low Latency Communications，超高可靠超低时延通信)等。在未来B5G/6G时代，基于GFDM信号的定位技术具有更广泛的应用前景，研究GFDM的定位性能具有一定的前瞻性。目前，基于GFDM信号的定位研究甚少，因此本领域亟需相关的基于GFDM信号的无线定位方案。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于GFDM信号的无线定位方法。

本发明提供一种基于GFDM信号的无线定位方法，包括以下步骤：

步骤1、接收端接收来自GFDM发射端的GFDM信号，并利用所述GFDM信号的循环前缀对所述GFDM信号进行定时初同步；

步骤2、所述接收端对所述GFDM信号进行定时精同步，得到GFDM导频信号和GFDM导频信号首径的到达时间；

步骤3、所述接收端基于所述GFDM导频信号或所述GFDM导频信号首径的到达时间进行无线定位。

优选的，所述步骤1中，所述GFDM信号通过以下步骤得到：

基于待发射数据，通过导频添加生成GFDM调制数据块；

对所述GFDM调制数据块进行GFDM调制得到GFDM信号传输样本；

对所述GFDM信号传输样本添加循环前缀，形成完整的GFDM时域信号，并作为所述GFDM信号。

优选的，所述GFDM调制数据块在频域上包含K个子载波，在时域上包含M个子符号，共含有N个元素；

对所述GFDM调制数据块进行GFDM调制得到GFDM信号传输样本的具体实现方式为：

对所述GFDM调制数据块进行串并转换，得到不同子载波和对应子符号上传输的数据d_k，m；其中，d_k，m表示在第k个子载波的第m个子符号上传输的数据，k＝0，1，2，...K-1，m＝0，1，...M-1；

将所述不同子载波和对应子符号上传输的数据d_k，m通过脉冲整形滤波器g_k，m[n]进行传输；

通过对不同子载波、不同子符号上传输的数据进行求和，得到GFDM信号传输样本，记为：

其中，x[n]表示GFDM信号传输样本。

优选的，所述脉冲整形滤波器g_k，m[n]表示为：

g_k，m[n]＝g[(n-mK)mod N]·e^j2πkn/K

其中，n是采样索引，g_k，m[n]是原型滤波器g[n]的时移和频移版本。

优选的，所述步骤1中，对所述GFDM信号进行定时初同步的具体实现方式为：

基于所述GFDM信号循环前缀的长度N_CP以及所述GFDM信号完整符号的长度N_Sym，通过相关的方式，利用长度为N_CP的信号窗口对接收GFDM信号进行相关检测，检测得到最相关的GFDM信号序列，并通过频偏纠正，得到信号起始位置index。

优选的，当下式中的Φ(l)取最大值时，对应的l作为所述信号起始位置index；

其中，Φ(l)表示信号窗口偏移l时的相关结果，n表示GFDM信号索引，n的取值范围是[0，N_CP-1]，l表示窗口偏移索引，r表示接收到的GFDM信号，r^*表示接收到的GFDM信号的共轭。

优选的，所述步骤2中，所述定时精同步包括：

对所述GFDM信号进行解调得到解调信号；

从所述解调信号中提取导频信号得到所述GFDM导频信号；

基于所述GFDM导频信号进行信道估计，通过反向快速傅里叶变换得到时域信道脉冲响应CIR，对所述时域信道脉冲响应CIR进行多径提取得到多径时延信息，所述多径时延信息包括多径时延起点；

基于所述多径时延起点，通过时延锁定环进行时延追踪，得到所述GFDM导频信号首径的到达时间。

优选的，对所述GFDM信号进行解调得到解调信号的具体实现方式为：

根据信号初始位置index，去除循环前缀CP，得到完整的GFDM时域块结构信息，利用GFDM三大线性接收机中的迫零接收机对所述完整的GFDM时域块结构信号进行解调，得到解调信号。

优选的，所述步骤3中，基于所述GFDM导频信号或所述GFDM导频信号首径的到达时间进行无线定位的具体实现方式采用下面四种定位方法中的一种：

第一定位方法为：根据所述GFDM导频信号进行CSI计算得到CSI信息，利用所述CSI信息进行指纹定位；

第二定位方法为：根据所述GFDM导频信号进行导频信号强度计算得到信号强度信息，利用所述信号强度信息进行指纹定位；

第三定位方法为：根据所述GFDM导频信号首径的到达时间，计算得到GFDM接收端与GFDM发射端之间的距离信息，利用所述距离信息进行基于GFDM信号测距估计的定位；

第四定位方法为：根据所述GFDM导频信号首径的到达时间，转换成载波相位信息，基于所述载波相位信息进行角度估计得到角度信息，利用所述角度信息进行基于GFDM信号测角估计的定位。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，接收端接收来自GFDM发射端的GFDM信号，并利用GFDM信号的循环前缀对GFDM信号进行定时初同步；接收端对GFDM信号进行定时精同步，得到GFDM导频信号和GFDM导频信号首径的到达时间；接收端基于GFDM导频信号或GFDM导频信号首径的到达时间进行无线定位。即本发明提供了一种基于GFDM信号的无线定位方法，能够实现基于GFDM信号的高精度定位，具有广泛的应用前景，且具有一定的前瞻性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于GFDM信号的无线定位方法的流程图；

图2为GFDM调制数据块实例示意图；

图3为GFDM调制过程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于GFDM信号的无线定位方法的原理图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种基于GFDM信号的无线定位方法，包括以下步骤：

步骤1：接收端接收来自GFDM发射端的GFDM信号，并利用GFDM信号的循环前缀对GFDM信号进行定时初同步。

其中，所述GFDM信号通过以下步骤得到：基于待发射数据，通过导频添加生成GFDM调制数据块；对所述GFDM调制数据块进行GFDM调制得到GFDM信号传输样本；对所述GFDM信号传输样本添加循环前缀，形成完整的GFDM时域信号，并作为所述GFDM信号。

所述GFDM调制数据块在频域上包含K个子载波，在时域上包含M个子符号，共含有N个元素。

对所述GFDM调制数据块进行GFDM调制得到GFDM信号传输样本的具体实现方式为：对所述GFDM调制数据块进行串并转换，得到不同子载波和对应子符号上传输的数据d_k，m；其中，d_k，m表示在第k个子载波的第m个子符号上传输的数据，k＝0，1，2，...K-1，m＝0，1，...M-1；将所述不同子载波和对应子符号上传输的数据d_k，m通过脉冲整形滤波器g_k，m[n]进行传输；通过对不同子载波、不同子符号上传输的数据进行求和，得到GFDM信号传输样本，记为：

其中，x[n]表示GFDM信号传输样本。

所述脉冲整形滤波器g_k，m[n]表示为：

g_k，m[n]＝g[(n-mK)mod N]·e^j2πkn/K其中，n是采样索引，g_k，m[n]是原型滤波器g[n]的时移和频移版本。

对所述GFDM信号进行定时初同步的具体实现方式为：基于所述GFDM信号循环前缀的长度N_CP以及所述GFDM信号完整符号的长度N_Sym，通过相关的方式，利用长度为N_CP的信号窗口对接收信号进行相关检测，检测得到最相关的GFDM信号序列，将此时的信号起始位置记为index，具体来说，当下式中Φ(l)取最大值时，l即为index。

其中，Φ(l)表示信号窗口偏移l时的相关结果，n表示GFDM信号索引，n的取值范围是[0，N_CP-1]，l表示窗口偏移索引，r表示接收到的GFDM信号，r^*表示接收到的GFDM信号的共轭。

此外，通过频偏纠正，能够得到更准确的信号起始位置index。

步骤2：接收端对GFDM信号进行定时精同步，得到GFDM导频信号和GFDM导频信号首径的到达时间。

(1)对GFDM信号进行解调得到解调信号。

具体的，根据信号初始位置index，去除循环前缀CP，得到完整的GFDM时域块结构信息，利用GFDM三大线性接收机中的迫零接收机(ZF)对完整的GFDM时域块结构信号进行解调，得到解调信号。

其中，GFDM三大线性接收机包括迫零接收机(ZF)、匹配滤波器接收机(MF)、线性最小均方误差接收机(MMSE)，但匹配滤波器接收机(MF)无法消除子载波非正交带来的自身干扰，而线性最小均方误差接收机(MMSE)虽然解调效果好，但计算复杂，因此本发明采用了迫零接收机(ZF)，能够消除GFDM信号子载波非正交带来的自身干扰。

(2)从解调信号中提取导频信号得到GFDM导频信号。

具体的，按照GFDM信号导频位置信息，从解调信号中提取频域导频信号，得到GFDM导频信号r_x(p_k)，其中p_k为第k个导频在GFDM符号中的位置索引。

(3)基于GFDM导频信号进行信道估计

其中t_x(p_k)为频域本地参考导频，并通过IFFT(Invert Fast Fourier Transformation，反向快速傅里叶变换)后获得

即时域信道脉冲响应CIR，利用匹配追踪(MP)、多重信号分类(MUSIC)等方法进行多径提取，获取有效的多径时延信息，并得到准确的多径时延起点τ。

(4)基于多径时延起点，通过时延锁定环进行时延追踪以获得时间精同步，即获取精确的GFDM导频信号首径的到达时间τ_toa。

步骤3：无线定位，如图1所示，a-d为基于GFDM信号的不同定位方法，包括：

定位方法a:根据步骤2第2步所提取的GFDM导频信号进行CSI(信道状态信息)计算得到CSI信息，并利用CSI信息进行指纹定位；

定位方法b:根据步骤2中第2步所获得的GFDM导频信号进行导频信号强度计算得到信号强度信息，并利用信号强度信息(RSSI)进行指纹定位；

定位方法c:根据步骤2得到的精确的GFDM导频信号首径的到达时间τ_toa，计算接收端与GFDM发射端的距离，从而进一步进行基于GFDM信号测距估计的定位；

定位方法d：根据步骤2得到的精确的GFDM导频信号首径的到达时间τ_toa，转换成载波相位信息，从而进行角度估计，从而进一步进行基于GFDM信号测角估计的定位。

下面对本发明做进一步的说明。

本发明旨在将导频通过梳状形式插入到GFDM信号中，导频信息通过GFDM调制，并通过无线信道后，在接收端被接收，后期通过接收到的导频信息进行信道估计，获得时域脉冲信道响应，并通过一些方法，获得精确的首径时延信息。

具体的，本发明主要保护基于GFDM信号进行无线定位的方法，以一种使用ZC序列梳状导频的GFDM调制信号进行基于测距估计的定位方法作为实例来进行说明，具体过程如下：

(1)生成GFDM调制数据块，结构如图2所示，GFDM调制块包含K个子载波，M个子符号，每个子符号在特定的子载波上传输导频信息，图中的灰色部分代表导频位置，这是梳状导频分布方式，是GFDM信号中基本的导频添加方法的一种。从图中可以看出，任意符号1号子载波均为导频。

(2)对GFDM调制数据块(频域数据)进行GFDM调制，得到GFDM信号传输样本，调制过程如图3所示。

首先，对GFDM数据块(K个子载波，M个子符号，共含有N个元素)进行串并转换，得到不同子载波和对应子符号上传输的数据，其中d_k，m对应于在第k个子载波，k＝0，1，2，...K-1，m个子符号上传输的数据，m＝0，1，...M-1。

然后，将d_k，m通过相应的脉冲整形滤波器g_k，m[n]进行传输：

g_k，m[n]＝g[(n-mK)mod N]·e^j2πkn/K (1)

其中，n是采样索引，g_k，m[n]是原型滤波器g[n]的时移和频移版本。

最后，通过对不同子载波、不同子符号上传输的数据进行求和，得到GFDM信号传输样本x[n]，记为：

(3)对GFDM信号传输样本x[n]添加循环前缀，形成完整的GFDM信号，该信号经过无线信道传输后，被接收端接收。而后按照前面具体实施步骤中所描述的步骤1、2进行处理，从而获得精确的到达时间估计，并按照步骤3中所描述的定位方法c进行定位，定位原理图如图4所示。

综上，本发明能够实现基于GFDM信号的高精度定位，具有广泛的应用前景，且具有一定的前瞻性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、接收端接收来自GFDM发射端的GFDM信号，并利用所述GFDM信号的循环前缀对所述GFDM信号进行定时初同步；

步骤2、所述接收端对所述GFDM信号进行定时精同步，得到GFDM导频信号和GFDM导频信号首径的到达时间；

步骤3、所述接收端基于所述GFDM导频信号或所述GFDM导频信号首径的到达时间进行无线定位。

2.根据权利要求1所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，所述步骤1中，所述GFDM信号通过以下步骤得到：

基于待发射数据，通过导频添加生成GFDM调制数据块；

对所述GFDM调制数据块进行GFDM调制得到GFDM信号传输样本；

对所述GFDM信号传输样本添加循环前缀，形成完整的GFDM时域信号，并作为所述GFDM信号。

3.根据权利要求2所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，所述GFDM调制数据块在频域上包含K个子载波，在时域上包含M个子符号，共含有N个元素；

对所述GFDM调制数据块进行GFDM调制得到GFDM信号传输样本的具体实现方式为：

对所述GFDM调制数据块进行串并转换，得到不同子载波和对应子符号上传输的数据d_k，m；其中，d_k，m表示在第k个子载波的第m个子符号上传输的数据，k＝0，1，2，...K-1，m＝0，1，...M-1；

将所述不同子载波和对应子符号上传输的数据d_k，m通过脉冲整形滤波器g_k，m[n]进行传输；

通过对不同子载波、不同子符号上传输的数据进行求和，得到GFDM信号传输样本，记为：

其中，x[n]表示GFDM信号传输样本。

4.根据权利要求3所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，所述脉冲整形滤波器g_k，m[n]表示为：

g_k，m[n]＝g[(n-mK)mod N]·e^j2πkn/K

其中，n是采样索引，g_k，m[n]是原型滤波器g[n]的时移和频移版本。

5.根据权利要求1所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，所述步骤1中，对所述GFDM信号进行定时初同步的具体实现方式为：

基于所述GFDM信号循环前缀的长度N_CP以及所述GFDM信号完整符号的长度N_Sym，通过相关的方式，利用长度为N_CP的信号窗口对接收GFDM信号进行相关检测，检测得到最相关的GFDM信号序列，并通过频偏纠正，得到信号起始位置index。

6.根据权利要求5所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，当下式中的Φ(l)取最大值时，对应的l作为所述信号起始位置index；

其中，Φ(l)表示信号窗口偏移l时的相关结果，n表示GFDM信号索引，n的取值范围是[0，N_CP-1]，l表示窗口偏移索引，r表示接收到的GFDM信号，r^*表示接收到的GFDM信号的共轭。

7.根据权利要求1所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，所述步骤2中，所述定时精同步包括：

对所述GFDM信号进行解调得到解调信号；

从所述解调信号中提取导频信号得到所述GFDM导频信号；

基于所述GFDM导频信号进行信道估计，通过反向快速傅里叶变换得到时域信道脉冲响应CIR，对所述时域信道脉冲响应CIR进行多径提取得到多径时延信息，所述多径时延信息包括多径时延起点；

基于所述多径时延起点，通过时延锁定环进行时延追踪，得到所述GFDM导频信号首径的到达时间。

8.根据权利要求7所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，对所述GFDM信号进行解调得到解调信号的具体实现方式为：

根据信号初始位置index，去除循环前缀CP，得到完整的GFDM时域块结构信息，利用GFDM三大线性接收机中的迫零接收机对所述完整的GFDM时域块结构信号进行解调，得到解调信号。

9.根据权利要求1所述的基于GFDM信号的无线定位方法，其特征在于，所述步骤3中，基于所述GFDM导频信号或所述GFDM导频信号首径的到达时间进行无线定位的具体实现方式采用下面四种定位方法中的一种：

第一定位方法为：根据所述GFDM导频信号进行CSI计算得到CSI信息，利用所述CSI信息进行指纹定位；

第二定位方法为：根据所述GFDM导频信号进行导频信号强度计算得到信号强度信息，利用所述信号强度信息进行指纹定位；

第三定位方法为：根据所述GFDM导频信号首径的到达时间，计算得到GFDM接收端与GFDM发射端之间的距离信息，利用所述距离信息进行基于GFDM信号测距估计的定位；

第四定位方法为：根据所述GFDM导频信号首径的到达时间，转换成载波相位信息，基于所述载波相位信息进行角度估计得到角度信息，利用所述角度信息进行基于GFDM信号测角估计的定位。

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