常用無線信道測量方法

劉廷銀 劉巖 趙雙江 中國人民解放軍65589部隊

信道測量通常采用的方法是首先進(jìn)行現(xiàn)場測量，得到實測數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到與實測環(huán)境和條件相符合的信道模型。信道測量主要涉及測量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和配置等；后期數(shù)據(jù)處理完成相應(yīng)實測數(shù)據(jù)變換和校正等。目前，信道測量的方法有很多種，具體選擇那一種方法進(jìn)行測量主要取決于測量環(huán)境，待測頻率范圍，捕獲速度限制等。

1 大尺度測量

主要測量方法是連續(xù)波測量法。測量步驟包括：1）選擇站址：覆蓋足夠多的地物類型，第一菲涅耳區(qū)無障礙物，高于周圍建筑物的平均高度；2）測量平臺搭建分為基站系統(tǒng)：發(fā)射天線、饋線、功放、信號源和測量系統(tǒng)：接收機(jī)、GPS、測距儀、測量軟件及便攜式計算機(jī)；3）掃頻測試；4）測量數(shù)據(jù)采集，按時間采樣，要去除快衰落的影響，數(shù)據(jù)采集的速率必須滿足李氏定理，即

36<40λn/v<50

其中λ為波長，n表示每秒采樣點數(shù)，v表示車速。

建模方法包括測量數(shù)據(jù)：測得的功率值并采樣該功率所對應(yīng)的接收機(jī)位置。其中路損計算公式為PL=PT+GR+GT-Loss-PR。具體步驟包括：確定參考距離、數(shù)據(jù)預(yù)處理、去除信號強(qiáng)度異常點、去除GPS坐標(biāo)異常點、去除近場數(shù)據(jù)點、修正GPS坐標(biāo)誤差、確定傳輸距離、數(shù)據(jù)平均、估計路徑損耗指數(shù)（公式為PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0) ）、根據(jù)所得到的一組d值和相應(yīng)的PL值，運用最小二乘法估計未知量n的值、估計陰影衰落偏差（公式為PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0)+χ），其中χ為陰影衰落因子、該公式服從對數(shù)正態(tài)分布?？梢杂梅植紨M合方法求出接收到的數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布時的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

存在的問題是路徑損耗存在頻率相關(guān)性，并且由于系統(tǒng)帶寬很寬，造成天線增益和多徑傳播特性均會隨頻率變化。

2 小尺度測量

2.1 測量方法：

2.1.1 時域測量法

A、測量：

時域測量方法是通過直接發(fā)射窄脈沖，接收信號的時域響應(yīng)波形，從接收信號中去除發(fā)射信號波形、接收天線的影響，得到信道的沖激響應(yīng)。具體來講，是由脈沖發(fā)生器發(fā)射窄脈沖(納秒級或亞納秒級)，脈沖信號經(jīng)功率放大器、發(fā)射天線后進(jìn)入信道，接收信號經(jīng)接收天線、低噪放后直接送數(shù)字抽樣示波器，并轉(zhuǎn)存到計算機(jī)中。脈沖發(fā)生器和數(shù)字抽樣示波器均由觸發(fā)信號發(fā)生器發(fā)出的信號觸發(fā)。后期數(shù)據(jù)處理中對接收信號進(jìn)行去卷積，再通過數(shù)據(jù)格式處理就可以得到信道沖激響應(yīng)。

優(yōu)點：1）、實現(xiàn)簡單

2）、多徑分辨率等于周期脈沖的時間寬度

3）、可對接收信號進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，可以得到多普勒譜

缺點：1）、接收機(jī)帶通濾波器是寬帶的，噪聲和干擾比較大

2）、要獲得高的多徑分辨率，需要高速的RF轉(zhuǎn)換器和窄脈沖產(chǎn)生器

3）、需要較高的功率峰均比，因為發(fā)射機(jī)功率受限，測量系統(tǒng)動態(tài)范圍受限

B、數(shù)據(jù)處理：

時域測量系統(tǒng)的后期數(shù)據(jù)處理主要解決由時域接收信號到時域信道沖激響應(yīng)的變換，即從時域接收信號中去除發(fā)射信號波形及收發(fā)天線等的影響，這主要通過Clean算法完成。

r(t)=p(t)*Tx(t)*h(t)*Rx(t)+n(t)

數(shù)據(jù)處理過程主要利用Clean算法對接收信號進(jìn)行去卷積，設(shè)置時間零點和確定系統(tǒng)分辨率，并重新計算多徑幅度三部分。

a、利用Clean算法對接收信號進(jìn)行去卷積

首先通過實測的方法，獲得s(t)=Tx(t)*p(t)*Rx(t)+n’(t)即所謂模板信號 ,繼而通過迭代算法利用模板信號從接收信號r(t)中去掉Tx(t)、Rx(t)和n’(t)的影響，計算信號沖激響應(yīng)的近似值。

b、設(shè)置時間零點

確定去卷積后的信道沖激響應(yīng)的時間起點，并設(shè)置為時間零點（一般以計算得到的時間位置最靠前的多徑為首徑），以確定后續(xù)到達(dá)多徑分量的到達(dá)時間。

c、確定系統(tǒng)分辨率，并重新計算多徑幅度。

Clean算法處理得到的信道沖激響應(yīng)中多徑分量的時間間隔遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的實際時間分辨率，需要按照系統(tǒng)的時間分辨率重新計算多徑幅度。在確定系統(tǒng)分辨率后，將沖激響應(yīng)按系統(tǒng)時間分辨率分成相等的時間片，將每個時間片內(nèi)的所有多徑幅度相加作為此時間片多徑分量幅度。

2.1.2 掃頻法

原理是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制信號產(chǎn)生器使其在某一頻段上進(jìn)行步進(jìn)變頻，然后測量信道在每個頻點上的譜響應(yīng)，最終通過逆傅里葉變換獲得信道的時域沖激響應(yīng)。

A、測量

具體的測試為由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)的發(fā)射端發(fā)出某一頻率的信號，經(jīng)功率放大器、發(fā)射天線后進(jìn)入信道，接收信號經(jīng)有接收天線、低噪聲放大器后送至VNA的接收端，通過VNA的計算即可得到信道頻率響應(yīng)對應(yīng)某頻率分量的幅度值和相位值，VNA在測量頻帶內(nèi)重復(fù)上述過程，即可得到需測量頻帶內(nèi)的信道頻率響應(yīng)。計算機(jī)通過Labview軟件控制VNA的掃頻過程，得到的數(shù)據(jù)直接存儲到計算機(jī)中。后期處理包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、加窗、IDFT、設(shè)置門限和時間零點處理，之后可以得到實測信道的沖激響應(yīng)。

優(yōu)點：

1）、實現(xiàn)簡單

2）、多徑分辨率高，正比于頻率步進(jìn)的間隔

3）、受測量設(shè)備非線性影響較小

缺點：

1）、矢量分析儀必須和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行物理連接,只在短距離信道下可用

2）、必須在有限時間內(nèi)完成一次頻率掃描,對于大的帶寬或小的步進(jìn)間隔來說,測量不是實時的,因此,掃頻測量系統(tǒng)只適用于時不變信道或慢時變信道,掃頻測量法無法測量多普勒頻移和多普勒譜。

B、數(shù)據(jù)處理：

r(f)=P(f)Tx(f)H(f)Rx(f)+N(f)

該過程主要包括數(shù)據(jù)校正、加窗、傅里葉反變換、設(shè)置門限和設(shè)置時間零點五部分。

a、數(shù)據(jù)校正

C(f)=P(f)Tx(f)Rx(f)+N’(f)

H(f)=r(f)/C(f)

b、加窗

每組實測頻域數(shù)據(jù)的起點和終點處的數(shù)據(jù)較其他部分的數(shù)據(jù)有明顯的跳變，如果直接對這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行IDFT，在時域沖激響應(yīng)中會出現(xiàn)所謂的過調(diào)和拖尾現(xiàn)象。因此通常把頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時域之前，需要進(jìn)行加窗操作。在實際測量中VNA提供了多個窗函數(shù)可供選擇，由于加窗會造成等效時域脈沖主瓣寬度變大，降低時域分辨率，因此需要綜合考慮選擇合適的窗函數(shù)。

c、IDFT

實數(shù)通帶IDFT：假設(shè)從VNA得到的頻譜是從f1到f2，則先在0到f1之間的頻帶上補(bǔ)零，令-f2到0的頻譜是0到f2頻譜的對稱共軛，由IDFT的理論可知，對稱共軛頻譜的傅里葉反變換結(jié)果是實數(shù)序列。

復(fù)數(shù)基帶IDFT：沒有補(bǔ)零和共軛對稱操作，直接做IDFT

實數(shù)通帶IDFT處理獲得的時間分辨率是復(fù)數(shù)基帶IDFT處理的2倍以上，這可以彌補(bǔ)由于使用窗函數(shù)造成的時間分辨率損失。

d、設(shè)置門限

由于某些幅度較小的多徑信號可能有測量系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲產(chǎn)生，此外，幅度較小的多徑信號對建立相應(yīng)的多徑模型貢獻(xiàn)較?。ㄆ鋵ζ骄郊訒r延，RMS時延等信道特征參數(shù)影響較小），因此通常通過設(shè)置門限從實測信道沖激響應(yīng)中排除幅度較小的多徑分量。由于頻域測量數(shù)據(jù)門限的選取與具體數(shù)據(jù)處理算法無關(guān)，其取值相對簡單，通常選擇測量系統(tǒng)噪聲之上6dB的絕對門限即可。

e、設(shè)置時間零點

由于IDFT具有周期性，因此必須結(jié)合實測信道的物理性質(zhì)，對IDFT后的信道沖激響應(yīng)設(shè)置零點。

2.1.3 擴(kuò)頻滑動相關(guān)測量法

2.2 數(shù)據(jù)處理

在通過一定的方法測量得到超寬帶信道數(shù)據(jù)以后，還需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，才能提取出需要的信息。

數(shù)據(jù)處理的基本目標(biāo)是：提取出獨立于信道激勵信號的信道描述方式；估計傳播環(huán)境引起的失真；得出與傳播環(huán)境有關(guān)的信道參數(shù)的統(tǒng)計描述方式。

2.3 建模方法

1）包絡(luò)統(tǒng)計特性建模：矩估計

u2= E[|r|2]和u4=E[| r|4] 分別為接收信號包絡(luò)的二階矩和四階矩。

2）二階統(tǒng)計特性建模：電平交叉率；平均衰落時間

電平交叉率指的是衰落信號每秒以正斜率(或負(fù)斜率)方向通過某一信號電平的次數(shù)；

平均衰落持續(xù)時間描述的是衰落信號小于某一信號電平的平均時間。

電平交叉率描述的是在某一信號電平處信號衰落的頻率，而平均衰落持續(xù)時間給出了這一衰落的平均持續(xù)時間，由這二個特征量可以決定數(shù)字信號交織編碼的長度與深度。