信道仿真器原理及在移動通信測試中的典型應(yīng)用

1 引言

與有線傳輸主要通過各類電纜傳輸不同，移動通信或無線通信通過無線信道對信號進行傳輸。工程師在設(shè)計無線收發(fā)信機時不可避免地要考慮無線信道特性對收發(fā)信機性能的影響。信號經(jīng)過不同路徑到達接收機，這個過程稱為多徑傳輸。而不同路徑上的無線信道會產(chǎn)生不同的失真和畸變，總的來說，無線電波在傳輸過程中會經(jīng)過反射、散射、折射、衍射和吸收等不同的現(xiàn)象。其功率會因為3種效應(yīng)而發(fā)生變化，即平均傳播損耗（路徑損耗）、慢衰落和快衰落。

除了功率變化之外，信號通過不同路徑后到達接收機的時延也是不同的。人們利用無線信道的沖激響應(yīng)來描述發(fā)射機與接收機之間主要路徑的特征。使用抽頭延遲線對沖激響應(yīng)建模是一種傳統(tǒng)的衰落信道仿真技術(shù)。在這些模型中，每個“抽頭”表示在相同時間到達的眾多多徑信號的矢量和，越晚到達接收機的信號具有更大的時延和路徑損耗。可把這種描述稱為功率遲延分布（Power Delay Profile，PDP）。

圖1給出了一個信道模型的PDP，共有6條多徑。由于信道仿真器可以配置PDP和快衰落、慢衰落等，這種PDP模型可以用作信道仿真的基礎(chǔ)。

圖1 無線信道功率遲延分布

2 無線信道模擬器原理

信道仿真在軟件上很容易實現(xiàn)，但是實際的收發(fā)信機都是將基帶信號調(diào)制到射頻上，通過天線來發(fā)射和接收的，因此射頻信道仿真器對于信道模擬測試更為科學(xué)。

對于輸入的射頻信號，先經(jīng)過下變頻器將信號變?yōu)槟M信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在數(shù)字域上實現(xiàn)衰落模擬。再通過反變換即D/A轉(zhuǎn)換和上變頻回射頻信號，輸出給接收機。

對于單天線（SISO）的信道，上述仿真實現(xiàn)是比較直觀的。對于多發(fā)多收（MIMO）技術(shù)，則對信道仿真器提出了更高的要求。對多天線建模需要在天線之間具有適當相關(guān)性的衰落信道。多天線通常表示為M×N組合，其中M是發(fā)射機處的天線數(shù)量，N是接收機處的天線數(shù)量。典型的配置可以包括：2×2、4×4、4×1、1×4等。

圖2給出了2×2的例子，其中發(fā)射和接收天線元件之間總共存在4個連接。這些連接由h11、h21、h12和h22表示，每個代表基站和用戶之間的虛擬路徑。對于每個路徑，相對于歸一化的平均功率來測量增益和相位。這些項被組合在一起形成一個H矩陣。每個延遲路徑都有一個唯一的H矩陣。

圖2 2×2多天線配置

在現(xiàn)實的衰落環(huán)境中，發(fā)射機和接收機天線振子的信號是相關(guān)的，不是獨立的。廣泛的測量表明，相關(guān)性不是恒定的，而是在一個地理區(qū)域或行車路線上顯著不同。天線振子之間的相關(guān)性在數(shù)學(xué)上是與局部散射相關(guān)的，并且是信號的角度擴展（AS）、到達角（AoA）和用戶的行進方向（DoT）的函數(shù)。2×2天線系統(tǒng)的輸出矢量r可以用輸入矢量x來表示，天線之間的相關(guān)性可以用每個天線振子上觀測到的信號用ρtx來表示：

假定接收端也是全向天線，為了方便，常常用疊加矢量來表征相關(guān)性矩陣vec(H)=[h11h21h12h22]T，若R=E(vec(H)vec(H)H)，則：

典型地，使用相關(guān)矩陣來生成如圖2所示的相關(guān)信道路徑增益。相關(guān)矩陣可以作為信道模型的一部分給出，或者基于天線間隔、PAS、路徑AS和AOA的細節(jié)來計算。用于2×2多天線的多天線信道模型的相關(guān)矩陣可以寫成兩個單獨簡化相關(guān)矩陣的克羅內(nèi)克積：

對于典型的LTE測試，3GPPTS36.141給出的相關(guān)性系數(shù)如表1所示。將這些系數(shù)代入以上公式，可得到典型的高、中、低相關(guān)性矩陣。

表1 2×2相關(guān)性矩陣場景

3 信道仿真器的典型應(yīng)用

一般的基站與移動終端的測試中，通常需要把終端放到射頻屏蔽箱內(nèi)以屏蔽掉空口的泄漏信號。對于某些技術(shù)，例如Wi-Fi測試，則需要把AP和終端分別放入屏蔽箱，以提供更好的隔離。在測試中，需要依據(jù)測試場景選擇不同的標準信道模型（見表2）。

表2 典型Wi-Fi信道模型列表

在信道仿真器中，同樣內(nèi)置了標準的信道模型，可供用戶調(diào)用，具體如圖3所示。經(jīng)過測量后的結(jié)果如圖4所示，可以看到經(jīng)過信道仿真器后的測量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果是比較接近的。

圖3 信道仿真器標準模型庫

圖4 測量結(jié)果與仿真對比

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了信道仿真器原理并結(jié)合信道仿真器在移動通信測試中的典型應(yīng)用測試信道仿真器的實際數(shù)據(jù)。通過上述測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比可看出，信道模擬器可以較好地模擬信道傳輸?shù)母鞣N傳播模型，復(fù)制實際的空中信道環(huán)境，在產(chǎn)品研發(fā)、測試及無線通信頻率規(guī)劃、電磁兼容等方面起著重要的作用。

參考文獻

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