基于相控陣的信道探測(cè)技術(shù)研究

王海博 周濤 張文良

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京市 100044）

1 引言

如今，第五代移動(dòng)通信技術(shù)的成熟，5G 通信網(wǎng)絡(luò)在軌道交通、高速公路等高速移動(dòng)情景發(fā)展迅速，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為了推動(dòng)5G 技術(shù)發(fā)展的研究重點(diǎn)。Massive MIMO系統(tǒng)往往采用窄波束的天線進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)能量被限制在較小的波束角度內(nèi)，使得傳輸路徑上的能量效率較高。當(dāng)在快速移動(dòng)場(chǎng)景下進(jìn)行窄波束通信時(shí)，無(wú)線通信信道的衰落特性與全向天線和寬波束天線有很大的不同，不僅無(wú)線信道的多徑成分發(fā)生變化，信道的時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展等小尺度衰落會(huì)有不同的特性；而且大尺度衰落特性也將發(fā)生改變，路徑損耗及陰影衰落的分布特性也是值得研究的問(wèn)題。

為了準(zhǔn)確地獲取無(wú)線信道的傳播特性，構(gòu)建可靠的信道模型，開(kāi)展信道測(cè)量是最直接的手段。現(xiàn)時(shí)主要是窄波束的信道測(cè)量。對(duì)于窄波束天線的信道測(cè)量，往往采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)定向天線的方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)場(chǎng)景的測(cè)量。但是這種測(cè)量方法的過(guò)于慣性大，且過(guò)于機(jī)械會(huì)導(dǎo)致波束搜索速度慢的情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)目標(biāo)的有效搜索及精確跟蹤產(chǎn)生誤差很大。相控陣天線的出現(xiàn)可以改善一種方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制陣列天線中輻射單元，可以方便有效地利用程序改變饋電相位，以實(shí)現(xiàn)高速的波束掃描，為開(kāi)展移動(dòng)場(chǎng)景下的信道測(cè)量工作提供了新的思路。

本研究將相控陣天線應(yīng)用于信道探測(cè)，基于相控陣的波束掃描以實(shí)現(xiàn)波束跟蹤的特性，利用軟件程序控制陣列天線中輻射單元改變饋電相位，以達(dá)到高速的波束掃描，能更好的進(jìn)行信道測(cè)量實(shí)現(xiàn)高效角度域信道探測(cè)，并構(gòu)建相控陣天線信道測(cè)量系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)和快速移動(dòng)場(chǎng)景下開(kāi)展實(shí)地信道測(cè)試工作。

2 無(wú)線信道特征與研究方法

在無(wú)線通信中，發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸信道這一傳輸媒介到達(dá)接收機(jī)。在自由空間中電磁波信號(hào)通過(guò)直射方式傳播；在真實(shí)的無(wú)線通信中存在導(dǎo)電或絕緣的障礙物，信號(hào)會(huì)發(fā)生反射或散射損失部分能量，產(chǎn)生不同的時(shí)延，通過(guò)多條不同的路徑進(jìn)行傳播到達(dá)接收端。無(wú)線信道的特性決定了無(wú)線通信系統(tǒng)的性能和特點(diǎn)，研究無(wú)線通信的傳播過(guò)程有必要研究信道的傳播特性。本研究采用利用相控陣天線波束跟蹤的原理基于OFDM信號(hào)進(jìn)行頻域信道測(cè)量的研究方法。

2.1 無(wú)線信道傳播特征

2.1.1 大尺度衰落

大尺度衰落是衡量發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間隔長(zhǎng)距離或長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)上的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的變化，是大約距離幾百個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的波動(dòng)變化，一般由于建筑物遮擋造成。本研究通過(guò)分析路徑損耗和陰影衰落反應(yīng)信道的大尺度衰落特性。

2.1.1.1 路徑損耗

在自由空間傳播中，由能量守恒可知，對(duì)圍繞發(fā)送天線的任意一個(gè)閉合的球面上的接收到的能量密度積分，等于信號(hào)發(fā)送功率。Friis 公式描述了自由空間傳播下接收功率P隨自由空間距離d 的變化關(guān)系，F(xiàn)riis 公式如下：

本研究引用斷點(diǎn)模型，認(rèn)為發(fā)射端和接收端的距離大于斷點(diǎn)距離d，由公式可知，信號(hào)接收的平均功率是隨發(fā)射端與接收端間距的增加呈對(duì)數(shù)衰減。

2.1.1.2 陰影衰落

陰影衰落是指電磁波信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，由建筑、樹(shù)木等建造物的阻擋，在阻擋物后方存在電磁波信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)較弱的陰影區(qū)，當(dāng)信號(hào)穿過(guò)陰影區(qū)后，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)。在發(fā)射端移動(dòng)過(guò)程中，陰影衰落使得接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)緩慢的變化，所以陰影衰落是慢衰落，其服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布：

綜上，在描述大尺度衰落模型時(shí)，同時(shí)考慮信道路徑損表2：發(fā)射信號(hào)的相關(guān)參數(shù)耗和陰影衰落的聯(lián)合影響，在移動(dòng)場(chǎng)景下信道大尺度衰落特性可表示為：

2.1.2 小尺度衰落

小尺度衰落描述了信號(hào)在波長(zhǎng)量級(jí)長(zhǎng)度上場(chǎng)強(qiáng)的變化特性。電磁波信號(hào)在真實(shí)空間中傳播時(shí)，遇到障礙物會(huì)發(fā)生散射、繞射和折射，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，使得不同路徑的信號(hào)有不同傳播時(shí)延和信號(hào)強(qiáng)度。在發(fā)射端移動(dòng)的場(chǎng)景中，不同的多徑成分在時(shí)域和頻域上產(chǎn)生一定的隨機(jī)性，本研究通過(guò)分析時(shí)延功率譜(PDP)，來(lái)描述信道的時(shí)域和頻域的特性，以反應(yīng)信道的小尺度衰落和時(shí)間色散特性。

時(shí)延功率譜可以通過(guò)分析離散的信道沖激響應(yīng)h(k,τ)計(jì)算得到：

2.2 OFDM信道探測(cè)方法

信道探測(cè)的基本過(guò)程是發(fā)射端發(fā)射一個(gè)已知特性信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)，探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道傳輸后，在接收端被接收，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)處理，可以獲得無(wú)線信道的沖激響應(yīng)以及頻率響應(yīng)。本研究采用基于OFDM的頻域信道測(cè)量方法，信號(hào)發(fā)射端利用正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM，OFDM 將一個(gè)高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成若干個(gè)低速數(shù)據(jù)流，將信號(hào)以一定帶寬不同頻點(diǎn)正交子載波進(jìn)行傳輸，可以減小碼間干擾對(duì)抗多徑效應(yīng)。

首先由發(fā)射端發(fā)射OFDM 序列作為信道探測(cè)信號(hào)。發(fā)射端基站將信號(hào)先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到序列X(t)，利用數(shù)字OFDM 技術(shù)將序列進(jìn)行離散傅里葉逆變換IDFT，再加上循環(huán)前綴P/S 從發(fā)射端發(fā)出。接收端將接收到的信號(hào)先去掉循環(huán)前綴之后，經(jīng)過(guò)離散傅里葉逆變換DFT 得到信號(hào)Y(t)。將發(fā)射探測(cè)信號(hào)和接受到達(dá)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，分別得到X(ω)和Y(ω)，可得信道的頻域響應(yīng)為：

3 基于相控陣的信道測(cè)量系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)利用相控陣天線波束跟蹤的原理和特點(diǎn)，搭建了一套基于相控陣天線的無(wú)線信道測(cè)量系統(tǒng)，為在移動(dòng)場(chǎng)景下的進(jìn)行信道測(cè)量提供參考。系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1： 移動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

本移動(dòng)場(chǎng)景下信道測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

信號(hào)發(fā)射模塊由射頻信號(hào)源產(chǎn)生OFDM 探測(cè)信號(hào)，通過(guò)功率放大器進(jìn)行功率放大，再通過(guò)全向天線或相控陣天線發(fā)射。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，信號(hào)發(fā)射模塊作為整體進(jìn)行移動(dòng)，需要時(shí)鐘和GPS 進(jìn)行同步和定位。

信號(hào)接收模塊由相控陣接收天線接收信號(hào)，將信號(hào)傳輸給射頻接收器，射頻接收器將射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻調(diào)制為中頻信號(hào)，之后傳輸為兩路。一路傳輸給信號(hào)采集模塊完成信號(hào)的采集；另一路傳輸給檢幅器，檢輻器判斷接收信號(hào)的最大幅值，并反饋給接收相控陣，相控陣以最大幅值的波位為中心，進(jìn)行微小擾動(dòng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤。

數(shù)據(jù)采集模塊采集卡可支持250Msps、500Msps 等高速率數(shù)據(jù)采集，高速采集卡將數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至固態(tài)硬盤(pán)中。接收模塊和信道數(shù)據(jù)采集器由同一個(gè)時(shí)鐘控制，達(dá)到信號(hào)接收與采集的同步性，并且更需要與發(fā)送端的時(shí)鐘進(jìn)行同步，保證開(kāi)始采樣時(shí)是同步計(jì)時(shí)和定位是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

信號(hào)接收的波束跟蹤和數(shù)據(jù)采集都由上位機(jī)的軟件進(jìn)行控制，可以設(shè)置波束跟蹤模式，更改檢波功率，和設(shè)置數(shù)據(jù)采集功能，觀察接收信號(hào)的時(shí)延功率譜。

此信道測(cè)量系統(tǒng)的創(chuàng)新在于利用提出了一種新的進(jìn)行信道測(cè)量的方法，可以在高速移動(dòng)場(chǎng)景下進(jìn)行波束跟蹤，利用相控陣天線窄波束的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行捷變掃描，利用其波束指向準(zhǔn)確的特點(diǎn)。相控陣波束控制程序控制相控陣接收天線在120°的波束方位角內(nèi)進(jìn)行掃描信標(biāo)信號(hào)，并比較檢幅器反饋的信號(hào)幅值，判定其接收信號(hào)幅度最大的波位即為移動(dòng)目標(biāo)的方位，并始終以目標(biāo)方位為中心進(jìn)行左中右的微擾波位，進(jìn)行掃描，從而實(shí)現(xiàn)波束跟蹤。

4 移動(dòng)場(chǎng)景下實(shí)地信道測(cè)量

4.1 校園內(nèi)初步試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了多次試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建和測(cè)試之后，確保各功能模塊和功能正常，我們開(kāi)展了在北京交通大學(xué)校園內(nèi)基于波束跟蹤的無(wú)線信道初步測(cè)量。

信號(hào)的發(fā)射模塊作為移動(dòng)端，由全向天線發(fā)射探測(cè)信號(hào)，發(fā)射端設(shè)備放于小車(chē)上在校園馬路上移動(dòng)；接收端模塊放置于教學(xué)樓三樓窗邊，按照上述系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭接和部署。接收端和發(fā)射端的設(shè)備搭接分別如圖2 和圖3 所示。

圖2： 接收端相設(shè)備搭建

圖3： 發(fā)射端設(shè)備搭建

相關(guān)設(shè)備和場(chǎng)地的位置參數(shù)如表1 所示。

表1： 校內(nèi)測(cè)試場(chǎng)景位置

OFDM 探測(cè)信號(hào)的頻率 3.5GHz信號(hào)帶寬 100MHz子載波數(shù) 2560有效子載波數(shù) 2048

設(shè)備與系統(tǒng)搭建完畢后，發(fā)射端用移動(dòng)蓄電池供電，接收端于室內(nèi)供電。測(cè)試的具體流程為：

移動(dòng)端初始位置位于接收機(jī)的遠(yuǎn)端，信號(hào)源發(fā)射 3.5GHz的 OFDM 信道探測(cè)信號(hào)，信號(hào)的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

基站端的相控陣接收天線先在波位-30°位置等待目標(biāo)，由上位機(jī)軟件控制波束掃描單次掃描。推動(dòng)小車(chē)由遠(yuǎn)及近，到達(dá)-30°位置時(shí)，觀察上位機(jī)掃描跟蹤是否成功。若成功則可以開(kāi)始自動(dòng)波束跟蹤；若未成功需要提高發(fā)射信號(hào)的功率，至可以實(shí)現(xiàn)波束跟蹤。此時(shí)的檢波功率為門(mén)限值。波束跟蹤控制頁(yè)面如圖4 所示。

圖4： 波束跟蹤控制頁(yè)面

波束跟蹤運(yùn)行正常，便可以打開(kāi)采集卡開(kāi)始采集信道探測(cè)信號(hào)。信號(hào)接收模塊接收頻率3.5GHz 的OFDM 信號(hào)，射頻接收衰減30dB，射頻單元將 3.5GHz 射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為200MHz 的中頻信號(hào)，之后傳輸為兩路，一路反饋給檢幅器進(jìn)行信號(hào)幅值堅(jiān)持，確定信號(hào)的波位，便于相控陣進(jìn)行波束跟蹤；另一路傳輸給采集卡，數(shù)據(jù)采集模塊以采樣率500sps速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集控制頁(yè)面如圖5 所示。

圖5： 數(shù)據(jù)采集控制頁(yè)面

將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理抽樣并分析處理后，得到全向天線單次采集的時(shí)延功率譜和連續(xù)采集30 秒的時(shí)延功率譜，分別為圖6 和圖7 所示。

圖6： 單次采集的PDP 結(jié)果

圖7： 連續(xù)采集的PDP 結(jié)果

通過(guò)有效多次測(cè)試，取得了多組有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果所得進(jìn)行分析，可以看到較為明顯的多徑存在，且第一徑的位置未發(fā)生變化，初步說(shuō)明了本實(shí)驗(yàn)研究方法能夠探究在移動(dòng)場(chǎng)景下信道時(shí)延色散的特性，為移動(dòng)場(chǎng)景下無(wú)線信道的測(cè)量提供了新的思路。

4.2 快速移動(dòng)場(chǎng)景信道測(cè)量

經(jīng)過(guò)了校內(nèi)測(cè)試的初步嘗試，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能和框架有了更加明確的掌握，并不斷調(diào)試和創(chuàng)新。在不斷完善設(shè)備硬件的問(wèn)題后，開(kāi)展了大興高速的基于相控陣天線波束跟蹤原理的無(wú)線信道測(cè)量工作，主要驗(yàn)證在高速移動(dòng)場(chǎng)景下波束跟蹤是否能實(shí)現(xiàn)，研究遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)信道的陰影衰落以及分析高速移動(dòng)場(chǎng)景下信道的傳播特性。

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量場(chǎng)景為大興區(qū)大廣高速上的一段路程。信號(hào)的發(fā)射端模塊為移動(dòng)端，在一輛汽車(chē)內(nèi)完成設(shè)備搭接，汽車(chē)載著信號(hào)的發(fā)射端在高速公路上以60km/h 的速度行駛。

信號(hào)接收模塊和數(shù)據(jù)采集模塊為基站端，位于高速公路的過(guò)街天橋上，由發(fā)電機(jī)供電，相控陣天線傾斜15°俯視高速公路，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)快速移動(dòng)場(chǎng)景下信達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的布置。如圖8 和圖9 所示。

圖8： 移動(dòng)端

圖9： 基站端

在正式測(cè)試之前先要確定，信號(hào)由遠(yuǎn)端傳輸?shù)交径四軌驅(qū)崿F(xiàn)波束跟蹤的最小門(mén)限值。

需要把相控陣天線的波束指向-40°左右等待移動(dòng)端從遠(yuǎn)端駛來(lái)；將上位機(jī)波束跟蹤模式設(shè)置為單次波束掃描，同時(shí)觀察時(shí)延功率譜PDP 圖像，將能穩(wěn)定波束跟蹤且PDP 正常時(shí)的檢波功率定為波束跟蹤的閾值。

本次信道測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射端采用 OFDM 序列作為信道探測(cè)信號(hào)，采用全向天線發(fā)射OFDM 信號(hào)。移動(dòng)端信號(hào)設(shè)置如表3 所示。

表3： 移動(dòng)端天線信號(hào)參數(shù)

接收相控陣天線工作于窄波束，接收信號(hào)通過(guò)射頻接收模塊可以實(shí)現(xiàn)中心頻點(diǎn)3.5GHz 帶寬為100MHz 的帶通濾波的效果，進(jìn)而消除了部分5G 信號(hào)的影響。再由下變頻器實(shí)現(xiàn)下變頻，由高頻調(diào)制到中頻200MHz。再由數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同樣移動(dòng)端和基站端需要進(jìn)行時(shí)鐘同步，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；径藚?shù)如表4 所示。

表4： 基站端天線信號(hào)參數(shù)

將移動(dòng)端GPS 數(shù)據(jù)和基站端GPS 數(shù)據(jù)初同步處理，得到移動(dòng)端位置變化，判斷波束跟蹤成功，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于接收端接收存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行粗同步，確保第一個(gè)接收的OFDM 符號(hào)的完整性，并以該信號(hào)的起始段作為起點(diǎn)進(jìn)行幀同步。由于采集的數(shù)據(jù)過(guò)多，需要進(jìn)行抽樣處理，并進(jìn)行多徑提取后得到CIR，得到結(jié)論：隨著距離的增加，主徑功率衰減，時(shí)延增加；在200-450m 內(nèi)，主徑明顯，在450-700m 中，主徑功率減小，多徑數(shù)量增加。

在進(jìn)行大尺度衰落特性的研究時(shí)，我們將接收端實(shí)際采集的信號(hào)衰落與自由空間損耗下的路徑損耗和由對(duì)數(shù)陰影衰落的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可得到信道的路徑損耗模型表達(dá)式為：

5 結(jié)論與展望

本研究利用相控陣捷變掃描的特性，成功搭建了一套基于相控陣波束跟蹤的無(wú)線信道測(cè)量系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)在城區(qū)校園內(nèi)和郊區(qū)高速公路上開(kāi)展了實(shí)地的信道測(cè)量工作，對(duì)無(wú)線信道的小尺度衰落和大尺度衰落特性進(jìn)行了分析和研究，得到了窄波束無(wú)線信道路徑損耗和陰影衰落的數(shù)學(xué)模型，為高速移動(dòng)場(chǎng)景下的無(wú)線信道測(cè)量提高了參考。