基于5G 新空口的感知通信一體化多波束系統(tǒng)

馮 宇，許 超，李 威，李 曦，劉 翀

（1.華中科技大學，湖北 武漢 430074；2.國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，遼寧 沈陽 110006）

如今，5G 已經結束了標準的凍結時代，逐漸進入到商業(yè)化階段，它不但在技術上為大型多投入多產出和毫米波系統(tǒng)的實際部署奠定了基礎，還對5G 技術應用于遠程醫(yī)療和虛擬現實等業(yè)務起到了推動作用。在飛速變化的通信需求和服務形式面前，無線通信技術也需要持續(xù)發(fā)展才能趕上時代的腳步。因此，目前學界已著手進行5G 技術的預研究，而在這當中許多專家和學者都將感知通信一體化技術視為極具發(fā)展前景的下一代移動通信技術。

目前，基于工程和經濟上的考慮，在不添加任何環(huán)境監(jiān)測設備的情況下，采用WSN 現有的信道估計函數進行檢測。文獻[1]設計了基于OCDM 的系統(tǒng)，該系統(tǒng)為一種新型的OCDM 雷達與通信綜合系統(tǒng)，通過菲涅爾變換得到一組正交線性信號，結合OCDM 雷達-通信聯(lián)立系統(tǒng)構成多波束狀結構；文獻[2]設計了基于時間調制陣列的系統(tǒng)結構，采用一種基于時間周期調制的多用戶通信方案，結合時間序列陣法，在空域范圍內完成多波束賦形。然而，由于上述兩種系統(tǒng)接收機是線性的，并且發(fā)射機不了解已知信道，在通信過程中會受到傳播距離的影響，存在串行干擾和噪聲，致使獲取的天線方向圖與實際數值不一致。為此，本文設計一種基于5G 新空口的感知通信一體化多波束系統(tǒng)。

1 感知通信一體化多波束系統(tǒng)硬件設計

本文通過5G 新空口多波束基站、多波束基站天線自動對準平臺以及多波束采集控制平臺三部分設計感知通信一體化多波束系統(tǒng)硬件結構。

1.1 5G 新空口多波束基站設計

由于5G 新空口與4G 網絡并存，感知通信一體化多波束系統(tǒng)硬件結構在5G 新空口中必須保持漫游連接，因此，設計5G 新空口多波束基站結構，使通信保持漫游連接。5G 新空口多波束基站結構如圖1 所示。

圖1 5G 新空口多波束基站結構

5G 新空口多波束基站可以同時接入5G 網絡和4G網絡，新的無線接入網絡采用數據采集端口和5G 核心網相連。5G 新空口能工作于單元擴展，并經由控制平面上的核心網絡來支撐5G 新空口通信[3]。在獨立模式下，5G 網絡能夠從4G 核心網中分離出來，獨立運行，為感知通信一體化多波束系統(tǒng)提供一條向下一代主干網絡轉型的路線。

1.2 多波束基站天線自動對準平臺設計

隨著地空通信距離的持續(xù)增長、高度降低以及障礙物的遮擋，多徑成分將會增大，造成感知通信鏈路的高概率失效[4]。在各個信道中，由于多信道時滯以及通過地表后折射，使各個信道發(fā)生了幅度和位相變化。針對大范圍的空域衰減，設計了多波束基站天線自動對準平臺，結構如圖2 所示。

圖2 多波束基站天線自動對準平臺結構

如圖2 所示，通過上位機發(fā)出的控制指令能夠控制感知通信信道處理單元[5-6]。它能夠360°橫向全方位覆蓋，并且可以實現多束縱向掃描[7]。采用多天線陣列結構可以使得陣列具有更強的方向性和更大的增益特性。

1.3 多波束采集控制平臺設計

基于5G 新空口技術，以安全穩(wěn)定性、統(tǒng)一性、可擴展性為基礎，建立與國網當前以及今后發(fā)展需求最相適應的多波束采集控制平臺結構，以此完成對感知通信一體化多波束信號傳輸與接收的覆蓋。在信號傳輸方面，利用共存的5G 新空口與4G 網絡，實現專用光纜承載5G 新空口多波束基站的業(yè)務回傳。多波束采集控制平臺結構如圖3 所示。

圖3 多波束采集控制平臺結構

如圖3 所示，平臺控制板ARM 處理器采用LPC2294，利用專用的驅動電路將來自某一指定邊界的業(yè)務數據傳輸至某一客戶應用服務器，實現業(yè)務的本地化，使得端對端的數據傳輸網絡的延時大幅降低[8-10]。通過該平臺可以對2 個串口進行分散訪問，并對2 個串口進行快速安全的聯(lián)動，用于采集所需信息。

2 感知通信一體化多波束系統(tǒng)軟件設計

2.1 5G 新空口多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)設計

由于雷達波束和通信波束都是定光波束，因此能實現的通信方位有限，通信方位與陣元數量、排列等因素之間存在著緊密而又復雜的聯(lián)系，很難實現任意、不依賴時間、完全自主的探測[11]?；诖?，本文采用多波束形成方法，可同時進行單次掃頻和雙次通信掃頻。多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 5G 新空口多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)

將圖4 所示陣列視為一種n元線陣，并將各單元連接在一個帶權的網絡上。每個陣元將接收到的信號劃分成m個小塊（表示用戶數目），通過不同的權重單位進行權重計算，經過加權后的信號被合成并被送往接收機。多波束賦形算法的發(fā)送方式和接收方式相似，不同之處在于其信號的傳播方向是反向的[12]。

天線方向圖函數可用如下公式表示：

式中：表示用戶1 的通信信道方向圖加權矢量；θ1表示用戶1 的信號入射方向；α表示波長。對于用戶2，選擇加權矢量獲取相應信道方向圖，用戶2 的天線方向圖函數可表示為：

2.2 基于5G 新空口編碼的多波束分解信道矩陣構建

5G NR 即5G 新空口，是基于多載波調制的一種全球性5G 標準。在5G 新空口技術下，為了實現傳感一體化通信，設計一種能將信息流傳輸到大規(guī)模天線陣列的混合時空編碼架構，在2.1 節(jié)設計的5G 新空口多波束賦形接收和發(fā)射子系統(tǒng)內，構建多波束分解信道矩陣。5G 新空口混合時空編碼架構如圖5 所示。

圖5 5G 新空口混合時空編碼架構

在圖5 所示的架構中，假定每個路徑都是獨立的，并將輸入的向量作為信道矩陣構建的特征向量，使其形成一個復高斯隨機變量[14]。2 個信號流的收發(fā)通道矩陣表示為：

式中：X=[x1,x2,…,xi]n為空間傳輸向量；E1、E2表示2 × 2的信道特征矩陣；H1、H2表示2 × 2 的天線矩陣。

基于此，在多個信號流下的5G 新空口多波束收發(fā)通道矩陣表示為：

式（4）是一個n×n的矩陣，滿足信道矩陣特征。編碼過程中會存在串行干擾，為了消除該干擾，通過QR分解能夠得到分解信道矩陣，可表示為：

對信道分解后，可減小輸出誤差。

2.3 多波束通信信道重要信號提取

在實際使用中，由于網絡結構的復雜性，導致終端僅能收到部分回波信號，因此，根據上述建立的多波束分解信道矩陣，通過對網絡結構參數的分析，獲取網絡中各節(jié)點及反射點的空間分布信息，進而對多波束通信信道中的重要信號進行提取。根據香農信道容量公式，可以對容量數據進行估算，公式為：

式中：L表示信號帶寬；S表示信噪比；lb 表示香農定理中的信道檢驗參數。以系統(tǒng)中出現的信噪比超出一定門限的概率來反映區(qū)域內各位置的干擾速率，結合所構建的天線方向圖解能夠反映區(qū)域內各節(jié)點的基本通信質量，從而為科學的頻譜資源配置提供依據[15]。因為信道的參量和位置之間存在著某種關聯(lián)，而且相鄰的兩個端點的參量之間也存在著某種相似的聯(lián)系，所以對應方塊內的圖像雖然保持了部分的局域空間關系，但仍然存在失真。為了解決這個問題，需要在一個安裝了天線的基臺上，對該地區(qū)中的全部終端裝置進行上行鏈路檢測。該方法以通道的二階初始力矩為信道重要信號的初始值，其表達式為：

由于在提取過程中，上述獲取到的多波束通信信道中的重要信號受到傳播距離的影響而存在噪聲，因此，采用基于通道映射的方法對獲取的信道重要信號μ進行校正處理：

式中：j表示信息量總數；η表示傳輸損耗指數。

3 系統(tǒng)測試

3.1 應用場景設置

在通信感知一體化環(huán)境下，傳感任務的完成往往需要一體化發(fā)射機與被感知目標之間存在一定距離。通信感知一體化在智慧交通場景中的應用設置如圖6 所示。以車聯(lián)網和無人駕駛為核心的智能交通，將借助通信感應集成系統(tǒng)來實現人、車、路的高效協(xié)作互聯(lián)。由于通信與傳感的協(xié)同作用，使得路邊單元不僅可以精確地對車輛的定位和車速進行檢測，而且還可以與其他車輛、路邊單元和行人等進行快速的信息交流，從而提高對車輛的定位和車速的識別能力。

圖6 應用場景設置

3.2 系統(tǒng)過程模擬

在持續(xù)通信狀態(tài)下，由終端進行一次數據傳送，并按照終端所傳數據使用的信道資源差異對該系統(tǒng)進行過程模擬，步驟為：

1）在發(fā)送數據之前，必須對各節(jié)點進行相應的數據分配。發(fā)送數據是由基地臺利用系統(tǒng)信息進行發(fā)送的，并且授權的資源也是在通道中完成信令分配的。

2）在使用者需要開始數據傳輸時，可以開始數據層的一虛擬程式，并且利用所配置的網絡資源給使用者發(fā)送數據，該數據包含控制信令、上行小數據。

3）在第一次發(fā)送數據傳送報文后，終端機將處于無線資源的連續(xù)控制中。通過基地站的操作，能夠使得兩個平臺之間的小型數據在上行與下行之間連續(xù)地進行傳輸。

4）通常在基地臺向終端發(fā)送信息時，由無線電資源控制信息結束數據傳輸程序，且受到該信息的影響，也會出現異常狀況而結束數據傳送程序。

3.3 實驗結果與分析

理想多波束成形是向中心點聚攏的，以輸入4 × 4的信道矩陣為例，分別使用基于OCDM 的系統(tǒng)、基于時間調制陣列的系統(tǒng)和基于5G 新空口多波束系統(tǒng)，對比分析多波束成形情況，結果如圖7 所示。由圖7 可知，只有使用基于5G 新空口多波束系統(tǒng)多波束成形是向中心點聚攏的，其余兩種系統(tǒng)多波束成形呈分散狀態(tài)，與理想成形效果不符。三種系統(tǒng)的波束法向方向圖如圖8所示。由圖8 可知：使用基于OCDM 的系統(tǒng)在不同角度下，天線方向圖與理想圖未完全重合，其天線方向最大值為-30 dB；使用基于時間調制陣列的系統(tǒng)結構天線方向圖與理想圖未完全重合，其天線方向最大值為-10 dB；使用基于5G 新空口多波束系統(tǒng)與理想圖完全重合，其天線方向最大值為0。

圖7 不同方法多波束成形效果對比分析

圖8 不同方法波束法向方向圖

4 結 語

本文設計一種基于5G 新空口的感知通信一體化多波束系統(tǒng)，構建一個以5G 新的空中端口、多波束賦形、多波束控制、多通信固定、通信效能為基礎的多波束分解信道矩陣，既兼顧了對數據的要求，又兼顧了對多波束通信信道重要信號的提取，是一種實用的系統(tǒng)。實驗結果表明，該系統(tǒng)可以在不受干擾的情況下完成通信工作，也證實了大規(guī)模系統(tǒng)能夠進行多波束協(xié)同通信。