论文精读：关于导通一体的信号新颖设计及分析
英文标题：A Novel Signal Design and Analysis for Navcom
中文标题：一种导通一体化信号设计分析
作者：Ji Jing，Chen Wei，Liu Yuting，Du Luyao，Lu Hongyang
一、背景简介
北斗三号全球系统已于2020年完成全球部署和联网服务（图1），而北斗三号之后, 国家综合定位、导航、授时体系（PNT）的工作也被提上日程，即2030年将构建成一个以北斗系统为核心，弹性、泛在的国家综合PNT体系（图2）建成天地一体、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系，显著提升国家时空信息服务能力，满足国民经济和国家安全需求，为全球用户提供更为优质的服务。
图1. 北斗三号全球系统
图2. 国家综合PNT体系
构建PNT体系中的众多关键技术之一是导通融合（Navcom）, 即实现用户在信息增强、信号协同和体制融合三个层面实现融合（引自: 蔚保国, 等. 通导一体化概念框架与关键技术研究进展[J]. 导航定位与授时, 2022,9(2):14.），如图3所示，而这恰好也与通信领域5G / 6G中提出的通感一体化（ISAC）不谋而合，如图4所示。
图3. 导通一体化设计的三大关键技术
图4. 通感一体化的融合
从信号体制融合的角度来说，需要在保证定位导航性能的基础之上，向通信信号方向融合，众多国内外专家为此做出了突出的贡献，图5为引用的部分专家的成果，仅供参考。
图5. 通感一体化的融合
二、研究动机
对一个具备工程实现意义的泛在导通一体的信号设计，除了大家所关注的信号各项性能外，还需考虑三方面的问题：一是应用载具，需考虑到泛在覆盖性，因此卫星是不二选择，而考虑到电离层误差和传输延时等问题，近一步将搭载目标缩小到更为小型化、轻量化的LEOs，甚至是软件定义卫星；二是设计信号需载波频点与带宽，BDS-2在S频段2483.5MHz~2500MHz已有RDSS /MSS服务，占据频谱资源优势；三是设计信号需与现有信号体制平滑过渡，目前我国无线移动通信信号体制大多采用OFDM，因此OFDM类信号将是目前最适合进行平滑过渡的信号。
图6. 具备工程实现意义的泛在导通一体的信号设计
图7. 泛在通导服务应具有广覆盖的特点
作为已被授权的GNSS导航频段之一，S频段中2483.5MHz~2500MHz随着授权频谱资源的紧张，更显得珍贵，同时相较于传统L频段在收敛时间、雨衰、电离层延迟、天线尺寸、天线增益等方面更有优势，同时，随着软件无线电在卫星载荷和接收机上即将全面应用，传统上发射机/接收机的成本问题几乎可以被忽略不计，此外这个频段耦合了多个无线通信系统信号的现实，为导航通信在信号层面的融合设计提供了机会。上述因素让我们将更多的注意力放在具有S潜力的频段。
表1. S频段2483.5MHz~2500MHz频率范围内系统及信号情况
|
类型 |
系统 |
频段一致 |
带宽 |
调制方式 |
|
天基源 |
BDS-RDSS |
✔ |
16.5 |
BPSK (4) |
|
IRNSS |
✔ |
16.5 |
BPSK (1) |
|
|
BOCs (5,2) |
||||
|
Globalstar |
✔ |
16.5 |
SRC (0.2,1) |
|
|
地基源 |
TD-LTE 第41频段 |
2496~2690 |
20 |
QPSK/OFDM |
|
TD-LTE 第53频段 |
子集 |
11.5 |
QPSK/OFDM |
|
|
WiMAX |
2496~2690 |
1.75~20 |
OFDM |
|
|
Wi-Fi 第14通道 |
2473~2495 |
22 |
DSSS/OFDM |
|
|
FS |
2450~2690 |
MSK/QPSK |
||
|
规划 |
Galileo规划 |
✔ |
Chirped BPSK (1) |
图8. 泛在通导系统应该与现有系统兼容
表1和图8 引用自：Ji J, et al.: A SRC-like Signal Design and Performance Analysis in S Band. In: 16th Proceedings on IAIN World Congress, pp. 1-7. Chiba, Japan (2018).
泛在通导一体信号需要与现有体制平滑过渡，OFDM则可算是首选，它的应用领域可广泛覆盖Wi-Fi，4G/5G，水声，短波等。
图9. OFDM-泛在通导系统信号与现有体制平滑过渡时的最大公约数
三、提出方案
1. 模型
图10. 信号生成模型
2. 公式
3. 性质
图11. 归一化功率谱密度函数
图12. 自相关函数
四、性能分析
1. 评估指标体系
引用 唐祖平, 周鸿伟, 胡修林,等. Compass导航信号性能评估研究[J]. 中国科学：物理学、力学、天文学, 2010(5):11.
引用 姚铮, 陆明泉. 新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术[M]. 电子工业出版社, 2016.
图13. 导通一体信号设计的性能评估指标
2. 精度潜力
图14. 码跟踪误差
图15. Gabor带宽
3. 兼容性
图16. 目标频段中扩频信号见的SSC评估指标
图17. 目标频段中扩频信号见的CT-SSC评估指标
4. 抗多径能力
图18. 所提出信号的多径误差性能
图19. 所提出信号的平均多径误差包络
5. 抗干扰能力
图20. 所提出信号的抗干扰性能指标
6. 频谱复用能力
- 同样带宽下，可容纳更多的子载波；
- 信号的归一化功率谱密度函数相较要求更低，更高效；
图21. 归一化功率谱密度函数
7. 频谱复用能力
图22. STK仿真结果
Cited by Ji J. A Novel Signal Design and Performance Analysis in NavCom Based on LEO Constellation[J]. Sensors, 2021, 21.
五、结论与展望
结论：CE-MU-OFDM-PM可作为导通融合的潜在信号源，在LEOs载荷甚至空基载荷上实现工程化验证提供依据，为北斗未来具有竞争力的潜在信号方案，同时也可为未来便携式PNTC终端的发展提供研究理论基础。
不足：（1）信号频点仅在S频段验证；（2）指标不完善：信道，相对移动…；（3）所设计信号缺乏与TC-OFDM，OTFS等方案的各项性能对比；（4）工程角度，信号复杂度…；
展望：
泛在、PNTC、可信PNT、机会信号
六、主要参考文献
[1] Yang Yuanxi et al. PNT intelligent services[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2021,50(8), P.1006-1012.
[2] Liu Jingnan et al.: Development and Trends of Marine Space-Time Frame Network [J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University 44(1):17-37 (2019).
[3] Liu Jingnan et al.: Role, path, and vision of “5G + BDS/GNSS” [J]. Satellite Navigation 1(1):1-8 (2020).
[4] Li Deren, et al.: On Civil-Military Integrated Space-Based Real-Time Information Service System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University 42(11),1501-1505 (2017).
[5] 杨元喜. 弹性PNT基本框架[J]. 测绘学报, 2018,47(7):6.
[6] 蔚保国, 鲍亚川, 杨梦焕,等. 通导一体化概念框架与关键技术研究进展[J]. 导航定位与授时, 2022,9(2):14.
[7] 邓中亮, 王翰华, 刘京融. 通信导航融合定位技术发展综述[J]. 导航定位与授时, 2022,9(2):11.
[8] 李军峰, 刘进. 一种LEO-S频段星地链路传输体制研究[J]. 现代导航, 2017,8(2):5.
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