0 引言

    在地鐵、地下停車場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境中，常需要獲取移動(dòng)終端、設(shè)施與物品的位置信息，由于通信信號(hào)極易受到大地層對(duì)電磁波反射、折射所帶來的多徑衰減，因此對(duì)地鐵穿地通信技術(shù)的研究為最終實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、地下定位技術(shù)提供有力的技術(shù)支持^[1]。

    唐彤彤等人提出基于PSO-GA的Kriging插值法建立透地通信分層地層媒質(zhì)模型，通過有層次性地完成兩次PSO和GA算法的信息交換，進(jìn)一步對(duì)算法的收斂速度和穩(wěn)定性進(jìn)行了提高^[2]。王鵬等人對(duì)無線穿地通信天線的電磁特性進(jìn)行探索，研究表明天線水平放置比豎直放置產(chǎn)生了較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度^[3]?，F(xiàn)有的穿地通信系統(tǒng)幾乎全部應(yīng)用于礦井，而對(duì)于城市地鐵環(huán)境的穿地通信技術(shù)的研究甚少^[4]。其次，在地鐵穿地通信系統(tǒng)中，信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到電磁波反射和折射帶來的多徑衰減^[5]。

    對(duì)于直接序列擴(kuò)頻(簡(jiǎn)稱直擴(kuò)，DSSS)而言，其擴(kuò)頻碼的自相關(guān)函數(shù)具有明顯的峰值特征^[6]。當(dāng)多徑信號(hào)的傳輸延時(shí)小于單位擴(kuò)頻碼元的寬度時(shí)，多徑信號(hào)與有用信號(hào)進(jìn)行相互疊加，可以將其看作有用信號(hào)的一部分^[7]。此時(shí)，多徑信號(hào)僅對(duì)信號(hào)的幅度造成影響，而不會(huì)引起信號(hào)碼元的展寬或壓縮，這是因?yàn)榕c信息碼元寬度相比，信息碼元寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多徑傳播時(shí)延^[8]。所以，不影響系統(tǒng)的傳輸。當(dāng)多徑延時(shí)大于單位擴(kuò)頻碼元寬度時(shí)，擴(kuò)頻碼的傳播速率與多徑傳播延時(shí)的乘積為零，表明了多徑信號(hào)與所期望的接收信號(hào)不相關(guān)，因此擴(kuò)頻接收機(jī)在進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)將其當(dāng)作噪聲而被抑制^[9]。本文將直接序列擴(kuò)頻引入地鐵穿地通信系統(tǒng)中，對(duì)擴(kuò)頻碼發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用MATLAB/Simulink對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。

1 穿地通信系統(tǒng)模型的建立

1.1 直接序列系統(tǒng)抗多徑原理

    在地鐵穿地通信系統(tǒng)中，通信信號(hào)極易受到大地層對(duì)電磁波反射、折射而產(chǎn)生多徑衰落，因?yàn)樾盘?hào)傳播路徑的不同，將會(huì)導(dǎo)致傳播延時(shí)的不同。不同路徑的信號(hào)相互疊加，會(huì)發(fā)生頻率選擇性衰落的現(xiàn)象，導(dǎo)致所接收的信號(hào)發(fā)生不同程度的失真和波形展寬現(xiàn)象^[10]，從而引起通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤碼率甚至使通信中斷^[11]。設(shè)發(fā)射信號(hào)為：

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本文采用DSSS技術(shù)對(duì)地鐵穿地通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。根據(jù)1.1節(jié)的分析，Logistic碼具有自相關(guān)特征，只有當(dāng)接收端的偽碼與本地偽碼相位一致時(shí)，其相關(guān)峰值最大^[11]。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)置一個(gè)比較門限，當(dāng)峰值大于比較門限時(shí)，說明偽碼相位已達(dá)到一致，本文門限值設(shè)置為0.9。

    設(shè)擴(kuò)頻調(diào)制前的信號(hào)為x(n)，Logistic偽隨機(jī)碼為PN(n)，用x(n)PN(n)來表示擴(kuò)頻調(diào)制后的信號(hào)，S_la(n)為調(diào)制后的信號(hào)（即為發(fā)射端輸出的信號(hào)），則：

式中，S為數(shù)據(jù)信號(hào)的功率。

    信號(hào)在地鐵穿地中傳播時(shí)，會(huì)受到其他信號(hào)和噪聲的干擾。因此，有用信號(hào)會(huì)產(chǎn)生傳播時(shí)延和耗損。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略通信信號(hào)傳播過程中的時(shí)延和耗損。因而，進(jìn)入接收端的數(shù)據(jù)信號(hào)可表示為：

式中，S_re(n)為所接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)，J(n)為多徑衰減，N(n)為噪聲。

    接收端接收的信號(hào)S_re(n)進(jìn)入接收機(jī)后經(jīng)過窄帶濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、門限值比較以及解擴(kuò)等過程即可恢復(fù)發(fā)射端傳送的信息。由于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是線性的，因此，可以利用線性疊加的原理分別求出S_re(n)中各項(xiàng)的相應(yīng)輸出，最后求出總響應(yīng)。在此，僅對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行分析。在分析有用信號(hào)時(shí)，假設(shè)信道中干擾信號(hào)和噪聲為零，上式可化簡(jiǎn)為：

    經(jīng)過數(shù)字濾波器運(yùn)算后可知輸出S_DM(m)為：

1.3 擴(kuò)頻碼序列設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)選用具有高度隨機(jī)性的Logistic碼作為地鐵穿地通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。由其映射動(dòng)力方程獲得所需的擴(kuò)頻碼，該方程運(yùn)算獲得的碼序列具有零均值碼，并且具備優(yōu)良的自相關(guān)特性。Logistic映射動(dòng)力方程定義為：

其中，μ稱為分枝參數(shù)，當(dāng)x_n∈(0，1)且當(dāng)3.569 945 6<μ≤4時(shí)，該映射表現(xiàn)為混沌工作的狀態(tài)。

    選取兩個(gè)不同初值x₀，在式(15)的作用下，運(yùn)算后得兩組擴(kuò)頻碼，具有發(fā)散、互不相關(guān)的特性，且對(duì)初值極其敏感。

    式(15)中，通過運(yùn)算所得碼序列的概率密度函數(shù)ρ(x)為：

    由于碼序列的概率密度函數(shù)ρ(x)不依賴于初值x₀，因此表達(dá)式(15)、式(17)所描述的系統(tǒng)具備各態(tài)歷經(jīng)性。由概率密度函數(shù)ρ(x)可知，ρ(x)關(guān)于偶對(duì)稱，所以式(15)和式(17)所產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列的均值分別為0.5和0。由上述推導(dǎo)可知，通過Logistic映射方程運(yùn)算而得到的擴(kuò)頻碼序列具有與白噪聲一致的統(tǒng)計(jì)特征，并且對(duì)所輸入的初始值極其敏感。用戶只要對(duì)初始值進(jìn)行細(xì)微的改變，都將會(huì)產(chǎn)生截然不同的擴(kuò)頻碼序列。

    根據(jù)式(16)，設(shè)計(jì)出如圖2所示的Logistic擴(kuò)頻碼產(chǎn)生器的仿真模型。通過給方程一個(gè)初始值x₀，可獲得第一次運(yùn)算的結(jié)果；將該運(yùn)算的結(jié)果回饋給輸入端，作為第二次計(jì)算的初值。以此類推，將前一次的運(yùn)算結(jié)果作為后一次運(yùn)算的初始值，可獲得一組高度隨機(jī)的擴(kuò)頻碼，最后經(jīng)過波形變換，可獲得所需擴(kuò)頻序列。

    假設(shè)產(chǎn)生Logistic擴(kuò)頻序列的初值x₀=0.6，分枝參數(shù)為3.66，之后的每次計(jì)算都是把前一次計(jì)算的結(jié)果作為下一次計(jì)算的初值。將常數(shù)1、2、3的值分別設(shè)置為0.6、-0.6、-0.3，在這里0.6為第一次計(jì)算的初值，通過常數(shù)3將函數(shù)Fcn模塊輸出的結(jié)果變換到[-1，1]，以便于通過Sign函數(shù)將結(jié)果變換到[0，1]區(qū)間。Fcn模塊是用戶根據(jù)所設(shè)計(jì)的計(jì)算模型，可以進(jìn)行自定義的模塊。由于所設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻序列發(fā)生器建立在方程式(13)的基礎(chǔ)上，因此將Fcn中自定義函數(shù)設(shè)置為映射方程，最終可得到Logistic擴(kuò)頻碼序列。

2 仿真與分析

2.1 仿真模型建立

    通過可視化工具Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建，并對(duì)時(shí)域信號(hào)波形及誤碼率進(jìn)行分析。系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

2.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

    本文通過引入DSSS技術(shù)，對(duì)地鐵穿地通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)采用 Logistic 擴(kuò)頻碼。所設(shè)計(jì)的地鐵穿地通信系統(tǒng)如圖3所示。在圖3中，信號(hào)處理的過程如下：

    (1)信源：為簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，本設(shè)計(jì)采用隨機(jī)序列產(chǎn)生器，產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)作為信源輸入；

    (2)Logistic序列發(fā)生模塊：初值x₀=0.6，分枝參數(shù)μ=3.66；常數(shù)模塊的值分別設(shè)置為0.6，-0.6，-0.3。

    (3)在發(fā)射端，信源經(jīng)過16-PSK調(diào)制生成的相應(yīng)的已調(diào)信號(hào)與擴(kuò)頻碼產(chǎn)生器輸出的Logistic碼進(jìn)行相乘，實(shí)現(xiàn)DSSS擴(kuò)頻過程。

    (4)多徑衰減信道是大地層，在仿真中用Attention模塊來模擬，通過改變模塊的參數(shù)分別對(duì)不同的介質(zhì)進(jìn)行仿真；噪聲干擾主要為高斯白噪聲，由AWGN模擬。

    (5)在接收端，實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)并恢復(fù)原始信號(hào)。其過程是：將接收信號(hào)與本地Logistic碼進(jìn)行相乘，使得寬帶信號(hào)變換至一個(gè)較窄的頻帶內(nèi)；當(dāng)峰值超過門限值0.9時(shí)，即可輸出解擴(kuò)信號(hào)；對(duì)解擴(kuò)后的信號(hào)，進(jìn)行16-PSK解調(diào)，將信號(hào)從頻帶變換到基帶，最終獲得原始信號(hào)。

2.3 仿真結(jié)果及分析

    為了驗(yàn)證地鐵穿地通信系統(tǒng)的有效性及抗多徑干擾性，對(duì)各仿真模塊的參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行仿真，觀察通信系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個(gè)階段的信號(hào)波形。仿真結(jié)果如圖4所示。將圖4（a）和圖4（f）進(jìn)行對(duì)比分析，在接收端恢復(fù)出的信息信號(hào)圖4 (f)與信源信號(hào)圖4(a)基本一致。

    設(shè)置仿真時(shí)間為1 s，即發(fā)送1 000個(gè)碼元。在高斯信道默認(rèn)參數(shù)的情況下，調(diào)節(jié)Attention的衰減幅度，并用MATLAB仿真出在不同的傳輸介質(zhì)中誤碼率與信噪比的關(guān)系圖，如圖5所示：在地鐵穿地穿地?zé)o線信道中，存在嚴(yán)重的多徑干擾。通過仿真分析，在3種不同傳輸介質(zhì)中（干土、混泥土、濕土），系統(tǒng)的誤碼率約為10^-3。因此從波形恢復(fù)情況和系統(tǒng)的誤碼率分析，都可以驗(yàn)證基于直接序列擴(kuò)頻的地鐵穿地通信系統(tǒng)有著較強(qiáng)的抗多徑干擾能力。

    如圖6所示，描述了在恒定的發(fā)射功率條件下，基于擴(kuò)頻技術(shù)的地鐵穿地通信系統(tǒng)的誤碼率性能隨著穿地深度的變化關(guān)系圖?？梢钥闯觯诖┑厣疃刃∮?00 m時(shí)，隨著穿地深度的增加，通信系統(tǒng)的誤碼率上升速率趨于0。因此，只需將系統(tǒng)的發(fā)射功率進(jìn)行小幅度提升，即可完成地下100 m的穿地通信需求。

3 結(jié)論

    在地鐵穿地通信系統(tǒng)中，針對(duì)大地層對(duì)信號(hào)反射、折射所產(chǎn)生的多徑衰減，設(shè)計(jì)了一種基于直接序列擴(kuò)頻的地鐵穿地通信系統(tǒng)。由于Logistic碼具有高度隨機(jī)性，將其作為擴(kuò)頻碼，建立了抗多徑干擾穿地通信系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)的誤碼率在不同的傳輸介質(zhì)中接近于10^-3；并隨著穿地深度的增加，誤碼率隨之上升，且上升速率趨于0。因此，基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的地鐵穿地通信系統(tǒng)有著較強(qiáng)的抗多徑干擾能力，為以后近地穿地通信提供一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈雨龍，李鳳霞，陶晉宜，等.礦層無線透地系統(tǒng)中甚低頻電磁波的傳播特性[J].工礦自動(dòng)化，2015，41(9)：31-33.

[2] 唐彤彤，楊維，邵小桃.基于PSO-GA的Kriging插值法建立透地通信分層地層媒質(zhì)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(11)：2913-2920.

[3] 王鵬，陶晉宜，賈雨龍.基于FEKO無線透地通信天線電磁特性的探究[J].微波學(xué)報(bào)，2016，32(1)：70-74.

[4] 田西方，李云波，肖勇，等.礦用本安型無線透地通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016，42(10)：44-47.

[5] 鄭鵬，劉政豪，魏玉科，等.HTcSQUID低頻通信接收機(jī)和穿墻通信接收實(shí)驗(yàn)[J].物理學(xué)報(bào)，2014，63(19)：400-408.

[6] YAN L，WAYNERT J A，SUNDERMAN C.Measurements and modeling of through-the-earth communications for coal mines[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49(5)：1979-1983.

[7] ZEMMOUR H，BAUDOIN G，DIET A.Soil effects on the underground to aboveground communication link in ultra wide-band wireless underground sensor networks[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2016，16(1)：218-221.

[8] BATALLER V，MUNOZ A，GAUDO P M，et al.Electrode impedance measurement in through-theearth communication applications[J].Iet Microwaves Antennas & Propagation，2012，6(7)：807-812.

[9] SUN J，TIAN Y，GENG W，et al.Design of wireless communication system based on conduction current field through the earth[C].International Conference on Wireless Communications, NETWORKING and Mobile Computing.IET，2014：260-263.

[10] 康家方，王紅星，趙志勇，等.新的擴(kuò)頻通信調(diào)制方法[J].通信學(xué)報(bào)，2013(5)：79-87.

[11] 蘇毅，許澤瑋，駱科東.基于FDTD的電磁波透地通信分層傳輸模型數(shù)值計(jì)算[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(4)：123-126.

[12] 陳志剛，梁滌青，鄧小鴻，等.Logistic混沌映射性能分析與改進(jìn)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2016，38(6)：1547-1551.

作者信息：

曾佳佳，蘇  中，李  擎

（北京信息科技大學(xué) 高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101）