R&S信道測(cè)量解決方案：為5G提供有力支持

馮宇

高于6GHz的頻段將會(huì)廣泛使用在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，針對(duì)于高頻段信道傳播特性的了解將有助于5G系統(tǒng)物理層新技術(shù)的研究。同時(shí)，高帶寬、大規(guī)模天線陣列等技術(shù)的應(yīng)用也將給5G系統(tǒng)信道測(cè)量帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。本文將介紹不同的信道測(cè)量技術(shù)以及羅德與施瓦茨公司針對(duì)5G信道測(cè)量的解決方案。

由于超高清、3D和侵入式視頻的流行，智能家居、視頻監(jiān)控等應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展，在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中將對(duì)數(shù)據(jù)速率、時(shí)延和可靠性提出更高的要求。因此5G系統(tǒng)將考慮使用毫米波頻段（15GHz、28GH等），同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，還需要使用更大的傳輸帶寬，比如1GHz或者更高。

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信頻段都是在6GHz以下，在這個(gè)頻段積累了大量的信道模型研究結(jié)果。但是對(duì)于毫米波頻段的信道傳播特性卻知之甚少，因此對(duì)毫米波頻段的信道進(jìn)行評(píng)估和探測(cè)是5G技術(shù)研究的關(guān)鍵，尤其是在大帶寬和多天線情況下，對(duì)信道測(cè)量的方法提出了更新的要求。

本文將簡(jiǎn)要介紹信道特征基礎(chǔ)、不同的信道測(cè)量方法，以及羅德與施瓦茨公司針對(duì)毫米波頻段信道測(cè)量提供的靈活、可升級(jí)的解決方案。

無(wú)線信道特性

無(wú)線信號(hào)從發(fā)射天線到接收天線的傳輸過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的傳播路徑，包括直射路徑、反射路徑、衍射路徑、散射路徑以及這些路徑的隨機(jī)結(jié)合。同時(shí)，電波在各種路徑的傳播過(guò)程中，有用信號(hào)會(huì)受到各種噪聲的污染，因而會(huì)出現(xiàn)不同情形的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使信號(hào)難以恢復(fù)。無(wú)線信號(hào)在傳播時(shí)，不僅存在自由空間固有的傳輸損耗，還會(huì)受到建筑物、地形等的阻擋而引起信號(hào)功率的衰減和相位的失真，這種衰減還會(huì)由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和信道環(huán)境的改變出現(xiàn)隨機(jī)的變化。下面將討論無(wú)線傳輸信道的主要特性。

多徑信道

在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機(jī)收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。

這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時(shí)變性，導(dǎo)致接收信號(hào)呈衰落狀態(tài)；這些電磁波射線到達(dá)的時(shí)延不同，又導(dǎo)致碼間干擾。若多射線強(qiáng)度較大，且時(shí)延差不能忽略，則會(huì)產(chǎn)生誤碼，這種誤碼靠增加發(fā)射功率是不能消除的，而由此多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落叫多徑衰落，它也是產(chǎn)生碼間干擾的根源。多徑效應(yīng)是除了傳播衰減之外在無(wú)線信道測(cè)量中最重要的特征參數(shù)。

時(shí)變定向信道

事實(shí)上，無(wú)線信道是非靜態(tài)的，是隨著時(shí)間而變化的，對(duì)于評(píng)估波束賦形系統(tǒng)來(lái)講，定向時(shí)變信息就顯得更為重要。加上定向信息之后，無(wú)線信道沖擊響應(yīng)可用h（t，τ，φ）公式表示，其中t為時(shí)間，τ為時(shí)延，φ為方位角。

信道測(cè)量技術(shù)

信道測(cè)量的基本方法就是在無(wú)線信號(hào)特定傳播場(chǎng)景中抓取其中的一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，用來(lái)表示信道。需要觀察的系統(tǒng)函數(shù)不同，決定了不同的信道測(cè)量方法，常見(jiàn)的信道測(cè)量技術(shù)分為頻域信道測(cè)量和時(shí)域信道測(cè)量?jī)煞N。同時(shí)，由于在5G系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列和波束賦形技術(shù)的使用，角度信息也成為信道測(cè)量中重要的參數(shù)，下面將分別從頻域、時(shí)域、角度三個(gè)方面介紹信道測(cè)量技術(shù)。

頻域信道測(cè)量

頻域信道測(cè)量通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成，它可以測(cè)量出信道的頻率響應(yīng)參數(shù)，通過(guò)反傅里葉變化可以得到信道的沖擊響應(yīng)。其基本原理：其中X（f）為發(fā)射信號(hào)的頻譜，Y（f）為接收信號(hào)的頻譜。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量出各個(gè)頻點(diǎn)的傳輸增益，從而得到信道的頻率響應(yīng)H（f）。

羅德與施瓦茨公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA，可以提供從300KHz到110GHz頻段的測(cè)試，為5G毫米波頻段的信道測(cè)量提供完整的測(cè)試方案，如圖1所示。

頻域方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)試各種頻段完整的信道響應(yīng)特性，不受信道帶寬的限制。但是也存在著只能測(cè)試時(shí)不變多徑信道，以及外場(chǎng)測(cè)試受限于收發(fā)同臺(tái)儀表等缺點(diǎn)。

時(shí)域信道測(cè)量

時(shí)域信道測(cè)量是信道沖擊響應(yīng)直接測(cè)量的方法，通常使用偽隨機(jī)序列作為信道探測(cè)的信號(hào)，在接收端用已知的序列做相關(guān)可以得到信道沖擊響應(yīng)。這種測(cè)量方法需要系統(tǒng)硬件能夠產(chǎn)生和分析寬帶的探測(cè)信號(hào)，才可以完成。

羅德與施瓦茨公司針對(duì)時(shí)域信道測(cè)量方案發(fā)射端可以提供矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A，其最大可實(shí)現(xiàn)2GHz帶寬信號(hào)的產(chǎn)生。同時(shí)，該信號(hào)發(fā)生器單臺(tái)儀表可以產(chǎn)生40GHz的頻率的信號(hào)，如果配合響應(yīng)外部混頻模塊，可以產(chǎn)生100GHz頻率的信號(hào)。在接收端，R&S公司的矢量信號(hào)分析儀FSW最高頻率可達(dá)到85GHz，同樣配合混頻模塊可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100GHz信號(hào)的接收和分析，F(xiàn)SW自身的分析帶寬最大為2GHz，配合RTO可以實(shí)現(xiàn)5GHz帶寬信號(hào)的分析。

如果在發(fā)射端和接收端配合相應(yīng)的同步觸發(fā)設(shè)備，還可以測(cè)試出信道的絕對(duì)時(shí)延，R&S公司的TSMX-PP2設(shè)備是一臺(tái)GPS接收機(jī)，同時(shí)可以提供相應(yīng)的PP1信號(hào)作為信號(hào)源和頻譜儀的觸發(fā)信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的絕對(duì)時(shí)延測(cè)試，實(shí)際測(cè)試如圖2所示。

多天線擴(kuò)展

在5G系統(tǒng)中，大規(guī)模天線陣列以及波束賦形等技術(shù)的使用，對(duì)多天線信道測(cè)量以及信道測(cè)量中的角度信息等參數(shù)也提出了要求。羅德與施瓦茨公司根據(jù)時(shí)域測(cè)量方法，基于定制化的可編程控制轉(zhuǎn)臺(tái)，構(gòu)建了全自動(dòng)化的無(wú)線信道測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在俯仰角和方位角平面的全向掃描，從而實(shí)現(xiàn)天線波束的空間全向覆蓋。本系統(tǒng)實(shí)際使用的主要儀器設(shè)備包括有：矢量信號(hào)分析儀（FSW）、信號(hào)發(fā)生器（SMW）、多維度測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)、銣鐘、高增益喇叭天線等。

使用自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)能夠在空間進(jìn)行方位角和俯仰角360°全向角度掃描，考慮到高頻段電波存在較大的路徑損耗，于是在高頻段無(wú)線信道測(cè)量方案設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用了高增益的窄波束喇叭天線通過(guò)在方位角和俯仰角平面進(jìn)行角度掃描來(lái)模擬寬波束的收、發(fā)天線。

通過(guò)這種角度掃描的方案不僅可以用來(lái)將窄波束天線模擬成較寬波束的天線，更可通過(guò)較細(xì)致的角度掃描工作來(lái)更加準(zhǔn)確的確定無(wú)線電波的離開(kāi)角（Angle of Departure， AOD）和到達(dá)角（Angle of Arrival， AOA）。

羅德與施瓦茨公司的矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A、矢量信號(hào)分析儀FSW，以及相應(yīng)軟件組成的信道測(cè)量方案可以提供高靈敏度、大帶寬、毫米波頻段的信道測(cè)量，同時(shí)該方案還可以靈活擴(kuò)展至多天線信道測(cè)量應(yīng)用，為5G技術(shù)的研究提供有力的支持。endprint