CN101656971B - 基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台及方法，天线***采用基于电控波束扫描天线的虚拟天线阵列技术，通过电压控制信号调整天线波束在水平域及俯仰域上的波束方向，以及由旋转控制器调整天线的物理位置，对空域进行“扫描式”测量，采集实测信道响应，获取信道在时域和空域的细粒度特性，从而为实际信道分析和建模提供有效的参数。本发明提高了天线阵列切换速度，增加信道测试精确性。

Description

基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台及方法

技术领域

本发明属于宽带无线通信领域，涉及一种无线信道测试平台，尤其针对下一代宽带移动通信***的设计与优化需求，可广泛应用于多发多收(MIMO)无线传播信道的高精度、多维度测试与建模。

背景技术

未来的宽带无线通信网络将能够提供更高容量、更大覆盖范围以及更快的数据传输速率，与此同时，人们对于无线信道的研究越来越深入。开发合理的MIMO无线信道模型以模拟各种实际信道环境，是评估现有空时处理算法的性能的起点，也是开发更加稳健的空时处理算法的前提，更是仿真与优化设计高性能MIMO通信***的基础。自从开始探索信号的空域信息以来，人们对空间信道的测试就特别感兴趣。MIMO通信技术发展至今，理论日渐成熟，而现场测试亟待进行。开发测试平台进行现场测试对于MIMO通信技术迈向实用化具有重要意义。

高精度无线信道测试平台是MIMO信道分析、建模与仿真的支撑平台。利用无线信道测试平台能采集各种实测信道信息，对无线信道的复杂空间特性进行高精度分析，为建立准确的信道模型提供参考和保障。现有的信道测试方法通常采用波束切换天线，又叫多波束天线。它具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的固定波束中选择其一，检测信号强度。此类天线在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。发射天线阵产生多个波束来分别照射不同地区，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。多波束天线利用多个并行波束覆盖整个接收区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当接收机移动时，发射天线在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。

传统波束切换天线很多不足之处，比如天线互耦、阵列架构限制、天线阵列切换速度不够快、信道分析的复杂度高、后处理耗时大等。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有平台的许多弊端，如天线阵列的切换速度慢、信道分析的复杂度高、后处理耗时大导致信道解析精度不高，以及利用多个天线发送与接收造成的高成本和低灵敏度等问题，提供一种基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台及方法，提高切换速度，增加测量精确度。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台，其包括发射机***、天线***、接收机***，天线***采用基于电控波束扫描天线的虚拟天线阵列技术，对空域进行“扫描式”测量，采集实测信道响应，获取信道在时域和空域的细粒度特性，从而为实际信道分析和建模提供有效的参数。

进一步，所述天线***包括同步设备、天线控制单元、扫描天线。同步设备确保收、发天线在切换时间上同步及切换的时间精度，天线控制单元根据电压控制信号调整天线波束方向，实现波束在水平域及俯仰域上方向变化的虚拟天线阵列。

所述天线***还包括旋转控制器、旋转设备，扫描天线支撑于旋转设备上，旋转控制器控制旋转设备调整天线支撑实现扫描天线位置变化的虚拟天线阵列。

所述天线***的扫描天线，其波束主瓣的3dB宽度为4-6度。

一种基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试的方法，其包括以下步骤：

1)对测试平台的***响应校准，确保发射机***及接收机***同步，发射机***发送射频信号；

2)在发送天线的波束方向改变前，接收天线通过电压控制信号调整波束方向，对同一信号进行不同方向上的接收；

3)通过电压控制信号改变发送天线的波束方向，重复步骤2)，直至达到预期的样本采集量，结束发送和接收，并存储数据；

4)处理存储数据，进行信道特征总结和信道统计模型的构建。

所述的存储数据的处理包括直接得到信道在空间，即波离方向和波达方向上的功率谱，以及利用高精度参数估计算法获得信道特征。

本发明使用基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台，融合了电控波束扫描、虚拟天线阵列等多项先进理论和技术，能有效采集MIMO无线信道的脉冲响应。同时，它用波束扫描天线构成虚拟的天线阵列来代替实际的天线阵列，使平台的扫描切换速度、采样速率、同步校准等参数满足可以对高速动态信道进行有效测量的要求。为宽带无线通信***，无线信道测试提供了一种新的思路。

通过构建空间立体形状的天线阵列，来弥补单个天线扫描角度的局限性。以调整不同位置天线阵列的扫描角度，从而形成分布式结构的虚拟天线阵列。可有效解决传统天线阵列设计中天线互耦、阵列架构限制以及时-空-频域上的相干时间、相干距离和频率等方面的要求。

不是通过物理开关转换，而是通过电控扫描式天线，因此能够实现快速波束扫描。

可以通过波束的全方位快速扫描直接得到发射和接收功率谱，从而无须复杂的矩阵计算就可以方便的得到接收功率与角度的关系，可以采集到良好的脉冲响应，从而达到高精确度。

省去了传统信道测试与分析平台天线***的数据计算所必要的数据存储时间，从而实时性好。

通过虚拟天线阵列技术，使平台的扫描切换速度、采样速率、同步校准等参数满足高速移动的要求，适用于高速移动场景下的信道测试。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、虚拟阵列技术，分布式测试架构。

2、灵活空域扫描，解析度显著提高。

3、冗余数据量少，后端处理更优化。

附图说明

图1是高精度无线信道测试平台架构图。

图2是分布式虚拟天线阵列示意图。

图3是是天线控制***图。

图4是波束扫描天线方向图。

图5是利用压控扫描天线形成环形虚拟天线的示意图。

图6是利用压控扫描天线形成球形虚拟天线的示意图。

图7是本发明在信道测量中的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明是一种适合实验室研究的高精度无线信道测试平台，融合了电控波束扫描、虚拟天线阵列等多项先进理论，得益于“扫描”的理念无须经过复杂的信号处理，就可以快速得到信道的时-空-频脉冲响应的信息，从而准确地掌握MIMO信道特征，建立不同场景下的MIMO信道模型，为宽带无线通信***的设计与优化提供参考和保障。

虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台架构图如图1所示，主要由发射机***、天线***、接收机***组成。发射机***包括用来产生发射端虚拟天线扫描模式指令的计算机、矢量信号发生器、同步设备，通过矢量信号发生器产生矢量信号经由天线***传输至接收机***，接收机***则包括射频接收机前端、高速数据采集与存储单元、计算机和同步设备。其中射频接收机前端接收无线电波信号，并将其从射频转换为基带信号，采集与存储单元实现对基带信号的抽样采集，A/D转换，并保存，计算机可对存储的无线基带数字信号实现信息处理，获得信道特征。发射机***和接收机***通过同步设备控制严格同步。本发明的特点在于在天线***中引入了基于电控波束扫描天线的虚拟天线阵列技术，对空域进行“扫描式”测量，能有效提高无线信道空间解析度，通过采集实测信道响应，获取信道在时域和空域的细粒度特性，从而为实际信道分析和建模提供有效的参数。

天线***的设计如图3所示，其中包括同步设备、天线控制单元、旋转控制器、旋转设备和扫描天线。控制天线的设备有天线控制单元和旋转控制器。旋转控制器控制旋转设备，该旋转设备调整天线支撑，使天线的朝向符合特定的方向，进而结合可控波束，可以让发送信号覆盖三维空间。天线控制单元的作用是来控制天线的波束扫描。同步设备有两个作用，一是使收、发天线之间在切换时间上实现严格同步，比如发送天线波束切换一次的时间内，接收天线波束需要切换固定的次数，如10次。同步设备的另一个作用是确保切换的时间精度，这是由于在信道测量中，天线波束的切换速度要求很高，每次切换时间仅有几微秒。天线控制单元则根据电压控制信号调整天线波束方向。电压控制信号由DSP(数字信号处理)的馈电电压模块产生：包括DC-DC转换器，数字电位器和控制单元。天线控制单元和旋转控制器都由DSP处理器控制。DSP主要有三个核心任务：提供***同步复位信号；提供天线波束扫描所需的电压控制信号；提供天线旋转设备的控制信号。通过图4可以看到不同电压下波束扫描天线的方向图，根据该方向图设计DSP的控制代码实现电控波束扫描。

虚拟天线阵列的设计是高精度无线信道测试平台搭建的关键环节。在信道测量中使用天线阵列主要是有两个目的：一是能在空域获得足够大的分辨率；二是使天线阵列的辐射能够对发射或接收器周围的较大范围形成覆盖。采用传统实体天线阵列时，上述两个目的分别是通过增加天线的个数，以及将各个天线的辐射主瓣设计成指向不同的方向而达到的。本发明采用的是虚拟天线阵列，一方面通过电控天线的窄波束和对空间进行密集扫描的方式，来实现较大的空间分辨率，另一方面则控制电控天线波束的方向，使之能够灵活地指向需要覆盖的方向。本发明所采用的压控天线所形成的波束主瓣的3dB宽度接近5度，并且通过不同电压指向天线一侧约120度角内的任意方向，这就意味着如不旋转天线朝向，可以在120度的范围内，利用密集扫描的方式，以5度的空间分辨率对信道响应进行采样。该空间分辨率远远优于现有信道测试设备普遍高于15度的空间分辨精度。由于压控天线波束覆盖仅在120度的范围内，所以本发明中构建的虚拟天线阵列，还需要将压控天线和旋转设备相结合，通过旋转天线的轴向，改变天线的朝向，同时结合压控波束，形成对空域的全覆盖。图5、图6显示了如何利用一个压控波束天线结合旋转装置，形成环形和半球形的虚拟阵列。图中天线支撑在旋转设备的控制下，依次指向几个固定的方向。当支撑在一个方向上固定时，通过对改变天线的电压，例如从3V变化到12V，可以实现在天线朝向一侧120度水平域和大约45度仰俯域的覆盖。这种构建虚拟阵列的方式，还可以用来构建其他形式的虚拟阵列，如球形或锥形等。利用这些结构各异的虚拟天线阵，信道分析设备就能对无线信道在不同象限空间特性进行详细的测量和取样。

除此之外，利用多路旋转控制器控制多个旋转设备的转动，可操控位于不同位置的虚拟天线，从而形成分布式结构的虚拟天线阵列，这样能更好地分析未来移动通信中复杂网构环境中，如多点协同、多点续传无线信道的空间特性。

实施例：测试高速移动情形10MHz带宽下的10*10的MIMO信道特征，选用10MHz的矢量信号发生器产生10MHz的信号，通过波束扫描天线传输至接收机，接收端将收到的射频信号转至基带信号，然后通过采集速率为20Msample/s的采集卡将10MHz信号完整的采集下来然后即时存储。而其中天线部分的工作，测量10*10的MIMO信道，需要在信道相干时间内发射天线扫描式切换10次，发射天线每切换一次(可假定是在120度的水平范围内切换)，接收天线扫描式切换10次(可假定是在120度的水平范围内切换)，即控制接收天线的电压需要线性切换100次，通常高速移动场景下相干时间会短至几毫秒，如果用常规的物理开关切换速度往往不理想导致信道特征分析不够精确。而采用电控波束扫描天线的平台能在满足信道相干的极短时间内完整的记录经由100个信道传输的信号，存储下来的完整信号再经由后处理分析可以得到高精度的信道特征。

测试步骤：

步骤1，将发射机、接收机、天线***、同步及电源等按附图1所示搭建平台。

步骤2，确定测试的无线环境和测试的项目场景。

步骤3，对***的响应进行校准，确定收发信机之间同步。

步骤4，实施测量。具体的***配置和虚拟阵列的切换过程如下：发射机发送10MHz带宽信号，电源设置好双路输出电压波形，其中一路输出电压供发射天线5ms内线性切换10次(3，4，5，…，12V)，另一路输出电压供接收天线5ms内重复10次切换，每次切换10次(3，4，5，…，12V)。具体过程如下，在5ms开始时，加载在发射天线上的电压为3V时，而加载在接收天线上的电压从3V开始，依次变换成4V、5V，直至12V，然后发射天线上的电压再切换成4V，加载在接收天线上的电压再从3V开始递增到12V，随后发射天线上的电压再换为5V，以此类推。这样在5ms结束时，发射天线和接收天线上的所有可能加载的电压之间的组合均出现了一次。这样能够保证在5ms的时间内，对信道内不同发射和接收方向上的100个子信道测量一次。接收到的射频信号经接收***前端处理经中频变换到基带。按照上述方式在一定时间内完成信道测量。

步骤5，在规定时刻，如每个扫描周期结束后，采集基带数据并存储至磁盘阵列。

步骤6，对存储下来的数据进行后处理。鉴于信号采集设备的特点，该处理过程分为两部分。第一部分，可直接得到信道在空间，即波离方向和波达方向上的功率谱。第二部分，则是利用高精度参数估计算法，包括基于子空间的MUSIC算法(见参考文献[1])，以及以迭代方式来近似最大似然方法的SAGE算法(见参考文献[2])来提取信道在其他参数域中的分布特征。同时，针对长时间的测量，也可以提取信道在时间上的变化规律。

步骤7，利用得到的结果进行信道特征总结和信道统计模型的构建。

由此可见，传统信道测试方法是采用物理上的天线阵列，通过高速开关依次将天线单元连接到发射机或接收机，切换速度往往并不理想。而本发明通过控制输入电压的连续变化实现扫描天线波束的不同指向，没有物理上的转换开关，能够克服传统信道测试方法中物理开关的切换速度慢的问题。

计算信道在空间的功率谱时，传统的方法是首先用预定义的多个天线来接收信号，天线的辐射方向和增益已事先了解，然后再通过阵列计算方法来处理接收到的信号矩阵，通常是在时域-频域和空域联合处理，得到信道的联合功率谱。这种方法的缺点是不能直接得到信道的空间功率谱，处理复杂度高，消耗的时间长，不适合进行实时测量。而本发明采用虚拟天线阵列利用电控波束扫描技术对全方位进行波束扫描。该电控波束扫描天线的特点在于其波束不固定，通过改变天线输入电压来控制天线波束方向和宽度的变化。在相干时间内通过控制电压快速切换、控制天线依次扫描空域中的多个角度，则可通过测量信号直接得到每一个方向上接收到的信号强度，从而可以方便的得到发射和接收功率的角度分布谱，省去了数据计算所必要的数据存储时间，从而实时性好。

本发明所使用的电控波束扫描天线体积小、便于架设、成本较低，在环境相对特殊的条件下也能方便的进行测试。采用高精度的同步设备，进而使平台的扫描切换速度、采样速率、同步校准等参数满足高速移动的要求，适用于高速移动场景下的信道测试。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

参考文献：

[1].Schmidt，R.O.Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation，IEEETransaction on Antennas and Propagation，1986，AP-34，276-280

[2].Fleury，B.H.；Tschudin，M.；Heddergott，R.；Dahlhaus，D.&Pedersen，K.L.ChannelParameter Estimation in Mobile Radio Environments Using the SAGE Algorithm，IEEEJournal on Selected Areas in Communications，1999，17(3)，434-450

Claims (4)

1.一种基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台，其包括发射机***、天线***、接收机***，其特征在于：天线***采用基于电控波束扫描天线的虚拟天线阵列技术，对空域进行“扫描式”测量，采集实测信道响应，获取信道在时域和空域的细粒度特性，从而为实际信道分析和建模提供有效的参数，

所述天线***包括：

同步设备，用于确保收、发天线在切换时间上同步及确保切换的时间精度；

天线控制单元，根据电压控制信号调整天线波束方向，以控制天线的波束扫描，实现波束在水平域及仰俯域上方向变化的虚拟天线阵列；

扫描天线，支撑于旋转设备上；

旋转控制器，控制旋转设备；

旋转设备，调整天线支撑，使天线的朝向符合特定的方向，同时结合可控波束，以实现扫描天线位置变化的虚拟天线阵列。

2.如权利要求1所述的基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台，其特征在于：所述天线***的扫描天线，其波束主瓣的3dB宽度为4-6度。

3.一种利用权利要求1所述的高精度无线信道测试平台对无线信道进行测试的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)对测试平台的***响应校准，确保发射机***及接收机***同步，发射机***发送射频信号；

2)在发送天线的波束方向改变前，接收天线通过电压控制信号调整波束方向，对同一信号进行不同方向上的接收；

3)通过电压控制信号改变发送天线的波束方向，重复步骤2)，直至达到预期的样本采集量，结束发送和接收，并存储数据；

4)处理存储数据，进行信道特征总结和信道统计模型的构建。

4.如权利要求3所述对无线信道进行测试的方法，其特征在于：所述存储数据的处理包括直接得到信道在空间，即波离方向和波达方向上的功率谱，以及利用高精度参数估计算法获得信道特征。

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