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行現場測量，得到實測數據庫，再根據數據處理算法對實測數據進行處理，最終得到與實測環境和條件相符合的信道模型。信道測量主要涉及測量系統的硬件構成和配置等；后期數據處理完成相應實測數據變換和校正等。目前，信道測量的方法有很多種，具體選擇那一種方法進行測量主要取決于測量環境，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：發射天線、饋線、功放、信號源和測量系統：接收機、GPS、測距儀、測量軟件及便攜式計算機；3）掃頻測試；4）測量數據采集，按時間采樣，要去除快衰落的影響，數據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，v表示車速。

建模方法包括測量數據：測得的功率值并采樣該功率所對應的接收機位置。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、數據預處理、去除信號強度異常點、去除GPS坐標異常點、去除近場數據點、修正GPS坐標誤差、確定傳輸距離、數據平均、估計路徑損耗指數（公式為PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0) ）、根據所得到的一組d值和相應的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、該公式服從對數正態分布。可以用分布擬合方法求出接收到的數據服從對數正態分布時的標準偏差。

存在的問題是路徑損耗存在頻率相關性，并且由于系統帶寬很寬，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射窄脈沖，接收信號的時域響應波形，從接收信號中去除發射信號波形、接收天線的影響，得到信道的沖激響應。具體來講，是由脈沖發生器發射窄脈沖(納秒級或亞納秒級)，脈沖信號經功率放大器、發射天線后進入信道，接收信號經接收天線、低噪放后直接送數字抽樣示波器，并轉存到計算機中。脈沖發生器和數字抽樣示波器均由觸發信號發生器發出的信號觸發。后期數據處理中對接收信號進行去卷積，再通過數據格式處理就可以得到信道沖激響應。

優點：1）、實現簡單

2）、多徑分辨率等于周期脈沖的時間寬度

3）、可對接收信號進行相關解調，可以得到多普勒譜

缺點：1）、接收機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轉換器和窄脈沖產生器

3）、需要較高的功率峰均比，因為發射機功率受限，測量系統動態范圍受限

B、數據處理：

時域測量系統的后期數據處理主要解決由時域接收信號到時域信道沖激響應的變換，即從時域接收信號中去除發射信號波形及收發天線等的影響，這主要通過Clean算法完成。

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

數據處理過程主要利用Clean算法對接收信號進行去卷積，設置時間零點和確定系統分辨率，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，計算信號沖激響應的近似值。

b、設置時間零點

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

c、確定系統分辨率，并重新計算多徑幅度。

Clean算法處理得到的信道沖激響應中多徑分量的時間間隔遠小于系統的實際時間分辨率，需要按照系統的時間分辨率重新計算多徑幅度。在確定系統分辨率后，將沖激響應按系統時間分辨率分成相等的時間片，將每個時間片內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

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

A、測量

具體的測試為由矢量網絡分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)的發射端發出某一頻率的信號，經功率放大器、發射天線后進入信道，接收信號經有接收天線、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對應某頻率分量的幅度值和相位值，VNA在測量頻帶內重復上述過程，即可得到需測量頻帶內的信道頻率響應。計算機通過Labview軟件控制VNA的掃頻過程，得到的數據直接存儲到計算機中。后期處理包括對數據進行校正、加窗、IDFT、設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。

優點：

1）、實現簡單

2）、多徑分辨率高，正比于頻率步進的間隔

3）、受測量設備非線性影響較小

缺點：

1）、矢量分析儀必須和發射機與接收機進行物理連接,只在短距離信道下可用

2）、必須在有限時間內完成一次頻率掃描,對于大的帶寬或小的步進間隔來說,測量不是實時的,因此,掃頻測量系統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、數據處理：

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

該過程主要包括數據校正、加窗、傅里葉反變換、設置門限和設置時間零點五部分。

a、數據校正

C(f)=P(f)Tx(f)Rx(f)+N’(f)

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

b、加窗

每組實測頻域數據的起點和終點處的數據較其他部分的數據有明顯的跳變，如果直接對這樣的數據進行IDFT，在時域沖激響應中會出現所謂的過調和拖尾現象。因此通常把頻域數據轉換到時域之前，需要進行加窗操作。在實際測量中VNA提供了多個窗函數可供選擇，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。

c、IDFT

實數通帶IDFT：假設從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果是實數序列。

復數基帶IDFT：沒有補零和共軛對稱操作，直接做IDFT

實數通帶IDFT處理獲得的時間分辨率是復數基帶IDFT處理的2倍以上，這可以彌補由于使用窗函數造成的時間分辨率損失。

d、設置門限

由于某些幅度較小的多徑信號可能有測量系統的內部噪聲產生，此外，幅度較小的多徑信號對建立相應的多徑模型貢獻較小（其對平均附加時延，RMS時延等信道特征參數影響較小），因此通常通過設置門限從實測信道沖激響應中排除幅度較小的多徑分量。由于頻域測量數據門限的選取與具體數據處理算法無關，其取值相對簡單，通常選擇測量系統噪聲之上6dB的絕對門限即可。

e、設置時間零點

由于IDFT具有周期性，因此必須結合實測信道的物理性質，對IDFT后的信道沖激響應設置零點。

2.1.3 擴頻滑動相關測量法

2.2 數據處理

在通過一定的方法測量得到超寬帶信道數據以后，還需要對測量數據進行處理和分析，才能提取出需要的信息。

數據處理的基本目標是：提取出獨立于信道激勵信號的信道描述方式；估計傳播環境引起的失真；得出與傳播環境有關的信道參數的統計描述方式。

2.3 建模方法

1）包絡統計特性建模：矩估計

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

2）二階統計特性建模：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(或負斜率)方向通過某一信號電平的次數；

平均衰落持續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，而平均衰落持續時間給出了這一衰落的平均持續時間，由這二個特征量可以決定數字信號交織編碼的長度與深度。