常用无线信道测量方法

2018-10-19刘廷银刘岩赵双江中国人民解放军65589部队

数码世界 2018年9期

刘廷银刘岩赵双江中国人民解放军65589部队

信道测量通常采用的方法是首先进行现场测量，得到实测数据库，再根据数据处理算法对实测数据进行处理，最终得到与实测环境和条件相符合的信道模型。信道测量主要涉及测量系统的硬件构成和配置等；后期数据处理完成相应实测数据变换和校正等。目前，信道测量的方法有很多种，具体选择那一种方法进行测量主要取决于测量环境，待测频率范围，捕获速度限制等。

1 大尺度测量

主要测量方法是连续波测量法。测量步骤包括：1）选择站址：覆盖足够多的地物类型，第一菲涅耳区无障碍物，高于周围建筑物的平均高度；2）测量平台搭建分为基站系统：发射天线、馈线、功放、信号源和测量系统：接收机、GPS、测距仪、测量软件及便携式计算机；3）扫频测试；4）测量数据采集，按时间采样，要去除快衰落的影响，数据采集的速率必须满足李氏定理，即

36<40λn/v<50

其中λ为波长，n表示每秒采样点数，v表示车速。

建模方法包括测量数据：测得的功率值并采样该功率所对应的接收机位置。其中路损计算公式为PL=PT+GR+GT-Loss-PR。具体步骤包括：确定参考距离、数据预处理、去除信号强度异常点、去除GPS坐标异常点、去除近场数据点、修正GPS坐标误差、确定传输距离、数据平均、估计路径损耗指数（公式为PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0) ）、根据所得到的一组d值和相应的PL值，运用最小二乘法估计未知量n的值、估计阴影衰落偏差（公式为PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0)+χ），其中χ为阴影衰落因子、该公式服从对数正态分布。可以用分布拟合方法求出接收到的数据服从对数正态分布时的标准偏差。

存在的问题是路径损耗存在频率相关性，并且由于系统带宽很宽，造成天线增益和多径传播特性均会随频率变化。

2 小尺度测量

2.1 测量方法：

2.1.1 时域测量法

A、测量：

时域测量方法是通过直接发射窄脉冲，接收信号的时域响应波形，从接收信号中去除发射信号波形、接收天线的影响，得到信道的冲激响应。具体来讲，是由脉冲发生器发射窄脉冲(纳秒级或亚纳秒级)，脉冲信号经功率放大器、发射天线后进入信道，接收信号经接收天线、低噪放后直接送数字抽样示波器，并转存到计算机中。脉冲发生器和数字抽样示波器均由触发信号发生器发出的信号触发。后期数据处理中对接收信号进行去卷积，再通过数据格式处理就可以得到信道冲激响应。

优点：1）、实现简单

2）、多径分辨率等于周期脉冲的时间宽度

3）、可对接收信号进行相关解调，可以得到多普勒谱

缺点：1）、接收机带通滤波器是宽带的，噪声和干扰比较大

2）、要获得高的多径分辨率，需要高速的RF转换器和窄脉冲产生器

3）、需要较高的功率峰均比，因为发射机功率受限，测量系统动态范围受限

B、数据处理：

时域测量系统的后期数据处理主要解决由时域接收信号到时域信道冲激响应的变换，即从时域接收信号中去除发射信号波形及收发天线等的影响，这主要通过Clean算法完成。

r(t)=p(t)*Tx(t)*h(t)*Rx(t)+n(t)

数据处理过程主要利用Clean算法对接收信号进行去卷积，设置时间零点和确定系统分辨率，并重新计算多径幅度三部分。

a、利用Clean算法对接收信号进行去卷积

首先通过实测的方法，获得s(t)=Tx(t)*p(t)*Rx(t)+n’(t)即所谓模板信号 ,继而通过迭代算法利用模板信号从接收信号r(t)中去掉Tx(t)、Rx(t)和n’(t)的影响，计算信号冲激响应的近似值。

b、设置时间零点

确定去卷积后的信道冲激响应的时间起点，并设置为时间零点（一般以计算得到的时间位置最靠前的多径为首径），以确定后续到达多径分量的到达时间。

c、确定系统分辨率，并重新计算多径幅度。

Clean算法处理得到的信道冲激响应中多径分量的时间间隔远小于系统的实际时间分辨率，需要按照系统的时间分辨率重新计算多径幅度。在确定系统分辨率后，将冲激响应按系统时间分辨率分成相等的时间片，将每个时间片内的所有多径幅度相加作为此时间片多径分量幅度。

2.1.2 扫频法

原理是用矢量网络分析仪控制信号产生器使其在某一频段上进行步进变频，然后测量信道在每个频点上的谱响应，最终通过逆傅里叶变换获得信道的时域冲激响应。

A、测量

具体的测试为由矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA)的发射端发出某一频率的信号，经功率放大器、发射天线后进入信道，接收信号经有接收天线、低噪声放大器后送至VNA的接收端，通过VNA的计算即可得到信道频率响应对应某频率分量的幅度值和相位值，VNA在测量频带内重复上述过程，即可得到需测量频带内的信道频率响应。计算机通过Labview软件控制VNA的扫频过程，得到的数据直接存储到计算机中。后期处理包括对数据进行校正、加窗、IDFT、设置门限和时间零点处理，之后可以得到实测信道的冲激响应。

优点：

1）、实现简单

2）、多径分辨率高，正比于频率步进的间隔

3）、受测量设备非线性影响较小

缺点：

1）、矢量分析仪必须和发射机与接收机进行物理连接,只在短距离信道下可用

2）、必须在有限时间内完成一次频率扫描,对于大的带宽或小的步进间隔来说,测量不是实时的,因此,扫频测量系统只适用于时不变信道或慢时变信道,扫频测量法无法测量多普勒频移和多普勒谱。

B、数据处理：

r(f)=P(f)Tx(f)H(f)Rx(f)+N(f)

该过程主要包括数据校正、加窗、傅里叶反变换、设置门限和设置时间零点五部分。

a、数据校正

C(f)=P(f)Tx(f)Rx(f)+N’(f)

H(f)=r(f)/C(f)

b、加窗

每组实测频域数据的起点和终点处的数据较其他部分的数据有明显的跳变，如果直接对这样的数据进行IDFT，在时域冲激响应中会出现所谓的过调和拖尾现象。因此通常把频域数据转换到时域之前，需要进行加窗操作。在实际测量中VNA提供了多个窗函数可供选择，由于加窗会造成等效时域脉冲主瓣宽度变大，降低时域分辨率，因此需要综合考虑选择合适的窗函数。

c、IDFT

实数通带IDFT：假设从VNA得到的频谱是从f1到f2，则先在0到f1之间的频带上补零，令-f2到0的频谱是0到f2频谱的对称共轭，由IDFT的理论可知，对称共轭频谱的傅里叶反变换结果是实数序列。

复数基带IDFT：没有补零和共轭对称操作，直接做IDFT

实数通带IDFT处理获得的时间分辨率是复数基带IDFT处理的2倍以上，这可以弥补由于使用窗函数造成的时间分辨率损失。

d、设置门限

由于某些幅度较小的多径信号可能有测量系统的内部噪声产生，此外，幅度较小的多径信号对建立相应的多径模型贡献较小（其对平均附加时延，RMS时延等信道特征参数影响较小），因此通常通过设置门限从实测信道冲激响应中排除幅度较小的多径分量。由于频域测量数据门限的选取与具体数据处理算法无关，其取值相对简单，通常选择测量系统噪声之上6dB的绝对门限即可。

e、设置时间零点

由于IDFT具有周期性，因此必须结合实测信道的物理性质，对IDFT后的信道冲激响应设置零点。

2.1.3 扩频滑动相关测量法