新一代通信导航一体化技术的进展研究.pdf

2 0 2 3年8期 7 2 0 2 3年第4 5卷第8期新一代通信导航一体化技术的进展研究张 超收稿时间:2 0 2 3-0 6-2 5作者简介:张超(1 9 9 1-),本科,助理工程师,研究方向为通信导航。(9 5 3 3 7部队 广西 柳州5 4 5 0 0 0)摘 要 近年来,在市场需求的促进下,卫星导航进入高速发展阶段,但其在室内场景中的覆盖性能较差,因而需要进行优化。通信信号覆盖范围广、信号频带宽,在定位方面有一定的优势,也可弥补卫星导航的缺陷。在此背景下,通信和定位一体化系统开始出现,且在通信技术的发展中,两者的耦合程度也在不断提高。文中简述了这种一体化系统的原理、关键技术和发展趋势,希望能为其发展提供支持。关键词:通信导航一体化;关键技术;技术进展中图法分类号 T N 9 5 7.5 1R e s e a r c ho nt h eP r o g r e s so fN e wG e n e r a t i o nC o mm u n i c a t i o na n dN a v i g a t i o nI n t e g r a t i o nT e c h n o l o g yZ HAN GC h a o(9 5 3 3 7T r o o p s,L i u z h o u,G u a n g x i 5 4 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t I nr e c e n t y e a r s,u n d e r t h ep r o m o t i o no fm a r k e td e m a n d,s a t e l l i t en a v i g a t i o nh a se n t e r e das t a g eo f r a p i dd e v e-l o p m e n t,b u t i t s c o v e r a g ep e r f o r m a n c e i n i n d o o r s c e n e s i sp o o r,s o i t n e e d s t ob eo p t i m i z e d.T h e c o mm u n i c a t i o ns i g n a l h a saw i d ec o v e r a g er a n g ea n ds i g n a l f r e q u e n c yb a n d w i d t h,w h i c hh a sc e r t a i na d v a n t a g e s i np o s i t i o n i n ga n dc a na l s om a k eu pf o r t h es h o r t c o m i n g so f s a t e l l i t en a v i g a t i o n.I nt h i sc o n t e x t,t h e i n t e g r a t e ds y s t e mo fc o mm u n i c a t i o na n dp o s i t i o n i n gh a sb e g u nt oa p p e a r,a n di nt h ed e v e l o p m e n to fc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,t h ed e g r e eo fc o u p l i n gb e t w e e nt h et w oi sa l s oc o n s t a n t l y i m p r o v i n g.T h i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e s t h ep r i n c i p l e,k e yt e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p m e n t t r e n d so f t h i s i n t e g r a-t e ds y s t e m,h o p i n gt op r o v i d es u p p o r t f o r i t sd e v e l o p m e n t.K e y w o r d s I n t e g r a t i o no f c o mm u n i c a t i o na n dn a v i g a t i o n,K e yt e c h n o l o g i e s,T e c h n i c a l p r o g r e s s0 引言通信技术是现代工业和生活的基础技术,其应用范围不断扩大,包括自动驾驶、工业物联网、智能控制等领域。在此背景下,基于位置的服务(L B S)需求大量增加,产生了各种定位技术和产品,相关研究也取得了较大的进展。无线通信系统的特征为覆盖广、可靠性高、用户多,通过其进行定位,可以实现通信导航的融合,避免了单一卫星定位的缺陷,同时对通信技术的发展具有重要的促进作用。将通信和导航相结合,形成通信导航一体化,随着技术的进步,两者的耦合水平将不断提高,目前已经进入紧耦合阶段。例如,W i-F i和蓝牙为早期常用的定位技术,其对通信资源的依赖性高,可以根据定位性能来进行网点布置,实现了信息和算法层面的融合。2 G和3 G等通信技术的性能水平的提高,可以使对应的通信协议可以支持小区识别码(C I D),以满足较高准确性的定位要求。而4 G和5 G通信在设计时就已经考虑到定位和导航需求,实现了两者的紧耦合1。1 通信导航一体化的常见定位方法在新一代通信导航一体化系统中,对目标位置进行解算时,可选择不同的模式,如终端和网络端,也可根据信号的方向,将其分为下行和上行定位。通过进一步分析可知,在端到端的定位模式下,上下行定位表现出一定的对称性。基于不同的模式定位,可选择的定位方法也有很多。1.1 三边定位三边定位可以确定终端与基站的间距,再基于几何学知识,实现定位功能。在三维定位时,需要获取至少3组距离信息,因而这种定位也被称为三边定位,在测定距离时,其主要是根据信号在基站和终端传播过程中所需要的时间来确定。为精确测定传输时间,需要同步基站间的时钟,因此在这种一体化系统中,时钟同步的精度需要达到很高水平。由此可知,三边定位法的精度主要和时间同步的精度有关,在测距过程中也可以根据电磁波衰减模型来估算,这种方法不需要同步,但测量结果容易受环境影响,从而影响结果的精确性。在三边定位的过程中,可选择的模型也有8 2 0 2 3年8期多种,如到达时间、观测时间差(OT D)模型等,可基于应用要求进行选择2。1.2 角度定位当使用角度定位法定位时,需要利用天线阵列,如果在系统中,发射端为单天线,接收端为多天线,那么使用该模式就可以方便检测出信号的到达角、到达方向参数。在相反条件下,还可测定出发角、出发方向参数,再根据几何关系完成定位。1.3 指纹匹配定位信号的传播和环境存在一定的相关性,在信号传输一定的距离后,其强度、状态和延时都会产生一定的变化。在这种相关性稳定的条件下,信号在每个位置上的特征均保持唯一性,且可以根据这一特征来反推出距离。当通过这种方法进行定位时,相应的流程为离线采集信号,然后在线定位。前一阶段主要是采集目标区的信号特征,并在一定组合后形成指纹数据库。后一阶段则将匹配、采集到的信号特征和库中的特征进行匹配,以确定位置信息3。2 通信导航一体化中的关键技术在实现通信导航一体化技术的过程中,需要基于通信和定位的耦合度水平,选择适宜的技术来采集特定的信息,以利用上述定位方案实现定位目的。早期通信系统的功能相对简单,没有考虑定位需求,在这种条件下进行定位时,需要应用已有信号来估算物质,可选择的技术包括小区识别码定位和指纹定位技术。为提高定位结果的准确性,需要引入高精度的信号测量技术,但这样也会引发干扰现象。因此,为同时满足精确性和鲁棒性要求,可应用一些针对性较强的定位系统,这需要各系统具备良好的兼容性。2.1 指纹定位技术目前,在W i-F i、蓝牙中,指纹定位系统已被广泛应用。在移动通信领域,其也被称为射频模式匹配(R F PM)定位技术,该技术的定位准确性高,同时具有较强的鲁棒性。一些学者很早就研究了2 G和3 G的指纹定位特征,经过对比分析发现,指纹定位技术的优势为可以方便获取信号强度、信道状态相关的参数,且不必更新现有的通信设备,因此具有较高的适用性4。在W i-F i、蓝牙的发展带动下,指纹定位技术也在快速发展,但其缺陷一直未解决,如在噪声干扰或复杂的环境条件下,各种设备采集的指纹信息存在明显的差异性,这会导致结果出现一定的偏差。2.2 一体化信号体制设计上述定位方法需要应用现有的通信信号,并在一定的协议支持下,设计出通信导航一体化系统。然而,这些方法没有充分考虑定位需求,因此在获取距离、角度等参数时,局限性较为明显。为此,在设计系统时需要考虑定位功能,且基于应用要求,应融合高速传送与高精度的定位需求,实现深度融合的目的,这也是目前该领域的发展重点。4 GL T E对 此 进 行 了 改 进,设 置 了 用 于 下 行 定 位 的P R S。P R S由一组频域特定的序列生成,在定位时,其与终端的参考信号和采集的P R S交互后,即可估算出信号延时,为满足其应用要求,需要较强的P R S自相关性。此外,为保障通信容量需求,应将P R S占用的频带资源限定在一定范围内。在这种模式下采集定位信号,会使其无法连续播发,导致通信容量大幅度降低,对信号跟踪性能产生不良影响,使定位精确度下降。为此,时分码分正交频分复用(T C-O F DM)技术应运而生,该技术在通信信号背景噪声中嵌入了定位信号,这样在通信时就可以对这些信号进行高效跟踪,定位精确度也会明显提高。对比分析可知,共频带定位信号功率处于较低水平,基本不会对通信容量产生影响,其也支持一些较为高级的测距方式,具有明显的优势。3 G P P在R 1 6阶段相关的仿真发现,其定位精度在室内环境下约为0.1 2 5 m,和带内0.4 m相比,增加了6 8.7 5%。2 0 1 9年,建立了P R S的连续播发规范,这大幅改善了5 G的导航性能。2.3 通信导航间干扰的消除终端在计算延时时的主要依据是参考信号的相关峰,对链路没有明显的限定。例如,在L T E中可选择的参考信号主要包括C R S、主同步信号(P S S)等。但进一步分析可知,这类型设计的主要目的是支持数据通信,在通信过程中单纯地连接单个基站,以尽可能地降低干扰。因此,在定位过程中,终端获取的其他参考信号相对较少,不能满足解算要求。在测距过程中,伪随机序列也存在基站信号多址干扰等缺陷,为解决这种问题,传统P R S可以在通信时进行轮播播发,以此来预防干扰。P R S技术为避免强弱干扰,可适当提高频率复用因子,从而更合理地分配定位信号。2.4 多系统融合定位协议多系统融合定位可以将各种系统的优势充分融合,这对改善定位性能具有重要意义,也是目前该领域的发展重点。在通信导航融合方面,该技术尤为重要,其特征表现在协议支 持 方 面。根 据 相 关 资 料 可 知,2 G网 络 即 可 支 持G P S,而L T E网络还支持其他类型的导航方式,并可以对其进行融合,形成A-G N S S协议5。其中,典型的如基于伪卫星技术的地面信标系统,该系统的融合不受信号体制的限制,适用性较高。3 通信导航一体化技术的展望通信技术的发展,为导航和定位提供了可靠支持,5 G技术具有高速率、低延迟、低功耗等优势,可以很好地满足高精度导航的要求,对通信导航一体化系统的发展也具有促进作用。3.1 M I MO技术M I MO系统在运行过程中,可基于多个天线,独立接收和发送信号,其涉及的技术包括波束成形技术、空间复用技术等,该系统在保持带宽固定的基础上,可明显提高通信容移动信息2 0 2 3年8期 9 量。大规模M I MO对信号测量有较高的支持,可以实现角度定位功能。此外,将测角与测距技术相融合,还可以满足单基站定位的需求6。单基站定位对强弱干扰问题具有良好的处理效果,不会受到遮挡因素的明显影响。3.2 毫米波毫米波的频率为3 03 0 0 GH z,其可用带宽达到了很高的水平,是未来无线通信领域的重点。毫米波可在很小的空间内实现M I MO,这对M I MO技术的发展和广泛应用具有促进作用7。该信号的特征表现为带宽高、波长短,能使定位的准确性大幅度提升,对高精度定位目标的实现有很大的促进作用,受到了人们的广泛关注。毫米波的宽带特性明显提高了终端的多径分辨率,这种信号也存在一定的局限性,如路径损耗等。在高路径损耗的情况下,反射径的强度会大幅降低,这对解决多径干扰问题具有显著的效果。根据相关资料可知,5 G建设初期主要应用了4 5 0MH z6 GH z的信号,在短时间内毫米波还没有被广泛应用,但其依然是未来的主要发展方向之一。3.3 协同定位协同定位技术出现在无线传感器网络领域,此后在卫星导航中也受到了关注。该方法在定位过程中可测量未知位置的节点与锚节点,在复杂的环境下,为提高其定位精度,也可以选择互测量模式。5 G领域的D 2 D通信为这种技术的实现提供了可靠的支持,在定位过程中,终端之间的通信导航一体化信号可明显提高其定位结果的准确性。基于分布情况,可将其分为集中式和分布式,集中式可以在服务器端集中解算信息,分布式则可以独立计算出各自的位置。在实际应用中,主要依据计算量、时延等相关因素合理选择这两种方法。3.4 超密集网络5 G技术 可 以 通 过 小 蜂 窝、微 蜂 窝 建 立 超 密 集 网 络(UD N)。UD N系统中含有很多低功耗的小基站,这些基站通过复杂的方式组合起来,布置在火车站、商场等场所,可以满足高速通信的相关需求。UD N的高密度特性,提高了系统的定位性能。在这种条件下,视距传播的性能得到了明显改善。UD N可以对用户定位提供可靠支持,但也存在一定的局限性。例如,多个小区的时钟同步及基站干扰。调换模式可为解决这种干扰提供支持,但其会导致定位性能受到不同程度的影响8。小型基站的分布存在明显的不确定性,这会导致干扰增加,因此需要对这些问题进行深入研究,不断对其进行优化。3.5 人工智能在不断发展演变的基础上,人工智能技术已经较为成熟,且和通信、互联网、医学和计算机技术相结合,对人们的生活产生了深远的影响,对各行业的发展也起到了巨大的促进作用。目前,其在通信导航一体化领域也得到了应用,这是未来该领域的主要发展趋势之一。4 结语本文对通信导航一体化系统进行了简述,论述了其原理、关键技术和发展趋势。总体上看,通信技术对定位技术的发展有着很大的促进作用,如M I MO、毫米波、D 2 D、U D N等,都明显提高了通信的精确性,扩大了其适用范围,为通信导航一体化系统的发展打下了良好的基础。目前,在市场需求等因素的推动下,通信导航一体化技术快速发展,在智能驾驶及物联网等领域获得了应用。在未来的发展中,两者的耦合水平将不断提高,以进一步提升通信定位的性能,更好地满足复杂条件下的应用性能要求,应用前景十分广阔。参考文献1尹露,马玉峥,李国伟,等.通信导航一体化技术研究进展J.导航定位与授时,2 0 2 0,7(4):6 4-7 6.2鲁玉龙,沈海燕,张俊尧,等.智能铁路新一代移动通信关键技术探索与展望J.电信科学,2 0 2 3,3 9(1):3 0-4 1.3王磊,李德仁,陈锐志,等.低轨卫星导航增强技术-机遇与挑战J.中国工程科学,2 0 2 0,2 2(2):1 4 4-1 5 2.4刘洋.雷达与通信信号一体化测向技术研究D.成都:电子科技大学,2 0 1 7.5李轩,周逸潇,赵尚弘,等.基于线性调频的雷达通信一体化波形研究进展J.激光与光电子学进展,2 0 2 3,6 0(5):4 3-5 5.6徐小钧.基于i HC O通信卫星的导航星座优化关键技术研究D.北京:中国科学院大学,2 0 1 7.7祝曙光.卫星导航系统及产业发展趋势研究J.数字通信世界,2 0 1 0(S 1):3 4-3 6.8张光普.导航定位通信一体化系统总体技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2 0 0 8.移动信息