一種面向寬帶無線通信的遠程分布式MIMO信道仿真系統設計

賈國慶， 陳善繼， 陳 超， 紀小紅

(青海民族大學 物理與電子信息工程學院， 西寧 810007)

一種面向寬帶無線通信的遠程分布式MIMO信道仿真系統設計

賈國慶， 陳善繼， 陳 超， 紀小紅

(青海民族大學 物理與電子信息工程學院， 西寧 810007)

在MIMO信道仿真技術需求分析的基礎上，選用通用的測試儀表構建并優化2×2 MIMO半實物硬件信道仿真平臺，實現了模擬無線信道和MIMO信道模型的驗證；研制了分布式遠程信道仿真系統軟件，進而設計了面向寬帶無線通信的遠程分布式MIMO信道仿真系統,實現了遠程分布式用戶的信道仿真請求預處理、執行與結果的發布。通過對用戶的遠程分布式信道仿真服務，證明了本仿真系統有效地實現了高效、多場景、低成本的MIMO信道仿真。

寬帶無線通信； 遠程； 分布式； 多輸入多輸出； 信道仿真

0 引 言

隨著多媒體、寬帶等高速業務的迅猛發展，對高速率無線接入的需求永無止境，而無線頻譜資源卻相對匱乏。充分提高有限頻譜資源的利用率迫在眉睫。利用傳統辦法增加系統容量的空間已很小，而代價卻不菲。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術提供了新的研究方向，即空間特性的有效應用。利用無線傳播信道的空間特性可以在不增加發射功率和不占用帶寬的條件下極大地提高數據傳輸速率。

當前，MIMO技術已經成為寬帶無線通信系統的關鍵技術之一[1]。在理論研究的基礎上，隨著各種下一代移動通信協議的極力推廣，國際上已積極構建MIMO實驗平臺進行了廣泛的現場測試與評估，不斷推動MIMO技術的發展。MIMO無線傳播信道模型也變得越來越規范化。3GPP/3GPP2的空間信道模型(SCM)和擴展后的SCME模型(100 MB帶寬，5 GHz頻率)[2-3]，WINNER項目的WP5信道模型[4]，COST 2100信道模型[5-6]等。UWB信道模型[7-8]以及室內的統計時空信道模型(60、70 GHz頻率)[9]等。

MIMO信道在提高發送數據速率的同時，發射機與接收機之間的傳播路徑非常復雜，整個MIMO信道可以表示為發送天線數和接收天線數的乘積個獨立信道，但是事實上，這些信道又相互干擾，而且在接收端難以區分，由此造成MIMO信道的測試困難。

傳播信道是無線通信的傳輸媒介，其性能的優劣直接決定著通信質量。要想在有限的頻譜資源上盡可能地提高通信質量，且大容量地傳輸有用信息，就需要清楚地掌握傳播信道的空-時-頻等多維度細致特性，研究寬帶信道傳播特性可以更大限度的利用信道響應信息[3]，根據傳播信道的特性采取一系列的抗干擾和抗衰落等優化措施，來保證傳輸高質量和大容量的要求。因此，實現未來寬帶移動通信(4GB、LTE等)的一個重要環節，即寬帶無線傳播信道的高精度測試。

另一方面，測試作為技術演進與實現的重要過程，對于關鍵技術的研究與通信產品的開發都很重要。針對未來無線通信系統的測試特點，思博倫(SPIRENT)公司的信道仿真器(SR5500、VR5)和Elektrobit Testing公司推出多信道仿真器Propsim C8、F8等面向MIMO的信道仿真器。它們適合于采用MIMO算法的研究、開發和測試，以及相關產品集成和驗證測試。這些信道仿真儀可以通過先進的用戶界面提高測試效率，降低人工干預測試過程的影響，并可以控制儀表的寄生效應。同時，伴隨著無線通信的快速發展，各個研究單位也在科研過程中積累了大量的測試技術資源。這些資源除了很好地滿足項目研究需要外，還可以對其他科研、產業、高校和企業的研發有促進作用。因此，本文通過設計遠程分布式的測試技術，并集合MIMO信道仿真系統的構建，可以探索并嘗試出一條科研資源更好服務產業的應用模式。

1 MIMO信道仿真技術要求

在進行MIMO仿真時，信道仿真設備必須產生精確和符合實際的信道響應，才能對MIMO通信系統的性能做出客觀的評估。首先，仿真系統的各項參數，如各信道和路徑之間的相位誤差、幅度分配誤差和時延誤差，各信道間的相關性設置以及計算得到的相關矩陣的精度等都會影響測量的真實效果。其次，仿真設備的同步和工作穩定性也會對測量結果造成很大影響。當然，信道仿真設備所使用的信道模型必須真實反映MIMO信道的時空特性和多徑衰落效應。另外，實際信道測量結果表明各MIMO子信道間具有不同程度的相關性，而不是理想條件下的完全獨立情況。因而在實際測試時也要考慮這種相關性來保證系統性能測試的準確度和可信度。

(1) 時延精度。在實際信道環境中，高頻無線信號通過很多路徑進行傳輸，以不同的空間方位角和不同的時延到達接收端。相對路徑時延的仿真精度對TX/RX天線陣列(智能天線)的評估尤其重要。這是確保信號分配和組合準確性的先決條件。因而邏輯上就要求仿真器設計盡可能緊湊，信號的處理和傳輸盡可能在儀器內部實現。

(2) 相位精度。多信道和多路徑信號間的相對相位精度是MIMO信道仿真中的一個關鍵因素。

(3) 功率分布精度。若進行天線陣列的波束賦形方面的研究，對功率分布精度的要求尤其明顯。

(4) AWGN噪聲源。噪聲源是MIMO仿真的另一個需求，仿真測試過程中要精確測試信號和噪聲功率、精確設定信噪比(SNR)。

(5) 干擾源。在無線系統中，存在各類干擾源。而且越來越多的無線系統的應用對需要考慮的干擾信號類型和數量要求越來越高。不僅要精確定義干擾信號的類型和強度，而且在宏觀上，運營商的網絡規劃人員也需要全面考慮目前和將來的無線系統中所面臨的干擾信號及其各種干擾信號對通信系統的影響。

(6) 信道相關性。MIMO信道仿真中一個最重要的方面就是要能夠調整和設定不同衰落信道及不同衰落路徑間的相關系數，設定完整復雜的相關矩陣，對智能天線和波束賦形技術尤其有用。

2 半實物硬件信道仿真環境的搭建

遠程分布式MIMO信道仿真系統中半實物2×2 MIMO信道仿真平臺構建采用軟硬件集成的方案，即合理配置儀器連接，通過軟件控制實現多通道寬帶信號的產生與接收，并實現信號的采集與存儲。2×2 MIMO信道仿真平臺方案圖如圖1所示。

2.1 模塊功能設計

(1) 發射機模塊。利用軟件產生寬帶MIMO數字信號，軟件可根據測試需要設計相應的信號產生設計文件，并可以按照需求設定載頻、信號帶寬、發射功率、信號幀格式等參數。

圖1 2×2 MIMO信道仿真平臺方案圖

(2) 接收機模塊。MIMO接收機包括了分集接收模塊、信道估計模塊、均衡模塊等，這些模塊均是系統能否正常工作的關鍵。通過這些模塊接收MIMO信號進行處理，并從中提取出信道沖激響應。

2.2 詳細功能設計

以下分MIMO信號產生和MIMO信號接收兩部分介紹寬帶無線傳輸性能測試平臺的收發機功能。

2.2.1 發射機設計

MIMO信號產生分2步完成。

(1) 利用ADS產生寬帶MIMO數字信號。ADS可以根據測試需要設計相應的信號產生設計文件，并可按需求設定載頻、信號帶寬、發射功率、信號幀格式等參數，如圖2所示。

圖2 ADS產生MIMO信號的設計圖

(2) 合理配置多臺信號發生器搭建MIMO信號源。在本次搭建的平臺中采用了2臺ESG信號源，將其中的一臺作為主信號源(Master)，另一臺作為從信號源(Slave)，如圖3所示。具體配置為：① Clock時鐘同步。采取Master的10 MHz Clock信號輸出給Slave的同步方法；② Trigger觸發輸出。Master設置為連續觸發，Slave設置為由Master觸發，同時Master的觸發信號輸出給接收機；③ ESG的LAN設置為與運行ADS的PC同一子網地址。

待測試儀器連接和配置完成后，運行ADS程序，利用儀器連接功能，將需要的MIMO數字信號下載到ESG信號源中，再由信號源生成調制信號并上變頻至射頻信號發射出去。

圖3 多臺ESG產生MIMO信號的實物圖

2.2.2 接收機設計

MIMO信號接收分3步完成。

(1) 利用雙通道的下變頻器和本振源將2路RF信號下變頻至70 MHz的IF信號，輸入到雙通道矢量信號分析儀VSA中，如圖4所示。

圖4 利用VSA采集MIMO信號的實物圖

(2)利用89601A矢量信號分析軟件采集VSA的數據，利用89601A軟件可以配置VSA的參數，如采樣率、采樣分辨帶寬、采樣精度、采樣時長、信號帶寬等參數，合理的配置參數后，我們可以看到信號的時/頻域圖，如圖5所示。

圖5 89601A采集MIMO信號的時域圖

(3) 利用ADS設計MIMO接收機的系統框圖，如圖6所示。利用儀器連接功能，ADS從89601A軟件讀取采集數據，經過處理運算，可提取需要的結果文件，如MIMO信道測試數據。

圖6 ADS接收MIMO信號的設計圖

2.3 系統配置環境

根據圖2所示的設備選型方案，選用如表1所示設備作為“半實物2 X 2MIMO信道仿真平臺”搭建I期方案的測試儀器。

表1 “半實物2×2 MIMO信道仿真平臺”I期方案設備選型表

通過合理的配置時鐘信號和觸發信號，以及儀器的設置，構建并完成平臺搭建方案。該平臺經實測證明可進行2×2 MIMO寬帶無線信號傳輸測試，在該方案中，MIMO信號采用多通道示波器進行接收和采集，由于受示波器采樣深度的限制，當信號載頻達到3 GHz以上時，接收機的數據采樣時長不足以滿足信號處理分析。

為此，對平臺進行了優化并設計了“半實物2×2 MIMO信道仿真平臺”II期方案。該方案利用了雙通道矢量信號分析儀(VSA)替代示波器進行MIMO信號的采集與存儲，同時，在VSA之前增加一個雙通道下變頻器將RF信號變為IF信號以滿足采集需求，這樣就可以利用VSA的深存儲功能實現足夠時長的信號采集。“半實物2×2 MIMO信道仿真平臺”II期方案的設備選型如表2所示。

3 分布式遠程信道仿真平臺的構建

3.1 架構設計

目前，盡管各院校分別為研究的需要，建設各種仿真驗證平臺，但這種測試平臺的建設多數是基于軟件環境的，因此，仿真驗證的功能也相對單一，效率有限。

表2 “半實物2×2 MIMO信道仿真平臺”II期方案設備選型表

分布式遠程信道仿真平臺(見圖7)的構建對遠程MIMO信道仿真的關鍵技術進行重點研究，并建立半實物的硬件信道仿真環境，使遠程客戶終端能夠實現并完成所需仿真驗證功能。

圖7 分布式遠程信道仿真平臺架構設計示意圖

3.2 功能設計

分布式遠程信道仿真平臺總體架構如圖8所示，其功能主要包括：① 分布式遠程用戶的MIMO信道仿真功能：面向TD-LTE發射機性能的驗證，信道建模關鍵技術的仿真與驗證；② 用戶仿真相關信息的存儲與檢索功能；③ 仿真請求的隊列管理與調度功能；④ 半實物信道仿真平臺的控制與采集功能。

圖8 分布式遠程信道仿真平臺總體結構組成圖

3.3 應用描述

(1) 用戶注冊。① 用戶通過WEB頁面填寫用戶信息，確認后提交；② 根據用戶提交的郵箱發送回執郵件，等待用戶激活帳號(或通過人工電話方式確認)；③ 用戶點擊回執郵件中的連接，激活用戶帳號。

(2) 平臺應用： ① 用戶登錄平臺。② 用戶按照仿真平臺的要求，提交仿真請求(如：中心頻點、帶寬、信號類型及調制方式等；信道模型可選擇標準模型，也可上傳自定義Matlab信道模型等)。③ 仿真平臺核實仿真請求：? 通過后，平臺將該用戶的仿真請求送入待仿真隊列，并發送回執通知用戶仿真請求已受理，并告之本次仿真的時間；? 若仿真請求內容有誤，則發送回執通知用戶核實并修訂仿真請求。④ 仿真完畢后，發送郵件通知下載仿真數據的時間。⑤ 用戶收到郵件后，登錄平臺下載仿真數據。⑥ 結束本次仿真過程。

4 分布式遠程信道仿真平臺的系統軟件設計

分布式遠程2×2信道仿真平臺的系統軟件是為了方便企事業單位、科研院所充分利用科研測試設備而開發的共享平臺，它的基本功能就是提供基于遠程分布式的信道測試。其軟件功能整體結構見圖9，該分布式遠程信道仿真平臺系統軟件分別由用戶注冊模塊、仿真請求申請模塊、管理員對用戶、仿真請求審核管理模塊、仿真請求程序執行模塊及結果發放模塊組成，如圖10～14所示。

圖9 整體結構圖

圖10 用戶注冊流程圖

圖11 用戶仿真請求申請流程圖

圖12 管理員審核流程圖

圖13 分布式2X2信道仿真測試流程圖

圖14 仿真請求結果發放流程圖

5 結 語

目前，國內許多單位可進行對2G、3G、LTE以及5GB寬帶無線通信系統的關鍵技術驗證及研發過程的測試工作，但是驗證與測試工作相對比較分散，且僅以服務自身項目的研究與技術實施的需要，無法較好地實現面向產業領域內企業的產品研發階段的測試與關鍵技術驗證的有效服務。另一方面，各研究單位雖然在科研過程中積累了大量的測試技術資源，這些資源目前主要僅為了滿足項目研究需要，不能更好地服務企業、服務產業。

本文在MIMO信道仿真技術需求分析的基礎上，選用通用的測試儀表，構建并優化了2×2 MIMO半實物硬件信道仿真平臺，實現了模擬無線信道，MIMO信道模型的驗證。通過引入遠程分布式架構，研制了分布式遠程信道仿真系統軟件，進而構建了遠程分布式MIMO信道仿真系統，實現了遠程分布式用戶的信道仿真請求預處理、執行與結果的發布。通過對用戶的遠程分布式信道仿真服務，證明本仿真系統有效地實現了高效、多場景、低成本的MIMO信道仿真，同時，探索出了一條科研院所儀器資源服務產業、尤其是小微企業的模式。

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·名人名言·

我不知道在別人看來，我是什么樣的人；但在我自己看來，我不過就象是一個在海濱玩耍的小孩，為不時發現比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜，而對于展現在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發現。

——牛頓

Design of Remote Distributed MIMO Channel Simulation System for Broadband Wireless Communication

JIAGuoqing,CHENShanji,CHENChao,JIXiaohong

(College of Physics and Electronic Information Engineering, Qinghai University for Nationalities, Xining 810007, China)

To meet the testing requirement for the industry and society, a remote distributed MIMO channel simulation system (RDMSS) for broadband wireless communication is proposed and designed. After MIMO channel emulation technology requirements are analyzed. a 2X2 MIMO semi-physical hardware channel simulation platform is constructed and optimized by using generic test instruments to achieve the channel simulation and the verification of MIMO channel model. Moreover, RDMSS software is developed. In this system, the channel requests simulation of the remote distributed user are preprocessed and executed, and the results are released. By many remote distributed users’ channel emulation services, RDMSS is proved to achieve effectively the high performance, multi scenarios, low-cost MIMO channel emulation.

broadband wireless communication; remote; distributed; multiple input multiple output(MIMO); channel simulation

2016-08-10

青海省自然科學基金(2016-ZJ-922Q)；青海省應用基礎研究計劃項目(2015-ZJ-721)

賈國慶(1984-)，男，青海樂都人，博士，副教授，研究方向：無線通信關鍵技術研究。

Tel.：13709759761；E-mail：13709759761@139.com

紀小紅(1986-)，女，江蘇宿遷人，助教，主要從事移動通信測試及技術研究。

Tel.: 13709759762；E-mail: xiaohong.ji@qhmu.edu.cn

TN 911.6

A

1006-7167(2017)03-0094-06