信道仿真器原理及在移动通信测试中的典型应用

1 引言

与有线传输主要通过各类电缆传输不同，移动通信或无线通信通过无线信道对信号进行传输。工程师在设计无线收发信机时不可避免地要考虑无线信道特性对收发信机性能的影响。信号经过不同路径到达接收机，这个过程称为多径传输。而不同路径上的无线信道会产生不同的失真和畸变，总的来说，无线电波在传输过程中会经过反射、散射、折射、衍射和吸收等不同的现象。其功率会因为3种效应而发生变化，即平均传播损耗（路径损耗）、慢衰落和快衰落。

除了功率变化之外，信号通过不同路径后到达接收机的时延也是不同的。人们利用无线信道的冲激响应来描述发射机与接收机之间主要路径的特征。使用抽头延迟线对冲激响应建模是一种传统的衰落信道仿真技术。在这些模型中，每个“抽头”表示在相同时间到达的众多多径信号的矢量和，越晚到达接收机的信号具有更大的时延和路径损耗。可把这种描述称为功率迟延分布（Power Delay Profile，PDP）。

图1给出了一个信道模型的PDP，共有6条多径。由于信道仿真器可以配置PDP和快衰落、慢衰落等，这种PDP模型可以用作信道仿真的基础。

图1 无线信道功率迟延分布

2 无线信道模拟器原理

信道仿真在软件上很容易实现，但是实际的收发信机都是将基带信号调制到射频上，通过天线来发射和接收的，因此射频信道仿真器对于信道模拟测试更为科学。

对于输入的射频信号，先经过下变频器将信号变为模拟信号，通过A/D转换器转换为数字信号，在数字域上实现衰落模拟。再通过反变换即D/A转换和上变频回射频信号，输出给接收机。

对于单天线（SISO）的信道，上述仿真实现是比较直观的。对于多发多收（MIMO）技术，则对信道仿真器提出了更高的要求。对多天线建模需要在天线之间具有适当相关性的衰落信道。多天线通常表示为M×N组合，其中M是发射机处的天线数量，N是接收机处的天线数量。典型的配置可以包括：2×2、4×4、4×1、1×4等。

图2给出了2×2的例子，其中发射和接收天线元件之间总共存在4个连接。这些连接由h11、h21、h12和h22表示，每个代表基站和用户之间的虚拟路径。对于每个路径，相对于归一化的平均功率来测量增益和相位。这些项被组合在一起形成一个H矩阵。每个延迟路径都有一个唯一的H矩阵。

图2 2×2多天线配置

在现实的衰落环境中，发射机和接收机天线振子的信号是相关的，不是独立的。广泛的测量表明，相关性不是恒定的，而是在一个地理区域或行车路线上显着不同。天线振子之间的相关性在数学上是与局部散射相关的，并且是信号的角度扩展（AS）、到达角（AoA）和用户的行进方向（DoT）的函数。2×2天线系统的输出矢量r可以用输入矢量x来表示，天线之间的相关性可以用每个天线振子上观测到的信号用ρtx来表示：

假定接收端也是全向天线，为了方便，常常用叠加矢量来表征相关性矩阵vec(H)=[h11h21h12h22]T，若R=E(vec(H)vec(H)H)，则：

典型地，使用相关矩阵来生成如图2所示的相关信道路径增益。相关矩阵可以作为信道模型的一部分给出，或者基于天线间隔、PAS、路径AS和AOA的细节来计算。用于2×2多天线的多天线信道模型的相关矩阵可以写成两个单独简化相关矩阵的克罗内克积：

对于典型的LTE测试，3GPPTS36.141给出的相关性系数如表1所示。将这些系数代入以上公式，可得到典型的高、中、低相关性矩阵。

表1 2×2相关性矩阵场景

3 信道仿真器的典型应用

一般的基站与移动终端的测试中，通常需要把终端放到射频屏蔽箱内以屏蔽掉空口的泄漏信号。对于某些技术，例如Wi-Fi测试，则需要把AP和终端分别放入屏蔽箱，以提供更好的隔离。在测试中，需要依据测试场景选择不同的标准信道模型（见表2）。

表2 典型Wi-Fi信道模型列表

在信道仿真器中，同样内置了标准的信道模型，可供用户调用，具体如图3所示。经过测量后的结果如图4所示，可以看到经过信道仿真器后的测量数据与仿真结果是比较接近的。

图3 信道仿真器标准模型库

图4 测量结果与仿真对比

4 结束语

本文详细介绍了信道仿真器原理并结合信道仿真器在移动通信测试中的典型应用测试信道仿真器的实际数据。通过上述测量结果与仿真结果的对比可看出，信道模拟器可以较好地模拟信道传输的各种传播模型，复制实际的空中信道环境，在产品研发、测试及无线通信频率规划、电磁兼容等方面起着重要的作用。

参考文献

[1]李萌,孙恩昌,张延华.无线信道模型研究与展望(一)[J].中国电子科学研究院学报,2012（04）:362-364.

[2]Spirent.Correlation-based spatial channel modeling[EB].Spirent White Paper,2015:100.

[3]张睿,周峰,郭隆庆.无线通信仪表与测试应用[M].北京:人民邮电出版社,2012:78.