一种面向宽带无线通信的远程分布式MIMO信道仿真系统设计

贾国庆， 陈善继， 陈 超， 纪小红

(青海民族大学 物理与电子信息工程学院， 西宁 810007)

一种面向宽带无线通信的远程分布式MIMO信道仿真系统设计

贾国庆， 陈善继， 陈 超， 纪小红

(青海民族大学 物理与电子信息工程学院， 西宁 810007)

在MIMO信道仿真技术需求分析的基础上，选用通用的测试仪表构建并优化2×2 MIMO半实物硬件信道仿真平台，实现了模拟无线信道和MIMO信道模型的验证；研制了分布式远程信道仿真系统软件，进而设计了面向宽带无线通信的远程分布式MIMO信道仿真系统,实现了远程分布式用户的信道仿真请求预处理、执行与结果的发布。通过对用户的远程分布式信道仿真服务，证明了本仿真系统有效地实现了高效、多场景、低成本的MIMO信道仿真。

宽带无线通信； 远程； 分布式； 多输入多输出； 信道仿真

0 引 言

随着多媒体、宽带等高速业务的迅猛发展，对高速率无线接入的需求永无止境，而无线频谱资源却相对匮乏。充分提高有限频谱资源的利用率迫在眉睫。利用传统办法增加系统容量的空间已很小，而代价却不菲。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术提供了新的研究方向，即空间特性的有效应用。利用无线传播信道的空间特性可以在不增加发射功率和不占用带宽的条件下极大地提高数据传输速率。

当前，MIMO技术已经成为宽带无线通信系统的关键技术之一[1]。在理论研究的基础上，随着各种下一代移动通信协议的极力推广，国际上已积极构建MIMO实验平台进行了广泛的现场测试与评估，不断推动MIMO技术的发展。MIMO无线传播信道模型也变得越来越规范化。3GPP/3GPP2的空间信道模型(SCM)和扩展后的SCME模型(100 MB带宽，5 GHz频率)[2-3]，WINNER项目的WP5信道模型[4]，COST 2100信道模型[5-6]等。UWB信道模型[7-8]以及室内的统计时空信道模型(60、70 GHz频率)[9]等。

MIMO信道在提高发送数据速率的同时，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，整个MIMO信道可以表示为发送天线数和接收天线数的乘积个独立信道，但是事实上，这些信道又相互干扰，而且在接收端难以区分，由此造成MIMO信道的测试困难。

传播信道是无线通信的传输媒介，其性能的优劣直接决定着通信质量。要想在有限的频谱资源上尽可能地提高通信质量，且大容量地传输有用信息，就需要清楚地掌握传播信道的空-时-频等多维度细致特性，研究宽带信道传播特性可以更大限度的利用信道响应信息[3]，根据传播信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落等优化措施，来保证传输高质量和大容量的要求。因此，实现未来宽带移动通信(4GB、LTE等)的一个重要环节，即宽带无线传播信道的高精度测试。

另一方面，测试作为技术演进与实现的重要过程，对于关键技术的研究与通信产品的开发都很重要。针对未来无线通信系统的测试特点，思博伦(SPIRENT)公司的信道仿真器(SR5500、VR5)和Elektrobit Testing公司推出多信道仿真器Propsim C8、F8等面向MIMO的信道仿真器。它们适合于采用MIMO算法的研究、开发和测试，以及相关产品集成和验证测试。这些信道仿真仪可以通过先进的用户界面提高测试效率，降低人工干预测试过程的影响，并可以控制仪表的寄生效应。同时，伴随着无线通信的快速发展，各个研究单位也在科研过程中积累了大量的测试技术资源。这些资源除了很好地满足项目研究需要外，还可以对其他科研、产业、高校和企业的研发有促进作用。因此，本文通过设计远程分布式的测试技术，并集合MIMO信道仿真系统的构建，可以探索并尝试出一条科研资源更好服务产业的应用模式。

1 MIMO信道仿真技术要求

在进行MIMO仿真时，信道仿真设备必须产生精确和符合实际的信道响应，才能对MIMO通信系统的性能做出客观的评估。首先，仿真系统的各项参数，如各信道和路径之间的相位误差、幅度分配误差和时延误差，各信道间的相关性设置以及计算得到的相关矩阵的精度等都会影响测量的真实效果。其次，仿真设备的同步和工作稳定性也会对测量结果造成很大影响。当然，信道仿真设备所使用的信道模型必须真实反映MIMO信道的时空特性和多径衰落效应。另外，实际信道测量结果表明各MIMO子信道间具有不同程度的相关性，而不是理想条件下的完全独立情况。因而在实际测试时也要考虑这种相关性来保证系统性能测试的准确度和可信度。

(1) 时延精度。在实际信道环境中，高频无线信号通过很多路径进行传输，以不同的空间方位角和不同的时延到达接收端。相对路径时延的仿真精度对TX/RX天线阵列(智能天线)的评估尤其重要。这是确保信号分配和组合准确性的先决条件。因而逻辑上就要求仿真器设计尽可能紧凑，信号的处理和传输尽可能在仪器内部实现。

(2) 相位精度。多信道和多路径信号间的相对相位精度是MIMO信道仿真中的一个关键因素。

(3) 功率分布精度。若进行天线阵列的波束赋形方面的研究，对功率分布精度的要求尤其明显。

(4) AWGN噪声源。噪声源是MIMO仿真的另一个需求，仿真测试过程中要精确测试信号和噪声功率、精确设定信噪比(SNR)。

(5) 干扰源。在无线系统中，存在各类干扰源。而且越来越多的无线系统的应用对需要考虑的干扰信号类型和数量要求越来越高。不仅要精确定义干扰信号的类型和强度，而且在宏观上，运营商的网络规划人员也需要全面考虑目前和将来的无线系统中所面临的干扰信号及其各种干扰信号对通信系统的影响。

(6) 信道相关性。MIMO信道仿真中一个最重要的方面就是要能够调整和设定不同衰落信道及不同衰落路径间的相关系数，设定完整复杂的相关矩阵，对智能天线和波束赋形技术尤其有用。

2 半实物硬件信道仿真环境的搭建

远程分布式MIMO信道仿真系统中半实物2×2 MIMO信道仿真平台构建采用软硬件集成的方案，即合理配置仪器连接，通过软件控制实现多通道宽带信号的产生与接收，并实现信号的采集与存储。2×2 MIMO信道仿真平台方案图如图1所示。

2.1 模块功能设计

(1) 发射机模块。利用软件产生宽带MIMO数字信号，软件可根据测试需要设计相应的信号产生设计文件，并可以按照需求设定载频、信号带宽、发射功率、信号帧格式等参数。

图1 2×2 MIMO信道仿真平台方案图

(2) 接收机模块。MIMO接收机包括了分集接收模块、信道估计模块、均衡模块等，这些模块均是系统能否正常工作的关键。通过这些模块接收MIMO信号进行处理，并从中提取出信道冲激响应。

2.2 详细功能设计

以下分MIMO信号产生和MIMO信号接收两部分介绍宽带无线传输性能测试平台的收发机功能。

2.2.1 发射机设计

MIMO信号产生分2步完成。

(1) 利用ADS产生宽带MIMO数字信号。ADS可以根据测试需要设计相应的信号产生设计文件，并可按需求设定载频、信号带宽、发射功率、信号帧格式等参数，如图2所示。

图2 ADS产生MIMO信号的设计图

(2) 合理配置多台信号发生器搭建MIMO信号源。在本次搭建的平台中采用了2台ESG信号源，将其中的一台作为主信号源(Master)，另一台作为从信号源(Slave)，如图3所示。具体配置为：① Clock时钟同步。采取Master的10 MHz Clock信号输出给Slave的同步方法；② Trigger触发输出。Master设置为连续触发，Slave设置为由Master触发，同时Master的触发信号输出给接收机；③ ESG的LAN设置为与运行ADS的PC同一子网地址。

待测试仪器连接和配置完成后，运行ADS程序，利用仪器连接功能，将需要的MIMO数字信号下载到ESG信号源中，再由信号源生成调制信号并上变频至射频信号发射出去。

图3 多台ESG产生MIMO信号的实物图

2.2.2 接收机设计

MIMO信号接收分3步完成。

(1) 利用双通道的下变频器和本振源将2路RF信号下变频至70 MHz的IF信号，输入到双通道矢量信号分析仪VSA中，如图4所示。

图4 利用VSA采集MIMO信号的实物图

(2)利用89601A矢量信号分析软件采集VSA的数据，利用89601A软件可以配置VSA的参数，如采样率、采样分辨带宽、采样精度、采样时长、信号带宽等参数，合理的配置参数后，我们可以看到信号的时/频域图，如图5所示。

图5 89601A采集MIMO信号的时域图

(3) 利用ADS设计MIMO接收机的系统框图，如图6所示。利用仪器连接功能，ADS从89601A软件读取采集数据，经过处理运算，可提取需要的结果文件，如MIMO信道测试数据。

图6 ADS接收MIMO信号的设计图

2.3 系统配置环境

根据图2所示的设备选型方案，选用如表1所示设备作为“半实物2 X 2MIMO信道仿真平台”搭建I期方案的测试仪器。

表1 “半实物2×2 MIMO信道仿真平台”I期方案设备选型表

通过合理的配置时钟信号和触发信号，以及仪器的设置，构建并完成平台搭建方案。该平台经实测证明可进行2×2 MIMO宽带无线信号传输测试，在该方案中，MIMO信号采用多通道示波器进行接收和采集，由于受示波器采样深度的限制，当信号载频达到3 GHz以上时，接收机的数据采样时长不足以满足信号处理分析。

为此，对平台进行了优化并设计了“半实物2×2 MIMO信道仿真平台”II期方案。该方案利用了双通道矢量信号分析仪(VSA)替代示波器进行MIMO信号的采集与存储，同时，在VSA之前增加一个双通道下变频器将RF信号变为IF信号以满足采集需求，这样就可以利用VSA的深存储功能实现足够时长的信号采集。“半实物2×2 MIMO信道仿真平台”II期方案的设备选型如表2所示。

3 分布式远程信道仿真平台的构建

3.1 架构设计

目前，尽管各院校分别为研究的需要，建设各种仿真验证平台，但这种测试平台的建设多数是基于软件环境的，因此，仿真验证的功能也相对单一，效率有限。

表2 “半实物2×2 MIMO信道仿真平台”II期方案设备选型表

分布式远程信道仿真平台(见图7)的构建对远程MIMO信道仿真的关键技术进行重点研究，并建立半实物的硬件信道仿真环境，使远程客户终端能够实现并完成所需仿真验证功能。

图7 分布式远程信道仿真平台架构设计示意图

3.2 功能设计

分布式远程信道仿真平台总体架构如图8所示，其功能主要包括：① 分布式远程用户的MIMO信道仿真功能：面向TD-LTE发射机性能的验证，信道建模关键技术的仿真与验证；② 用户仿真相关信息的存储与检索功能；③ 仿真请求的队列管理与调度功能；④ 半实物信道仿真平台的控制与采集功能。

图8 分布式远程信道仿真平台总体结构组成图

3.3 应用描述

(1) 用户注册。① 用户通过WEB页面填写用户信息，确认后提交；② 根据用户提交的邮箱发送回执邮件，等待用户激活帐号(或通过人工电话方式确认)；③ 用户点击回执邮件中的连接，激活用户帐号。

(2) 平台应用： ① 用户登录平台。② 用户按照仿真平台的要求，提交仿真请求(如：中心频点、带宽、信号类型及调制方式等；信道模型可选择标准模型，也可上传自定义Matlab信道模型等)。③ 仿真平台核实仿真请求：ⓐ 通过后，平台将该用户的仿真请求送入待仿真队列，并发送回执通知用户仿真请求已受理，并告之本次仿真的时间；ⓑ 若仿真请求内容有误，则发送回执通知用户核实并修订仿真请求。④ 仿真完毕后，发送邮件通知下载仿真数据的时间。⑤ 用户收到邮件后，登录平台下载仿真数据。⑥ 结束本次仿真过程。

4 分布式远程信道仿真平台的系统软件设计

分布式远程2×2信道仿真平台的系统软件是为了方便企事业单位、科研院所充分利用科研测试设备而开发的共享平台，它的基本功能就是提供基于远程分布式的信道测试。其软件功能整体结构见图9，该分布式远程信道仿真平台系统软件分别由用户注册模块、仿真请求申请模块、管理员对用户、仿真请求审核管理模块、仿真请求程序执行模块及结果发放模块组成，如图10～14所示。

图9 整体结构图

图10 用户注册流程图

图11 用户仿真请求申请流程图

图12 管理员审核流程图

图13 分布式2X2信道仿真测试流程图

图14 仿真请求结果发放流程图

5 结 语

目前，国内许多单位可进行对2G、3G、LTE以及5GB宽带无线通信系统的关键技术验证及研发过程的测试工作，但是验证与测试工作相对比较分散，且仅以服务自身项目的研究与技术实施的需要，无法较好地实现面向产业领域内企业的产品研发阶段的测试与关键技术验证的有效服务。另一方面，各研究单位虽然在科研过程中积累了大量的测试技术资源，这些资源目前主要仅为了满足项目研究需要，不能更好地服务企业、服务产业。

本文在MIMO信道仿真技术需求分析的基础上，选用通用的测试仪表，构建并优化了2×2 MIMO半实物硬件信道仿真平台，实现了模拟无线信道，MIMO信道模型的验证。通过引入远程分布式架构，研制了分布式远程信道仿真系统软件，进而构建了远程分布式MIMO信道仿真系统，实现了远程分布式用户的信道仿真请求预处理、执行与结果的发布。通过对用户的远程分布式信道仿真服务，证明本仿真系统有效地实现了高效、多场景、低成本的MIMO信道仿真，同时，探索出了一条科研院所仪器资源服务产业、尤其是小微企业的模式。

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·名人名言·

我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自己看来，我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。

——牛顿

Design of Remote Distributed MIMO Channel Simulation System for Broadband Wireless Communication

JIAGuoqing,CHENShanji,CHENChao,JIXiaohong

(College of Physics and Electronic Information Engineering, Qinghai University for Nationalities, Xining 810007, China)

To meet the testing requirement for the industry and society, a remote distributed MIMO channel simulation system (RDMSS) for broadband wireless communication is proposed and designed. After MIMO channel emulation technology requirements are analyzed. a 2X2 MIMO semi-physical hardware channel simulation platform is constructed and optimized by using generic test instruments to achieve the channel simulation and the verification of MIMO channel model. Moreover, RDMSS software is developed. In this system, the channel requests simulation of the remote distributed user are preprocessed and executed, and the results are released. By many remote distributed users’ channel emulation services, RDMSS is proved to achieve effectively the high performance, multi scenarios, low-cost MIMO channel emulation.

broadband wireless communication; remote; distributed; multiple input multiple output(MIMO); channel simulation

2016-08-10

青海省自然科学基金(2016-ZJ-922Q)；青海省应用基础研究计划项目(2015-ZJ-721)

贾国庆(1984-)，男，青海乐都人，博士，副教授，研究方向：无线通信关键技术研究。

Tel.：13709759761；E-mail：13709759761@139.com

纪小红(1986-)，女，江苏宿迁人，助教，主要从事移动通信测试及技术研究。

Tel.: 13709759762；E-mail: xiaohong.ji@qhmu.edu.cn

TN 911.6

A

1006-7167(2017)03-0094-06