基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的虛擬大規(guī)模MIMO信道測(cè)量平臺(tái)

袁 磊，龐 葦，袁 浩

（蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000）

0 引言

在“新工科”的引領(lǐng)下［1］，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校工科教學(xué)中起著越來越重要的作用。與枯燥的公式推導(dǎo)等理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能使學(xué)生獲得學(xué)習(xí)過程中的直觀體驗(yàn)，幫助培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固并靈活應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)并極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情［2-3］。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，第5代（5thGeneration，5G）移動(dòng)通信技術(shù)時(shí)代在全球的共同努力下已到來［4］。作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用［5-6］。大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)的性能往往受限于傳播場(chǎng)景中的信道特性。與室外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境更加復(fù)雜［7］。如今大部分無線通信業(yè)務(wù)發(fā)生在寫字樓等室內(nèi)場(chǎng)所，考慮到5G微基站特征［8］，將會(huì)有更多的微型基站部署在室內(nèi)。

本文使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和LabVIEW自主設(shè)計(jì)并開發(fā)造價(jià)相對(duì)低廉的虛擬大規(guī)模MIMO無線信道測(cè)量平臺(tái)，為高校研究大規(guī)模MIMO通信技術(shù)、完成通信實(shí)驗(yàn)提供方便。

1 測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

1.1 整體架構(gòu)與硬件組成

測(cè)量平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)量平臺(tái)架構(gòu)圖

其中，Tx為發(fā)送端的天線陣列，用于模擬基站。Rx為接收端的天線，模擬用戶終端。由于天線陣列成本高昂，為節(jié)約成本，采用虛擬均勻天線陣列來替代。虛擬均勻天線陣列由數(shù)控天線位移系統(tǒng)與固定于游標(biāo)上的全向天線組成，如圖2所示。

圖2 虛擬天線陣列

利用計(jì)算機(jī)程序控制數(shù)控天線位移系統(tǒng)上的游標(biāo)進(jìn)行水平或者垂直方向上的移動(dòng)，帶動(dòng)天線隨之移動(dòng)，形成虛擬均勻天線陣列［9］。其中數(shù)控天線位移系統(tǒng)由3D打印機(jī)改裝而成。

測(cè)量平臺(tái)選用如圖3所示的N9918A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其發(fā)射功率為－15 dBm，可測(cè)頻段為30 kHz～26.5 GHz，完全滿足測(cè)量帶寬需求。它能利用步進(jìn)掃頻的方式收集其收發(fā)端口之間的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，選擇該儀器作為本測(cè)量的信號(hào)發(fā)生器和接收器。

電磁波在傳播的過程中受環(huán)境等因素的影響，信號(hào)強(qiáng)度必然會(huì)產(chǎn)生衰減，導(dǎo)致從信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)抵達(dá)接收端時(shí)，有可能由于強(qiáng)度較小而被噪聲所淹沒。需要增加信號(hào)功率，確保抵達(dá)接收端的信號(hào)不被噪聲淹沒，測(cè)量平臺(tái)引入功率放大器和低噪聲放大器，增加信號(hào)功率，確保測(cè)量到的是有用信號(hào)而非噪聲。低噪聲放大器和功率放大器分別接于網(wǎng)絡(luò)分析儀的收發(fā)端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)信號(hào)的放大作用。

測(cè)量平臺(tái)可測(cè)頻段與網(wǎng)絡(luò)分析儀的可測(cè)頻段相統(tǒng)一。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生主要針對(duì)運(yùn)營(yíng)商使用的5G移動(dòng)通信頻段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這幾個(gè)頻段分別為2.5～2.6、3.5～3.6 和4.8～4.9 GHz。

低損耗線纜如圖4所示，它在上述3個(gè)測(cè)量頻段的損耗分別為4、6和7 dB。低噪聲放大器和功率放大器分別如圖5、6所示。其中，低噪聲放大器對(duì)3個(gè)測(cè)量頻段的增益分別為51、51和50 dB，功率放大器在3個(gè)測(cè)量頻段的增益分別為32、31和31 dB。全向天線在3個(gè)測(cè)量頻段的增益恒為3dBi。測(cè)量平臺(tái)實(shí)物圖如圖7所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀

圖4 低損耗線纜

圖5 低噪聲放大器

圖6 功率放大器

圖7 測(cè)量平臺(tái)

1.2 工作原理及干擾排除

無線信號(hào)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射端口發(fā)出，經(jīng)過功率放大器和低損耗線纜傳輸?shù)桨l(fā)射天線，通過無線信道的傳播被接收天線所截獲，再經(jīng)低噪聲放大器和低損耗線纜傳送至網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端口，網(wǎng)絡(luò)分析儀能實(shí)時(shí)獲取信道的頻率響應(yīng)。

計(jì)算機(jī)端的LabVIEW控制程序用于發(fā)送控制信號(hào)。控制信號(hào)分為2路，第1路通過USB數(shù)據(jù)線控制數(shù)控天線位移系統(tǒng)，用于控制數(shù)控天線位移系統(tǒng)的游標(biāo)移動(dòng)，游標(biāo)的移動(dòng)帶動(dòng)發(fā)射天線的移動(dòng)，每次移動(dòng)需等待3 s再進(jìn)行下一次移動(dòng)，此時(shí)發(fā)射天線持續(xù)發(fā)出掃頻信號(hào)。在發(fā)射天線移動(dòng)完畢的等待時(shí)間內(nèi)，第2路通過以太網(wǎng)線控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描由接收天線獲取并傳到接收端口的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以csv文件的格式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)硬盤。進(jìn)行下一次的發(fā)送天線移動(dòng)及信號(hào)采集存儲(chǔ)，重復(fù)此步驟，直至虛擬均勻天線陣列上的所有位置全部測(cè)量完畢。

鑒于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的是收發(fā)端口之間的頻率響應(yīng)，其發(fā)送和接收端口之間不僅包括信道，還有低損耗線纜、功率放大器和低噪聲放大器等。而研究信道特性需要的僅是介于收發(fā)天線間的信道的頻率響應(yīng)。在測(cè)量之前，需要對(duì)放大器和線纜等進(jìn)行校準(zhǔn)。先測(cè)得各個(gè)器件的頻率響應(yīng)，稱作系統(tǒng)頻率響應(yīng)。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用系統(tǒng)頻率響應(yīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做一個(gè)去卷積操作，獲得真實(shí)的無線信道的頻率響應(yīng)。

現(xiàn)實(shí)情況下，室內(nèi)無線電的傳播很容易受室內(nèi)各種狀況的干擾，比如人員走動(dòng)等，這會(huì)對(duì)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)盡量避免非場(chǎng)景因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，保證室內(nèi)環(huán)境不變，這樣才能將室內(nèi)信道近似看作時(shí)不變信道。但在實(shí)際的測(cè)量過程中，接收天線的位置需要實(shí)時(shí)更改，測(cè)量人員必須在計(jì)算機(jī)旁邊操控程序，這些都會(huì)對(duì)測(cè)量過程產(chǎn)生干擾。為了解決這個(gè)問題，使用路由器搭建局域網(wǎng)，通過室外的遠(yuǎn)端電腦實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)近端電腦的遠(yuǎn)程控制，使得操作人員可以隔離在測(cè)量環(huán)境之外，盡可能減小非場(chǎng)景因素造成的干擾。

如圖8所示，近端計(jì)算機(jī)在測(cè)量場(chǎng)景內(nèi)通過以太網(wǎng)線和USB數(shù)據(jù)線控制硬件測(cè)量平臺(tái)。遠(yuǎn)端電腦置于室外，通過網(wǎng)線和路由器控制近端電腦，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，消除室內(nèi)人為因素的影響。

1.3 軟件控制程序

LabVIEW是圖形化的編程軟件，被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)領(lǐng)域與工業(yè)領(lǐng)域［10-11］。作為一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖像化編程語言，它不僅提供了許多類似真實(shí)儀器的操作控件，還可以引導(dǎo)學(xué)生在自定義的模擬真實(shí)儀器的用戶界面上進(jìn)行實(shí)際操作，具有可視化效果好、界面清晰操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［12-13］。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文利用LabVIEW開發(fā)出一套測(cè)量平臺(tái)的控制程序。學(xué)生通過操控該計(jì)算機(jī)程序，即可輕松控制測(cè)量平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)典型室內(nèi)環(huán)境信道的大規(guī)模測(cè)量。圖9所示為本文自主開發(fā)的LabVIEW程序的用戶界面。圖10所示為用戶界面對(duì)應(yīng)的程序框圖。

圖8 遠(yuǎn)程控制示意圖

圖9 軟件控制程序用戶界面

圖10 程序框圖

其中，數(shù)控天線位移系統(tǒng)端口號(hào)欄用于輸入端口號(hào)；網(wǎng)絡(luò)分析儀IP地址欄用于輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀的IP地址；天線數(shù)目為發(fā)送天線陣列的數(shù)目，設(shè)置16×16 MIMO則輸入16即可；天線間距為天線陣列的間距，mm；采樣點(diǎn)數(shù)為測(cè)量頻帶內(nèi)掃描點(diǎn)的數(shù)目；掃描延時(shí)為每移動(dòng)一次數(shù)控天線位移系統(tǒng)的游標(biāo)，預(yù)留給網(wǎng)絡(luò)分析儀采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)延；天線陣列起始橫縱坐標(biāo)為發(fā)送天線相對(duì)于數(shù)控天線位移系統(tǒng)的起始位置坐標(biāo)；起始頻率和終止頻率用來設(shè)定掃描的頻帶。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

測(cè)量平臺(tái)可用于無線通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生可利用此平臺(tái)在典型室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行信道測(cè)量，了解信道的大尺度衰落和小尺度衰落特性，此外，測(cè)量平臺(tái)還可讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)深入理解大規(guī)模MIMO的波束成形技術(shù)等。

2.1 室內(nèi)信道特性的實(shí)驗(yàn)研究

5G移動(dòng)通信的優(yōu)勢(shì)之一，在于其豐富的頻譜資源。為幫助學(xué)生直觀理解不同頻率信號(hào)的傳播差異，針對(duì)運(yùn)營(yíng)商使用的5G移動(dòng)通信頻段，由教師指導(dǎo)學(xué)生利用測(cè)量平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行大規(guī)模實(shí)測(cè)，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，幫助學(xué)生了解典型室內(nèi)環(huán)境中不同頻段的無線信道特性。其中，測(cè)量帶寬為5G移動(dòng)通信所采用的100 MHz。

測(cè)量場(chǎng)景的平面示意圖和實(shí)測(cè)圖分別如圖11、12所示。其中，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的長(zhǎng)為15 m，寬為10 m，高為4 m。墻壁、天花板和地板均為混凝土構(gòu)造。Tx為發(fā)送天線的所在位置，Rx為接收天線的所在位置。該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地總共設(shè)置25個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖11 測(cè)量平面示意圖

圖12 實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片

（1）路徑損耗。根據(jù)帕塞瓦爾定理，信號(hào)的頻域能量等于其時(shí)域能量。由此通過對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用最小二乘擬合法對(duì)路徑損耗進(jìn)行擬合，得到擬合圖像如圖13所示?？梢姡S著頻率的增高，路徑損耗以及路徑損耗指數(shù)均隨之變大。無線電波的頻率越高，信號(hào)穿透物體的能力越弱，繞射性能也越差，被物體遮擋造成的影響更大。

（2）空間相關(guān)。通過數(shù)據(jù)處理得到大規(guī)模MIMO信道的空間間隔相關(guān)系數(shù)的平均值，繪制成圖像如圖14所示。其中，λ為波長(zhǎng)。由圖可知，在天線陣列陣元間隔為0.5、1 和1.5λ 時(shí)，4.85 和2.55 GHz具有相似的空間間隔相關(guān)系數(shù)。4.85 GHz可以基于更小的天線陣列陣元間隔實(shí)現(xiàn)更高的分集增益和信道容量［14］。

圖14 發(fā)射天線相關(guān)系數(shù)

2.2 波束成形的實(shí)驗(yàn)研究

為幫助學(xué)生理解大規(guī)模MIMO的波束成形技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行研究。測(cè)量平面示意圖如圖15所示。圖16為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的實(shí)測(cè)圖。發(fā)送天線陣列用Tx表示，用來模擬基站，陣列的中心高度為1.2 m。M1和M2為2個(gè)接收天線，用來模擬用戶。其中M1和M2處于同一位置，M1高度為1.2 m，M2高度為1.7 m。發(fā)送天線陣列與M1距離為2 m。

圖15 測(cè)量平面示意圖

圖16 實(shí)測(cè)照片

利用測(cè)量平臺(tái)實(shí)測(cè)獲得無線信道的S21（ω，rh，rv）。其中：ω為頻域采樣點(diǎn)的矢量；rh和rv分別為天線在水平和垂直維度上的空間位置矢量，m。頻域采樣點(diǎn)數(shù)目設(shè)定為1 601個(gè)。

時(shí)延波數(shù)譜的轉(zhuǎn)換式如下［15］：

式中，IFFT3為三維逆快速傅里葉變換，即對(duì)三維的每一個(gè)維度分別進(jìn)行一維逆快速傅里葉變換。kh和kv分別為水平和垂直維度上的波數(shù)，rad／m。波數(shù)域和空間域是一對(duì)傅里葉變換［16］，因而從rh和rv到kh和kv的離散逆傅里葉變換是成立的。

用戶M1和M2僅在垂直維度上有差異，根據(jù)式（1）計(jì)算并繪制M1和M2的時(shí)延波數(shù)譜如圖17、18所示。由圖17（a）、（b）可以看出，就16×16 MIMO 而言，由于M1、M2僅垂直高度不同，導(dǎo)致M1、M2沿垂直維度上的時(shí)延波數(shù)譜的能量聚集位置呈現(xiàn)出了明顯差異，基站可以很清晰地區(qū)分用戶。而M1、M2的水平位置相同，故從圖17（c）、（d）觀察不到差異。對(duì)于相同條件下的8 ×8 MIMO，觀察圖18（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，這時(shí)的時(shí)延波數(shù)譜能量聚集位置差異則不太明顯，分辨率不如16×16 MIMO。因此，隨著天線陣列的增大，大規(guī)模MIMO的空間復(fù)用優(yōu)勢(shì)將越來越顯著。

圖17 16×16 MIMO，接收天線M1和M2的時(shí)延波數(shù)譜

圖18 8×8 MIMO，接收天線M1和M2的時(shí)延波數(shù)譜

3 結(jié)語

為幫助學(xué)生理解無線信道特性和大規(guī)模MIMO技術(shù)特點(diǎn)，本文采用實(shí)驗(yàn)室通用儀器與軟件設(shè)計(jì)并搭建了價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單的室內(nèi)虛擬大規(guī)模MIMO無線信道測(cè)量平臺(tái)。測(cè)量平臺(tái)可用于研究室內(nèi)信道大尺度衰落和小尺度衰落特性，還可幫助學(xué)生深入理解大規(guī)模MIMO的波束成形技術(shù)。其為高校完成無線通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)、研究大規(guī)模MIMO技術(shù)提供了有效有段，有助于激發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，值得在無線通信教學(xué)中進(jìn)行推廣。