CN100370766C - 分布式无线通信传输技术测试平台的设计方法 - Google Patents

Abstract

分布式无线通信传输技术测试平台的设计方法，能够对普通的无线通信传输技术以及未来无线通信中很重要的多输入多输出通信***的传输技术进行评估，利用套接字将测试平台的各个处理器利用TCP/IP网络协议连接起来，将整个测试的运算分散到两个计算机上，一方面使得仿真测试在仿真规模与执行速度两方面均得到改进；另一方面，使得被测发射机模块和被测接收机模块真正实现了物理分离且被测接收机模块所接收到的数据完全由我们第三方评估单位来决定，完全杜绝了测试方将被测发射机模块和被测接收机模块短路的情况；因此，本发明能够提高无线通信传输技术测试评估的效率，保证了测试的公平性。

Description

分布式无线通信传输技术测试平台的设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信传输技术测试平台的设计方法，尤其涉及一种基于以太网的分布式无线通信传输技术测试平台的设计方法。

背景技术

在过去的二十年里，以移动通信为代表的无线通信***发展日新月异，以低速语音业务为代表的第一、二代移动通信***已经越来越满足不了人们对数据和多媒体业务的需要，以高速数据、多媒体、智能化业务为主要目标的第三代移动通信***已经越来越接近人们的生活，第三代移动通信***是向未来个人通信演进的一个重要发展阶段，具有划时代的重要意义，其必将对人类的生活、经济的发展产生重大的影响。同时随着第三代移动通信***逐渐进入商用，国内外有关超第三代移动通信(Beyond 3G)及***移动通信的研究已百花齐放。

从第二代移动通信***的研发开始至今，计算机仿真测试已经成为了移动通信研发的最有力武器。每一项新技术或每一个新***投入商用之前都是由多家公司或者研究机构进行了长时间的仿真以检验其性能。对于***无线通信***这样预研性技术评估，更是先要采用计算机仿真的方法得到客观性验证之后才能进入实测阶段。通常的通信***的仿真测试可以分为链路级仿真测试和***级仿真测试两方面。***级仿真测试主要是针对无线接入***进行仿真测试。链路级仿真测试主要是对通信***物理层的无线传输技术(如编码、交织、调制和扩频等)进行仿真，得到该技术在不同无线信道下的性能。仿真结果主要表现为在不同无线环境下的误码率(BER)或者误帧率(FER)与信噪比的关系曲线。链路级仿***要有两个用途，一是用于检验无线传输技术的性能，二是检验无线***的端到端性能，并为***级仿真提供数据支持。

多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)无线通信传输技术具有很好的抗衰落和抗噪声的能力，从而可获得巨大的容量。因此，在功率带宽受限的无线信道中，多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)无线通信传输技术是实现高数据速率、提高***容量和传输质量的重要技术之一。它的优越特性使之成为未来超三代通信***(B3G)以及***通信***中的关键技术之一。

但是，多输入多输出通信***的无线传输技术进行评估所需的运算量要比以往的单输入单输出通信***的评估测试要大很多。如果再考虑多用户情况下的测试，其运算量是无法利用现有的单台高性能计算机实现的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够提高无线通信传输技术测试评估的效率，保证测试公平性的分布式无线通信传输技术测试平台的设计方法，

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)信源比特流的生成

首先利用迭代取中法、移位法、乘同余法或混合同余法将随机输入的一个二进制序列将其变换产生一个复合复高斯分布的随机信号序列，然后再通过随机信号的假设检验法产生在(0，1)区间上服从均匀分布的且能够在8Kbps至100Mbps之间自由调节的速率、帧长的随机信源比特流；

2)链接被测发射机模块

根据接口规范将被测发射机模块链接进测试平台的发射主机，然后将生成的信源比特流接入被测发射机模块，被测发射机模块对接收的数据进行信道编码、交织、调制、空时编码及组帧算法输出的数据；

3)多输入多输出MIMO信道模块的生成

假设多输入多输出MIMO信道有M根发射天线和N个接收天线，亦即M个输入和N输出，那么MIMO信道就相当于M×N条独立的单输入单输出SISO信道，每个独立的单输入单输出SISO信道具有频率选择性衰落和时间选择性衰落两种特性，频率选择性衰落特性的实现是将一个“宽带”信号通过多径信道变为一个“窄带”信号，然后通过多个独立的单径信道加权从而得到所需的频率选择性衰落，时间选择性衰落特性的实现是利用成形滤波器的方法，产生符合多普勒功率谱形，幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机过程采样信号去乘以被测发射机的输出信号得到的结果，从而得到所需的时间选择性衰落，即生成了M×N条单输入单输出SISO信道，进而得到多输入多输出MIMO信道；

4)多输入多输出MIMO信道模块独立性的验证

假设M×N条单输入单输出SISO信道中的任意一条之间的多径信道的径数为K，对M×N×K个独立的单径信道进行随机采样取其中任意两组构成对应的两组随机变量，用相关函数或互协方差函数来检验两个信道之间的独立性，若两个相关函数的取值为零则两个信道相互独立，否则转入多输入多输出MIMO信道模块的生成重新生成多输入多输出MIMO信道模块；

5)数据的网络传输

将发射主机输出的数据经MIMO信道后，利用套接字实现TCP/IP协议网络传输，即将该数据传送到接收主机，由接收主机中的被测接收机模块读取该数据；

6)链接被测接收机模块

根据接口规范将被测接收机模块链接进测试平台的接收主机，然后利用网络传输将多输入多输出MIMO信道模块的输出数据接入被测接收机模块，被测接收机模块对接收的数据进行信道估计、均衡、解调、信道译码算法输出比特流之后，即可进行测试；

7)利用虚拟仪器显示结果

根据周期图法，最大熵谱估计法或Pisarenko谐波分解法对被测发射机模块的输出数据进行功率谱估计以及将被测接收机模块输出的比特流与信源比特流进行对比，统计总的错误比特数，进而得到误码率，最后利用VisualC++中提供的各种显示类函数显示出来。

本发明能够对普通的无线通信传输技术以及未来无线通信中很重要的多输入多输出通信***的传输技术进行评估，利用套接字将测试平台的各个处理器利用TCP/IP网络协议连接起来，将整个测试的运算分散到两个计算机上，一方面使得仿真测试在仿真规模与执行速度两方面均得到改进；另一方面，使得被测发射机模块和被测接收机模块真正实现了物理分离且被测接收机模块所接收到的数据完全由我们第三方评估单位来决定，完全杜绝了测试方将被测发射机模块和被测接收机模块短路的情况；因此，本发明能够提高无线通信传输技术测试评估的效率，保证了测试的公平性。

附图说明

图1是本发明的模块组成示意图；

图2是本发明数据交换接口的基本设置示意图；

图3是本发明的控制流程示意图；

图4是本发明中的SISO信道实现方法示意图

图5是本发明发射主机的界面示意图；

图6是本发明接收主机的界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明用进一步详细说明。

参见图1，本发明的测试平台由两台通过网络连接的处理器，即发射主机和接收主机组成。其中发射主机实现信源、发射模块、信道及统一性检测模块的功能，而接收主机实现接收模块和统计模块的功能。另外，两个主机都配备有虚拟仪器，用以观察各种统计指标。比如：接收主机的虚拟仪器可以观察误码率曲线、星座图。发射主机的虚拟仪器可以观察被测模块的频谱利用率、星座图以及功率直方图。而统一性检测模块是为了对TDD(时分双工)以及FDD(频分双工)两种不同制式的双工方式加以统一的模块。这样便于对两种不同制式的双工方式进行公平的评估。本发明的平台自身应该具有可变速率的信源产生模块、MIMO信道模块、负责链接两台主机的网络传输模块以及虚拟仪器模块。利用Microsoft Visual C++编写这些模块：

可变速率的信源比特流实际上是一种随机信号，本发明需要产生的随机信号是在0和1两点上均匀分布，也就是取0或取1的概率均为0.5。从理论上讲，只要有了一种连续分布的随机信号，通过相应的变换法就可以得到任意分布的随机信号，因此在本发明的仿真方法中首先产生在(0，1)区间上服从均匀分布的随机信号，然后利用变换法产生复高斯信号，由于计算机字长的限制，本发明不可能得到真正的随机信号，但是，只要能通过随机信号的各类统计检验，就可以把它当作真正的随机信号来使用。在产生(0，1)均匀分布随机信号的数学方法中，有迭代取中法、移位法、乘同余法和混合同余法。本发明采用统计性质较好，使用较广的混合同余法；

根据接口规范将被测发射机模块链接进测试平台的发射主机，然后将生成的信源比特流接入被测发射机模块，被测发射机模块对接收的数据进行经信道编码、交织、调制、空时编码及组帧算法输出的数据；

对于非物理MIMO信道模型仿真，MIMO信道中的N×M条子信道的每一径的信道衰落系数等于相互独立的N×M条SISO(单输入单输出)信道的信道衰落系数。因此，多输入多输出MIMO信道的仿真可以分为两个部分来进行：1)生成独立的多径衰落信道。如何生成独立的多径衰落信道是多输入多输出MIMO信道仿真的先决条件，多输入多输出MIMO信道中的N×M条子信道的每一径的信道衰落系数等于相互独立的N×M条SISO(单输入单输出)信道的信道衰落系数与各径对应的空间相关矩阵的乘积。只有生成统计上相互独立的衰落信道之后，这时候所得到的多输入多输出MIMO信道系数才真正具有规定角度功率谱密度和角度扩展下的空间相关性。独立多径衰落信道，会同时受到时间选择性衰落和频率选择性衰落的影响。因此对于独立多径衰落信道既要仿真频率选择性衰落，也要仿真时间选择性衰落。事实上频率选择性衰落就是将一个“宽带”信号通过多径信道可以看成为一个“窄带”信号分别通过多个独立的单径信道来实现的。而时间选择性衰落是利用成形滤波器的方法，产生符合多普勒功率谱形，幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机过程采样去乘以输入随机信号的结果，即为所需的时间选择性衰落；2)对生成的独立多径衰落信道进行独立性验证。假设N×M条单输入单输出信道中的任一条信道的径数为K，这样，多输入多输出MIMO信道可以看成是由M×N×K个独立的单径信道组成。多径衰落信道参数可由白噪声激励产生。对于不同的传播路径，选用不同的具有良好互相关性的噪声种子，可以保证衰落信道间的不相关。要验证信道之间的不相关，对M×N×K个独立的单径信道进行随机采样取其中任意两组构成对应的两组随机变量，用相关函数或互协方差函数来检验两个信道之间的独立性，若两个相关函数的取值为零则两个信道相互独立，否则重新生成多输入多输出MIMO信道模块；利用假设检验的方法，我们从40多亿个种子中寻找到了400个保证独立性的种子，将其中的8×8×6＝384个种子用于生成这64条独立的6径信道。

网络传输：本发明使用套接字实现网络模块，采用的是客户机/服务器模型来实现各主机之间的互联，客户机/服务器模型是分布式应用程序的最常用的范例；

根据接口规范将被测接收机模块链接进测试平台的接收平台，然后利用网络传输将多输入多输出MIMO信道模块的输出数据接入被测接收机模块，被测接收机模块对接收的数据进行信道估计、均衡、解调、信道译码算法输出比特流之后，即可进行测试；

根据周期图法，最大熵谱估计法或Pisarenko谐波分解法对被测发射机模块的输出数据进行功率谱估计以及将被测接收机模块输出的比特流与信源比特流进行比对，得到误码率，最后利用Visual C++中提供的各种显示类函数显示出来。

参见图2，本发明测试平台的主控程序提供了5个公共数据交换区，分别用A，B，C，D，E表示，用于前一级模块与后一级模块之间的数据传递，或用于虚拟仪器显示其输出的数据。也就是说，缓冲区是前一级模块的输出数据以及后一级模块的输入数据。每个数据交换区均是***分配的连续存储空间。其中A、B、C三个数据交换区由发射主机开辟，经由双机通信将C交换区的数据传送到接收主机的D交换区作为接收模块的输入，亦即C和D两个交换区中的数据完全相同(B和C两个交换区的仿真粒度相同)。

参见图3，本发明的整个测试平台主要包含两类流程：第一类为双机通信流程，第二类为虚拟仪器控制流程。在第一个流程中，信道输出的数据存入缓冲区后，将读写标志位(全局变量)置为可读，并将这一事件作为一个消息告知用户界面线程，用户界面线程判断这一消息属性之后，调用网络通信模块进行发送操作，接收主机用户界面线程的网络通信模块接收到数据之后，将读写标志位(全局变量)置为可读，用以告知工作线程可以从该缓冲区读取数据并进行相应的操作。第二类工作流程则是利用临界区的方法实现虚拟仪器与工作线程之间的线程同步。首先，信源产生的信源比特流数据，将其放入缓冲区A中。然后，由被测方提供的被测发射机模块从缓冲区A中取出信源比特流数据，处理完后，放入B缓冲区内。MIMO信道模块将缓冲区B中的数据进行处理后，放入C缓冲区内，再调用网络传输将C缓冲区内的数据通过局域网发送至接收主机一方的计算机。接收主机方的计算机将接收到的数据存入缓冲区D中，被测接收机模块从缓冲区D中取出数据，并对该数据进行处理之后，将它输出的比特流送入缓冲区E中。虚拟仪器从缓冲区E中读取数据与信源比特流加以比对，以得到被测试方的误码性能、频谱利用情况。完成以上操作之后，接收主机向发射主机发控制信息，表明当前数据处理完毕，可以继续发送数据。在以上流程中，由于用户需要实时的观察各缓冲区数据的波形、功率直方图情况，因此我们使用户界面线程与工作线程共享这5个缓冲区，亦即A，B，C，D，E。这两个线程之间利用线程通信的方法，可以交替对各个缓冲区进行控制。

参见图4，SISO信道频率选择性衰落特性的实现，是将待处理的数据块，亦即被测发射机模块输出的数据。经过各路径的独立衰落，将结果在接收端数据交换区，亦即图2中的RX位置进行加权，即将一个“宽带”信号通过多径信道可以看成为一个“窄带”信号分别通过多个独立的K个Rayleigh平坦衰落模块来实现(假设一个SISO信道由K径组成)。而SISO信道的时间选择性衰落的实现则对应于图4中的Rayeigh平坦衰落模块，该模块利用成形滤波器的方法产生符合Jakes模型的功率谱密度，幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机过程。

参见图5，图中上侧两个深色区域显示的是被测方的无线传输技术方案用测试平台在特定信道条件下所测得的频谱利用情况。

参见图6，图中上侧两个深色区域显示的是被测方的无线传输技术方案在特定信道条件下采用测试平台所测得的误码率性能。

Claims (1)

1.分布式无线通信传输技术测试平台的设计方法，其特征在于：

1)信源比特流的生成

首先利用迭代取中法、移位法、乘同余法或混合同余法将随机输入的一个二进制序列将其变换产生一个复合复高斯分布的随机信号序列，然后再通过随机信号的假设检验法产生在(0，1)区间上服从均匀分布的且能够在8Kbps至100Mbps之间自由调节的速率、帧长的随机信源比特流；

2)链接被测发射机模块

根据接口规范将被测发射机模块链接进测试平台的发射主机，然后将生成的信源比特流接入被测发射机模块，被测发射机模块对接收的数据进行信道编码、交织、调制、空时编码及组帧算法输出的数据；

3)多输入多输出MIMO信道模块的生成

假设多输入多输出MIMO信道有M根发射天线和N个接收天线，亦即M个输入和N输出，那么MIMO信道就相当于M×N条独立的单输入单输出SISO信道，每个独立的单输入单输出SISO信道具有频率选择性衰落和时间选择性衰落两种特性，频率选择性衰落特性的实现是将一个“宽带”信号通过多径信道变为一个“窄带”信号，然后通过多个独立的单径信道加权从而得到所需的频率选择性衰落，时间选择性衰落特性的实现是利用成形滤波器的方法，产生符合多普勒功率谱形，幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布的随机过程采样信号去乘以被测发射机的输出信号得到的结果，从而得到所需的时间选择性衰落，即生成了M×N条单输入单输出SISO信道，进而得到多输入多输出MIMO信道；

4)多输入多输出MIMO信道模块独立性的验证

假设M×N条单输入单输出SISO信道中的任意一条之间的多径信道的径数为K，对M×N×K个独立的单径信道进行随机采样取其中任意两组构成对应的两组随机变量，用相关函数或互协方差函数来检验两个信道之间的独立性，若两个相关函数的取值为零则两个信道相互独立，否则转入多输入多输出MIMO信道模块的生成重新生成多输入多输出MIMO信道模块；

5)数据的网络传输

被测发射机模块将输出的数据经MIMO信道后，利用套接字实现TCP/IP协议网络传输，即将该数据传送到接收主机，由接收主机中的被测接收机模块读取该数据；

6)链接被测接收机模块

根据接口规范将被测接收机模块链接进测试平台的接收主机，然后利用网络传输将多输入多输出MIMO信道模块的输出数据接入被测接收机模块，被测接收机模块对接收的数据进行信道估计、均衡、解调、信道译码算法输出比特流之后，即可进行测试；

7)利用虚拟仪器显示结果

根据周期图法，最大熵谱估计法或Pisarenko谐波分解法对被测发射机模块的输出数据进行功率谱估计以及将被测接收机模块输出的比特流与信源比特流进行对比，统计总的错误比特数，进而得到误码率，最后利用VisualC++中提供的各种显示类函数显示出来。

Images