CN102917397A - 一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置，包括远端机和近端机，远端机包括一相控阵天线阵列，而近端机则包括顺序连通的第一***、中频子***、基带子***、GPS接收机和数据管理服务器，数据管理服务器中还设置有磁盘阵列，而相控阵天线阵列则包括顺序连通的天线辐射单元、波束成形网络、射频子***和第二***，第二***和第一***通过电缆连通。本发明还公开了一种利用无线信道测量装置进行无线信道测量的方法。本发明通过控制相控阵天线阵列的波束指向进行空间扫描，可以对无线信道的空域特性进行快速精确测量，同时结合无线信道测量装置的收发切换，对无线信道的空域特性进行准实时双向测量，提高了测量装置的接收灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种信道测量装置与测量方法，尤其是涉及一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置与测量方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
在无线通信***中，无线信道是信息的传输媒介，无线信道的传播特性对***性能有着直接的影响。在设计任何无线通信***时，必须深入了解无线信道的传播特性，以优化***的性能。无线信道测量是了解无线信道特征的直接途径，通过信道测量可以得到真实环境中的信道数据，包括路径损耗模型、功率延迟线、信道传递函数、均方根时延扩展、相干时间、电波的离开角和到达角，等等。在此基础上，可以对各信道参数进行统计分析，并根据分析的结果，运用合理的数学方法，建立起无线信道模型。
为实现高数据速率、高频谱效率和高功率辐射效率等，在IMT-Advanced及未来移动通信***中将采用无线MIMO传输技术，而MIMO***的实际容量与电波传播的实际特性密切相关。随着通信***的不断发展，人们渴望进一步提高***的传输速率，除了对信道的时域、频域资源进行更加深入的开发外，开始对空域进行开发，尤其是MIMO和智能天线的引入，信道测量和建模也更加关注空间信息。对于MIMO***而言，其信道模型除了考虑路径损耗和时延扩展等参数外，还需明确信道的空域特性，例如电波在发送天线上的离开角和接收天线上到达角，发送和接收功率在角度域的分布，相隔一定距离的天线阵元上发送或接收信号的相关性等。在实际的无线传输环境中，信道测量数据对于MIMO信道建模和容量分析等至关重要。而且，对于采用MIMO传输技术的移动通信***的研发、部署、优化、以及***性能分析等，信道测量结果、建模和***容量的精确估计都将起到基础性与先导性的作用。
目前通过实验获取信道空域特性信息的方法主要有高增益定向天线扫描和阵列结合高分辨率DOA算法，前者的原理直观易懂，利用高增益窄波束天线在0~360°的范围内扫描，从而直接获取来波功率在角度上的分布，缺点是直接测量得到的结果受天线方向图影响较大，并且窄波束定向天线的尺寸会比较大，给制作和实验带来一些不便，实际测量时需要采用机械旋转的方式进行空间扫描，速度受限，对于时变特性明显的信道测量结果准确度下降；后者的好处在于精度高，但缺点是整个***制作复杂，算法与测试天线阵列的形式直接相关，整个***的校准需要很大的工作量，并且后续处理计算量大。
发明内容
发明目的：本发明为了提高无线信道的空域角度扩散特性测量的准确性和有效性，提供一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置与测量方法。
技术方案：一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置，其特征在于，包括远端机和近端机，所述的远端机包括一相控阵天线阵列，而所述的近端机则包括顺序连通的第一***、中频子***、基带子***、GPS接收机和数据管理服务器，所述的数据管理服务器中还设置有磁盘阵列，而所述的相控阵天线阵列则包括顺序连通的天线辐射单元、波束成形网络、射频子***和第二***，所述的第二***和第一***通过电缆连通，其中，数据管理服务器用于记录测量的数据，并对部分参数进行实时观测和结果显示，而GPS（全球定位***）接收机用于提供高稳定度的基准频率、基准定时，以及当前的经纬度和移动速度等信息。
进一步，所述的GPS接收机包含GPS驯服铷原子钟，为测量***提供精确的定位和定时信息。
一种利用上述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设定发射端的相控阵天线阵列的波束指向；
（2）设定接收端的相控阵天线阵列的波束指向；
（3）利用基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量，并记录测量状态和数据；
（4）将步骤（1）所述的发射端改为接收端，而将步骤（2）所述的接收端改为发射端，然后利用基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量，并记录测量状态和数据；
（5）改变步骤（2）所述的接收端的相控阵天线阵列的波束位置，并重复步骤（3）和步骤（4），直至接收端的相控阵天线阵列的所有波束位置测量完毕；
（6）改变步骤（1）所述的发射端的相控阵天线阵列的波束位置，并重复步骤（3）、步骤（4）和步骤（5），直至发射端的相控阵天线阵列的所有波束位置测量完毕。
有益效果：本发明通过控制相控阵天线阵列的波束指向进行空间扫描，可以对无线信道的空域特性进行快速精确测量，同时结合无线信道测量装置的收发切换，可对无线信道的空域特性进行准实时双向测量，而由于采用了有源的相控阵天线，提高了测量装置的接收灵敏度。
附图说明
图1为本发明所述的无线信道测量装置的结构示意图；
图2为本发明所述的相控阵天线阵列的结构示意图；
图3为本发明所述的无线信道测量方法的流程图。
图中主要标记含义如下：
1、相控阵天线阵列 2、第一*** 3、中频子***
4、GPS接收机 5、基带子*** 6、数据管理服务器
7、电源 11、第二*** 12、射频子***
13、波束成形网络 14、天线辐射单元 61、磁盘阵列。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：图1为本发明所述的无线信道测量装置的结构示意图；图2为本发明所述的相控阵天线阵列的结构示意图；
如图1和图2所示：一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置，包括远端机和近端机，所述的远端机包括一相控阵天线阵列1，而所述的近端机则包括顺序连通的第一***2、中频子***3、基带子***5、GPS接收机4和数据管理服务器6，以及为近端机提供电的电源7，所述的数据管理服务器6中还设置有磁盘阵列61，而所述的相控阵天线阵列1则包括顺序连通的天线辐射单元14、波束成形网络13、射频子***12和第二***11，所述的第二***11和第一***2通过电缆连通，其中，数据管理服务器6用于记录测量的数据，并对部分参数进行实时观测和结果显示，而GPS接收机4则用于提供高稳定度的基准频率、基准定时，以及当前的经纬度和移动速度等信息，且在本实施方式中，所述的GPS接收机4包含GPS驯服铷原子钟。
在本实施方式中，所述的相控阵天线阵列1通过波束成形网络13可以对各个天线辐射单元14设置特定的相位，从而使得相控阵天线阵列1的辐射波束指向需要的角度，实现波束扫描的功能。当所述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置的工作状态为接收模式时，相控阵天线阵列1的射频子***12将接收到的信号进行处理后，通过第二***11转换为光信号，然后经光缆传送至近端机的第一***2，然后变换为电信号后进入近端机的中频子***3和基带子***5进行处理，最后将数据存储在数据管理服务器6中的磁盘阵列61中，以供后期进行无线信道参数的提取和特性分析。
当所述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置的工作状态为发射状态时，近端机中的数据管理服务器6产生需要的基带信号，结合GPS驯服铷原子钟提供的位置和时间信息后进入基带子***3和中频子***5，然后经基带子***3和中频子***5进入第一***2，并将其转换为光信号，然后通过光缆传输至远端机的第二***11，再次转换为电信号后进入相控阵天线阵列中的射频子***12，射频子***12将收到的信号变频到需要的频率，然后放大，经波束成形网络13后进入各个天线辐射单元14辐射出去，最后在空间形成预定的波束指向。
此外，所述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置支持Radio over fiber（RoF）技术，能够很好的支持分布式小区的测量场景。
图3为本发明所述的无线信道测量方法的流程图。
如图3所示：一种利用上述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量的方法，包括以下步骤：
（1）设定发射端的相控阵天线阵列的波束指向；
（2）设定接收端的相控阵天线阵列的波束指向；
（3）利用基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量，并记录测量状态和数据；
（4）将步骤（1）所述的发射端改为接收端，而将步骤（2）所述的接收端改为发射端，然后利用基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量，并记录测量状态和数据；
（5）改变步骤（2）所述的接收端的相控阵天线阵列的波束位置，并重复步骤（3）和步骤（4），直至接收端的相控阵天线阵列的所有波束位置测量完毕；
（6）改变步骤（1）所述的发射端的相控阵天线阵列的波束位置，并重复步骤（3）、步骤（4）和步骤（5），直至发射端的相控阵天线阵列的所有波束位置测量完毕。
其中具体为：在利用本发明所述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量时，本发明可以将发射端的相控阵天线波束设置到一个预定的位置，然后接收端相控阵天线波束在水平面内或者垂直面内进行扫描，无线信道测量装置记录对应于各个波束的数据，或者固定接收端的波束位置，利用发射端波束进行扫描；而进行收发两端互易性测量时，则可以将收发两端的相控阵天线都设定到一个固定的波束位置，进行一次测量并记录结果，然后在保持相控阵天线的波束位置不变的情况下，将收发两端的功能互换，即原来的发射端改为接收端，原来的接收端改为发射端，然后再进行一次数据测量。
上述基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置中的相控阵天线阵列的波束可以指向需要的位置，进行空间扫描，而上述的方法则利用了相控阵天线阵列的波束可控扫描特性，实现了对无线信道的空域特性进行测量。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (3)
1.一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置，其特征在于，包括远端机和近端机，所述的远端机包括一相控阵天线阵列，而所述的近端机则包括顺序连通的第一***、中频子***、基带子***、GPS接收机和数据管理服务器，所述的数据管理服务器中还设置有磁盘阵列，而所述的相控阵天线阵列则包括顺序连通的天线辐射单元、波束成形网络、射频子***和第二***，所述的第二***和第一***通过电缆连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置，其特征在于，所述的GPS接收机包含GPS驯服铷原子钟。
3.一种利用权利要求1所述的基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设定发射端的相控阵天线阵列的波束位置，形成特定的波束指向；
（2）设定接收端的相控阵天线阵列的波束位置，形成特定的波束指向；
（3）利用基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量，并记录测量状态和数据；
（4）将步骤（1）所述的发射端改为接收端，而将步骤（2）所述的接收端改为发射端，然后利用基于相控阵天线阵列的无线信道测量装置进行无线信道测量，并记录测量状态和数据；
（5）改变步骤（2）所述的接收端的相控阵天线阵列的波束位置，并重复步骤（3）和步骤（4），直至接收端的相控阵天线阵列的所有波束位置测量完毕；
（6）改变步骤（1）所述的发射端的相控阵天线阵列的波束位置，并重复步骤（3）、步骤（4）和步骤（5），直至发射端的相控阵天线阵列的所有波束位置测量完毕。
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