基于矢量网络分析仪的虚拟大规模MIMO信道测量平台

袁 磊，庞 苇，袁 浩

（兰州大学信息科学与工程学院，兰州 730000）

0 引言

在“新工科”的引领下［1］，实验教学在高校工科教学中起着越来越重要的作用。与枯燥的公式推导等理论教学相比，实验教学能使学生获得学习过程中的直观体验，帮助培养学生的学习兴趣，巩固并灵活应用所学的理论知识并极大地调动学生的学习热情［2-3］。随着移动通信技术的快速发展，第5代（5thGeneration，5G）移动通信技术时代在全球的共同努力下已到来［4］。作为5G的关键技术之一，大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术已得到广泛应用［5-6］。大规模MIMO通信系统的性能往往受限于传播场景中的信道特性。与室外环境相比，室内环境更加复杂［7］。如今大部分无线通信业务发生在写字楼等室内场所，考虑到5G微基站特征［8］，将会有更多的微型基站部署在室内。

本文使用矢量网络分析仪和LabVIEW自主设计并开发造价相对低廉的虚拟大规模MIMO无线信道测量平台，为高校研究大规模MIMO通信技术、完成通信实验提供方便。

1 测量平台的设计与搭建

1.1 整体架构与硬件组成

测量平台的整体架构如图1所示。

图1 测量平台架构图

其中，Tx为发送端的天线阵列，用于模拟基站。Rx为接收端的天线，模拟用户终端。由于天线阵列成本高昂，为节约成本，采用虚拟均匀天线阵列来替代。虚拟均匀天线阵列由数控天线位移系统与固定于游标上的全向天线组成，如图2所示。

图2 虚拟天线阵列

利用计算机程序控制数控天线位移系统上的游标进行水平或者垂直方向上的移动，带动天线随之移动，形成虚拟均匀天线阵列［9］。其中数控天线位移系统由3D打印机改装而成。

测量平台选用如图3所示的N9918A矢量网络分析仪，其发射功率为－15 dBm，可测频段为30 kHz～26.5 GHz，完全满足测量带宽需求。它能利用步进扫频的方式收集其收发端口之间的幅频响应和相频响应，选择该仪器作为本测量的信号发生器和接收器。

电磁波在传播的过程中受环境等因素的影响，信号强度必然会产生衰减，导致从信号源发出的信号抵达接收端时，有可能由于强度较小而被噪声所淹没。需要增加信号功率，确保抵达接收端的信号不被噪声淹没，测量平台引入功率放大器和低噪声放大器，增加信号功率，确保测量到的是有用信号而非噪声。低噪声放大器和功率放大器分别接于网络分析仪的收发端口，实现对收发信号的放大作用。

测量平台可测频段与网络分析仪的可测频段相统一。在实验教学中，学生主要针对运营商使用的5G移动通信频段进行实验，这几个频段分别为2.5～2.6、3.5～3.6 和4.8～4.9 GHz。

低损耗线缆如图4所示，它在上述3个测量频段的损耗分别为4、6和7 dB。低噪声放大器和功率放大器分别如图5、6所示。其中，低噪声放大器对3个测量频段的增益分别为51、51和50 dB，功率放大器在3个测量频段的增益分别为32、31和31 dB。全向天线在3个测量频段的增益恒为3dBi。测量平台实物图如图7所示。

图3 网络分析仪

图4 低损耗线缆

图5 低噪声放大器

图6 功率放大器

图7 测量平台

1.2 工作原理及干扰排除

无线信号经由网络分析仪发射端口发出，经过功率放大器和低损耗线缆传输到发射天线，通过无线信道的传播被接收天线所截获，再经低噪声放大器和低损耗线缆传送至网络分析仪的接收端口，网络分析仪能实时获取信道的频率响应。

计算机端的LabVIEW控制程序用于发送控制信号。控制信号分为2路，第1路通过USB数据线控制数控天线位移系统，用于控制数控天线位移系统的游标移动，游标的移动带动发射天线的移动，每次移动需等待3 s再进行下一次移动，此时发射天线持续发出扫频信号。在发射天线移动完毕的等待时间内，第2路通过以太网线控制矢量网络分析仪扫描由接收天线获取并传到接收端口的数据，并将数据以csv文件的格式储存在计算机硬盘。进行下一次的发送天线移动及信号采集存储，重复此步骤，直至虚拟均匀天线阵列上的所有位置全部测量完毕。

鉴于矢量网络分析仪测量的是收发端口之间的频率响应，其发送和接收端口之间不仅包括信道，还有低损耗线缆、功率放大器和低噪声放大器等。而研究信道特性需要的仅是介于收发天线间的信道的频率响应。在测量之前，需要对放大器和线缆等进行校准。先测得各个器件的频率响应，称作系统频率响应。在后续的数据处理时，利用系统频率响应对测量数据做一个去卷积操作，获得真实的无线信道的频率响应。

现实情况下，室内无线电的传播很容易受室内各种状况的干扰，比如人员走动等，这会对实际的测量结果产生一定的影响。在实际测量中应尽量避免非场景因素对测量结果的干扰，保证室内环境不变，这样才能将室内信道近似看作时不变信道。但在实际的测量过程中，接收天线的位置需要实时更改，测量人员必须在计算机旁边操控程序，这些都会对测量过程产生干扰。为了解决这个问题，使用路由器搭建局域网，通过室外的远端电脑实现对室内近端电脑的远程控制，使得操作人员可以隔离在测量环境之外，尽可能减小非场景因素造成的干扰。

如图8所示，近端计算机在测量场景内通过以太网线和USB数据线控制硬件测量平台。远端电脑置于室外，通过网线和路由器控制近端电脑，实现远程控制，消除室内人为因素的影响。

1.3 软件控制程序

LabVIEW是图形化的编程软件，被广泛应用于学术领域与工业领域［10-11］。作为一个工业标准的图像化编程语言，它不仅提供了许多类似真实仪器的操作控件，还可以引导学生在自定义的模拟真实仪器的用户界面上进行实际操作，具有可视化效果好、界面清晰操作简单等特点，提升实验教学效果［12-13］。

基于上述优点，本文利用LabVIEW开发出一套测量平台的控制程序。学生通过操控该计算机程序，即可轻松控制测量平台实现对典型室内环境信道的大规模测量。图9所示为本文自主开发的LabVIEW程序的用户界面。图10所示为用户界面对应的程序框图。

图8 远程控制示意图

图9 软件控制程序用户界面

图10 程序框图

其中，数控天线位移系统端口号栏用于输入端口号；网络分析仪IP地址栏用于输入网络分析仪的IP地址；天线数目为发送天线阵列的数目，设置16×16 MIMO则输入16即可；天线间距为天线阵列的间距，mm；采样点数为测量频带内扫描点的数目；扫描延时为每移动一次数控天线位移系统的游标，预留给网络分析仪采集并存储数据的时延；天线阵列起始横纵坐标为发送天线相对于数控天线位移系统的起始位置坐标；起始频率和终止频率用来设定扫描的频带。

2 实验设计与分析

测量平台可用于无线通信实验教学。学生可利用此平台在典型室内环境中进行信道测量，了解信道的大尺度衰落和小尺度衰落特性，此外，测量平台还可让学生通过实验深入理解大规模MIMO的波束成形技术等。

2.1 室内信道特性的实验研究

5G移动通信的优势之一，在于其丰富的频谱资源。为帮助学生直观理解不同频率信号的传播差异，针对运营商使用的5G移动通信频段，由教师指导学生利用测量平台对实验场地进行大规模实测，通过对实测数据进行处理，帮助学生了解典型室内环境中不同频段的无线信道特性。其中，测量带宽为5G移动通信所采用的100 MHz。

测量场景的平面示意图和实测图分别如图11、12所示。其中，实验场地的长为15 m，宽为10 m，高为4 m。墙壁、天花板和地板均为混凝土构造。Tx为发送天线的所在位置，Rx为接收天线的所在位置。该实验场地总共设置25个测量点。

图11 测量平面示意图

图12 实测现场照片

（1）路径损耗。根据帕塞瓦尔定理，信号的频域能量等于其时域能量。由此通过对频域数据进行处理，采用最小二乘拟合法对路径损耗进行拟合，得到拟合图像如图13所示。可见，随着频率的增高，路径损耗以及路径损耗指数均随之变大。无线电波的频率越高，信号穿透物体的能力越弱，绕射性能也越差，被物体遮挡造成的影响更大。

（2）空间相关。通过数据处理得到大规模MIMO信道的空间间隔相关系数的平均值，绘制成图像如图14所示。其中，λ为波长。由图可知，在天线阵列阵元间隔为0.5、1 和1.5λ 时，4.85 和2.55 GHz具有相似的空间间隔相关系数。4.85 GHz可以基于更小的天线阵列阵元间隔实现更高的分集增益和信道容量［14］。

图14 发射天线相关系数

2.2 波束成形的实验研究

为帮助学生理解大规模MIMO的波束成形技术，设计实验对此进行研究。测量平面示意图如图15所示。图16为实验场地的实测图。发送天线阵列用Tx表示，用来模拟基站，阵列的中心高度为1.2 m。M1和M2为2个接收天线，用来模拟用户。其中M1和M2处于同一位置，M1高度为1.2 m，M2高度为1.7 m。发送天线阵列与M1距离为2 m。

图15 测量平面示意图

图16 实测照片

利用测量平台实测获得无线信道的S21（ω，rh，rv）。其中：ω为频域采样点的矢量；rh和rv分别为天线在水平和垂直维度上的空间位置矢量，m。频域采样点数目设定为1 601个。

时延波数谱的转换式如下［15］：

式中，IFFT3为三维逆快速傅里叶变换，即对三维的每一个维度分别进行一维逆快速傅里叶变换。kh和kv分别为水平和垂直维度上的波数，rad／m。波数域和空间域是一对傅里叶变换［16］，因而从rh和rv到kh和kv的离散逆傅里叶变换是成立的。

用户M1和M2仅在垂直维度上有差异，根据式（1）计算并绘制M1和M2的时延波数谱如图17、18所示。由图17（a）、（b）可以看出，就16×16 MIMO 而言，由于M1、M2仅垂直高度不同，导致M1、M2沿垂直维度上的时延波数谱的能量聚集位置呈现出了明显差异，基站可以很清晰地区分用户。而M1、M2的水平位置相同，故从图17（c）、（d）观察不到差异。对于相同条件下的8 ×8 MIMO，观察图18（a）、（b）可以发现，这时的时延波数谱能量聚集位置差异则不太明显，分辨率不如16×16 MIMO。因此，随着天线阵列的增大，大规模MIMO的空间复用优势将越来越显著。

图17 16×16 MIMO，接收天线M1和M2的时延波数谱

图18 8×8 MIMO，接收天线M1和M2的时延波数谱

3 结语

为帮助学生理解无线信道特性和大规模MIMO技术特点，本文采用实验室通用仪器与软件设计并搭建了价格低廉、操作简单的室内虚拟大规模MIMO无线信道测量平台。测量平台可用于研究室内信道大尺度衰落和小尺度衰落特性，还可帮助学生深入理解大规模MIMO的波束成形技术。其为高校完成无线通信实验教学、研究大规模MIMO技术提供了有效有段，有助于激发学生的科研兴趣，培养学生的动手实践能力和创新意识，值得在无线通信教学中进行推广。