基于相控阵的信道探测技术研究

王海博 周涛 张文良

（北京交通大学电子信息工程学院 北京市 100044）

1 引言

如今，第五代移动通信技术的成熟，5G 通信网络在轨道交通、高速公路等高速移动情景发展迅速，大规模MIMO系统成为了推动5G 技术发展的研究重点。Massive MIMO系统往往采用窄波束的天线进行信号传输，信号能量被限制在较小的波束角度内，使得传输路径上的能量效率较高。当在快速移动场景下进行窄波束通信时，无线通信信道的衰落特性与全向天线和宽波束天线有很大的不同，不仅无线信道的多径成分发生变化，信道的时延扩展和角度扩展等小尺度衰落会有不同的特性；而且大尺度衰落特性也将发生改变，路径损耗及阴影衰落的分布特性也是值得研究的问题。

为了准确地获取无线信道的传播特性，构建可靠的信道模型，开展信道测量是最直接的手段。现时主要是窄波束的信道测量。对于窄波束天线的信道测量，往往采用机械旋转定向天线的方式实现移动场景的测量。但是这种测量方法的过于惯性大，且过于机械会导致波束搜索速度慢的情况，无法实现高速移动目标的有效搜索及精确跟踪产生误差很大。相控阵天线的出现可以改善一种方法，通过计算机控制阵列天线中辐射单元，可以方便有效地利用程序改变馈电相位，以实现高速的波束扫描，为开展移动场景下的信道测量工作提供了新的思路。

本研究将相控阵天线应用于信道探测，基于相控阵的波束扫描以实现波束跟踪的特性，利用软件程序控制阵列天线中辐射单元改变馈电相位，以达到高速的波束扫描，能更好的进行信道测量实现高效角度域信道探测，并构建相控阵天线信道测量系统，在动态和快速移动场景下开展实地信道测试工作。

2 无线信道特征与研究方法

在无线通信中，发射机发送的信号通过无线传输信道这一传输媒介到达接收机。在自由空间中电磁波信号通过直射方式传播；在真实的无线通信中存在导电或绝缘的障碍物，信号会发生反射或散射损失部分能量，产生不同的时延，通过多条不同的路径进行传播到达接收端。无线信道的特性决定了无线通信系统的性能和特点，研究无线通信的传播过程有必要研究信道的传播特性。本研究采用利用相控阵天线波束跟踪的原理基于OFDM信号进行频域信道测量的研究方法。

2.1 无线信道传播特征

2.1.1 大尺度衰落

大尺度衰落是衡量发射机与接收机间隔长距离或长时间范围内上的信号场强的变化，是大约距离几百个波长内的波动变化，一般由于建筑物遮挡造成。本研究通过分析路径损耗和阴影衰落反应信道的大尺度衰落特性。

2.1.1.1 路径损耗

在自由空间传播中，由能量守恒可知，对围绕发送天线的任意一个闭合的球面上的接收到的能量密度积分，等于信号发送功率。Friis 公式描述了自由空间传播下接收功率P随自由空间距离d 的变化关系，Friis 公式如下：

本研究引用断点模型，认为发射端和接收端的距离大于断点距离d，由公式可知，信号接收的平均功率是随发射端与接收端间距的增加呈对数衰减。

2.1.1.2 阴影衰落

阴影衰落是指电磁波信号传输到远端，由建筑、树木等建造物的阻挡，在阻挡物后方存在电磁波信号场强较弱的阴影区，当信号穿过阴影区后，信号场强较强。在发射端移动过程中，阴影衰落使得接收信号场强出现缓慢的变化，所以阴影衰落是慢衰落，其服从对数正态分布：

综上，在描述大尺度衰落模型时，同时考虑信道路径损表2：发射信号的相关参数耗和阴影衰落的联合影响，在移动场景下信道大尺度衰落特性可表示为：

2.1.2 小尺度衰落

小尺度衰落描述了信号在波长量级长度上场强的变化特性。电磁波信号在真实空间中传播时，遇到障碍物会发生散射、绕射和折射，产生多径效应，使得不同路径的信号有不同传播时延和信号强度。在发射端移动的场景中，不同的多径成分在时域和频域上产生一定的随机性，本研究通过分析时延功率谱(PDP)，来描述信道的时域和频域的特性，以反应信道的小尺度衰落和时间色散特性。

时延功率谱可以通过分析离散的信道冲激响应h(k,τ)计算得到：

2.2 OFDM信道探测方法

信道探测的基本过程是发射端发射一个已知特性信号作为探测信号，探测信号经过无线信道传输后，在接收端被接收，通过对接收信号和发射信号的数学处理，可以获得无线信道的冲激响应以及频率响应。本研究采用基于OFDM的频域信道测量方法，信号发射端利用正交频分复用技术OFDM，OFDM 将一个高速数据流转换成若干个低速数据流，将信号以一定带宽不同频点正交子载波进行传输，可以减小码间干扰对抗多径效应。

首先由发射端发射OFDM 序列作为信道探测信号。发射端基站将信号先进行串并转换得到序列X(t)，利用数字OFDM 技术将序列进行离散傅里叶逆变换IDFT，再加上循环前缀P/S 从发射端发出。接收端将接收到的信号先去掉循环前缀之后，经过离散傅里叶逆变换DFT 得到信号Y(t)。将发射探测信号和接受到达信号进行傅里叶变换，分别得到X(ω)和Y(ω)，可得信道的频域响应为：

3 基于相控阵的信道测量系统

本实验利用相控阵天线波束跟踪的原理和特点，搭建了一套基于相控阵天线的无线信道测量系统，为在移动场景下的进行信道测量提供参考。系统整体框图如图1 所示。

图1： 移动测试系统

本移动场景下信道测量系统由三个模块组成：信号发射模块、信号接收模块和数据采集模块。

信号发射模块由射频信号源产生OFDM 探测信号，通过功率放大器进行功率放大，再通过全向天线或相控阵天线发射。在实验测试中，信号发射模块作为整体进行移动，需要时钟和GPS 进行同步和定位。

信号接收模块由相控阵接收天线接收信号，将信号传输给射频接收器，射频接收器将射频信号进行下变频调制为中频信号，之后传输为两路。一路传输给信号采集模块完成信号的采集；另一路传输给检幅器，检辐器判断接收信号的最大幅值，并反馈给接收相控阵，相控阵以最大幅值的波位为中心，进行微小扰动，对信号进行跟踪。

数据采集模块采集卡可支持250Msps、500Msps 等高速率数据采集，高速采集卡将数据采集后的数据储存至固态硬盘中。接收模块和信道数据采集器由同一个时钟控制，达到信号接收与采集的同步性，并且更需要与发送端的时钟进行同步，保证开始采样时是同步计时和定位是确保数据准确性的关键。

信号接收的波束跟踪和数据采集都由上位机的软件进行控制，可以设置波束跟踪模式，更改检波功率，和设置数据采集功能，观察接收信号的时延功率谱。

此信道测量系统的创新在于利用提出了一种新的进行信道测量的方法，可以在高速移动场景下进行波束跟踪，利用相控阵天线窄波束的优点，可以进行捷变扫描，利用其波束指向准确的特点。相控阵波束控制程序控制相控阵接收天线在120°的波束方位角内进行扫描信标信号，并比较检幅器反馈的信号幅值，判定其接收信号幅度最大的波位即为移动目标的方位，并始终以目标方位为中心进行左中右的微扰波位，进行扫描，从而实现波束跟踪。

4 移动场景下实地信道测量

4.1 校园内初步试验

在实验室中进行了多次试验系统的搭建和测试之后，确保各功能模块和功能正常，我们开展了在北京交通大学校园内基于波束跟踪的无线信道初步测量。

信号的发射模块作为移动端，由全向天线发射探测信号，发射端设备放于小车上在校园马路上移动；接收端模块放置于教学楼三楼窗边，按照上述系统完成实验系统的搭接和部署。接收端和发射端的设备搭接分别如图2 和图3 所示。

图2： 接收端相设备搭建

图3： 发射端设备搭建

相关设备和场地的位置参数如表1 所示。

表1： 校内测试场景位置

OFDM 探测信号的频率 3.5GHz信号带宽 100MHz子载波数 2560有效子载波数 2048

设备与系统搭建完毕后，发射端用移动蓄电池供电，接收端于室内供电。测试的具体流程为：

移动端初始位置位于接收机的远端，信号源发射 3.5GHz的 OFDM 信道探测信号，信号的相关参数如表2 所示。

基站端的相控阵接收天线先在波位-30°位置等待目标，由上位机软件控制波束扫描单次扫描。推动小车由远及近，到达-30°位置时，观察上位机扫描跟踪是否成功。若成功则可以开始自动波束跟踪；若未成功需要提高发射信号的功率，至可以实现波束跟踪。此时的检波功率为门限值。波束跟踪控制页面如图4 所示。

图4： 波束跟踪控制页面

波束跟踪运行正常，便可以打开采集卡开始采集信道探测信号。信号接收模块接收频率3.5GHz 的OFDM 信号，射频接收衰减30dB，射频单元将 3.5GHz 射频信号转换为200MHz 的中频信号，之后传输为两路，一路反馈给检幅器进行信号幅值坚持，确定信号的波位，便于相控阵进行波束跟踪；另一路传输给采集卡，数据采集模块以采样率500sps速度进行数据采集与存储。数据采集控制页面如图5 所示。

图5： 数据采集控制页面

将得到的数据进行整理抽样并分析处理后，得到全向天线单次采集的时延功率谱和连续采集30 秒的时延功率谱，分别为图6 和图7 所示。

图6： 单次采集的PDP 结果

图7： 连续采集的PDP 结果

通过有效多次测试，取得了多组有效的实验数据，并对结果所得进行分析，可以看到较为明显的多径存在，且第一径的位置未发生变化，初步说明了本实验研究方法能够探究在移动场景下信道时延色散的特性，为移动场景下无线信道的测量提供了新的思路。

4.2 快速移动场景信道测量

经过了校内测试的初步尝试，对整个系统的功能和框架有了更加明确的掌握，并不断调试和创新。在不断完善设备硬件的问题后，开展了大兴高速的基于相控阵天线波束跟踪原理的无线信道测量工作，主要验证在高速移动场景下波束跟踪是否能实现，研究远距离传输时信道的阴影衰落以及分析高速移动场景下信道的传播特性。

本次实验测量场景为大兴区大广高速上的一段路程。信号的发射端模块为移动端，在一辆汽车内完成设备搭接，汽车载着信号的发射端在高速公路上以60km/h 的速度行驶。

信号接收模块和数据采集模块为基站端，位于高速公路的过街天桥上，由发电机供电，相控阵天线倾斜15°俯视高速公路，实现了整个快速移动场景下信达测量系统的布置。如图8 和图9 所示。

图8： 移动端

图9： 基站端

在正式测试之前先要确定，信号由远端传输到基站端能够实现波束跟踪的最小门限值。

需要把相控阵天线的波束指向-40°左右等待移动端从远端驶来；将上位机波束跟踪模式设置为单次波束扫描，同时观察时延功率谱PDP 图像，将能稳定波束跟踪且PDP 正常时的检波功率定为波束跟踪的阈值。

本次信道测量系统发射端采用 OFDM 序列作为信道探测信号，采用全向天线发射OFDM 信号。移动端信号设置如表3 所示。

表3： 移动端天线信号参数

接收相控阵天线工作于窄波束，接收信号通过射频接收模块可以实现中心频点3.5GHz 带宽为100MHz 的带通滤波的效果，进而消除了部分5G 信号的影响。再由下变频器实现下变频，由高频调制到中频200MHz。再由数据采集模块进行数据采集。同样移动端和基站端需要进行时钟同步，确保数据的准确性。基站端参数如表4 所示。

表4： 基站端天线信号参数

将移动端GPS 数据和基站端GPS 数据初同步处理，得到移动端位置变化，判断波束跟踪成功，确保实验数据的准确性。对于接收端接收存储的信号数据，首先需要进行粗同步，确保第一个接收的OFDM 符号的完整性，并以该信号的起始段作为起点进行帧同步。由于采集的数据过多，需要进行抽样处理，并进行多径提取后得到CIR，得到结论：随着距离的增加，主径功率衰减，时延增加；在200-450m 内，主径明显，在450-700m 中，主径功率减小，多径数量增加。

在进行大尺度衰落特性的研究时，我们将接收端实际采集的信号衰落与自由空间损耗下的路径损耗和由对数阴影衰落的结果进行对比，进行数据分析可得到信道的路径损耗模型表达式为：

5 结论与展望

本研究利用相控阵捷变扫描的特性，成功搭建了一套基于相控阵波束跟踪的无线信道测量系统，并利用系统在城区校园内和郊区高速公路上开展了实地的信道测量工作，对无线信道的小尺度衰落和大尺度衰落特性进行了分析和研究，得到了窄波束无线信道路径损耗和阴影衰落的数学模型，为高速移动场景下的无线信道测量提高了参考。