基于矢量網絡分析儀的虛擬大規模MIMO信道測量平臺

袁 磊，龐 葦，袁 浩

（蘭州大學信息科學與工程學院，蘭州 730000）

0 引言

在“新工科”的引領下［1］，實驗教學在高校工科教學中起著越來越重要的作用。與枯燥的公式推導等理論教學相比，實驗教學能使學生獲得學習過程中的直觀體驗，幫助培養學生的學習興趣，鞏固并靈活應用所學的理論知識并極大地調動學生的學習熱情［2-3］。隨著移動通信技術的快速發展，第5代（5thGeneration，5G）移動通信技術時代在全球的共同努力下已到來［4］。作為5G的關鍵技術之一，大規模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術已得到廣泛應用［5-6］。大規模MIMO通信系統的性能往往受限于傳播場景中的信道特性。與室外環境相比，室內環境更加復雜［7］。如今大部分無線通信業務發生在寫字樓等室內場所，考慮到5G微基站特征［8］，將會有更多的微型基站部署在室內。

本文使用矢量網絡分析儀和LabVIEW自主設計并開發造價相對低廉的虛擬大規模MIMO無線信道測量平臺，為高校研究大規模MIMO通信技術、完成通信實驗提供方便。

1 測量平臺的設計與搭建

1.1 整體架構與硬件組成

測量平臺的整體架構如圖1所示。

圖1 測量平臺架構圖

其中，Tx為發送端的天線陣列，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控天線位移系統與固定于游標上的全向天線組成，如圖2所示。

圖2 虛擬天線陣列

利用計算機程序控制數控天線位移系統上的游標進行水平或者垂直方向上的移動，帶動天線隨之移動，形成虛擬均勻天線陣列［9］。其中數控天線位移系統由3D打印機改裝而成。

測量平臺選用如圖3所示的N9918A矢量網絡分析儀，其發射功率為－15 dBm，可測頻段為30 kHz～26.5 GHz，完全滿足測量帶寬需求。它能利用步進掃頻的方式收集其收發端口之間的幅頻響應和相頻響應，選擇該儀器作為本測量的信號發生器和接收器。

電磁波在傳播的過程中受環境等因素的影響，信號強度必然會產生衰減，導致從信號源發出的信號抵達接收端時，有可能由于強度較小而被噪聲所淹沒。需要增加信號功率，確保抵達接收端的信號不被噪聲淹沒，測量平臺引入功率放大器和低噪聲放大器，增加信號功率，確保測量到的是有用信號而非噪聲。低噪聲放大器和功率放大器分別接于網絡分析儀的收發端口，實現對收發信號的放大作用。

測量平臺可測頻段與網絡分析儀的可測頻段相統一。在實驗教學中，學生主要針對運營商使用的5G移動通信頻段進行實驗，這幾個頻段分別為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個測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3個測量頻段的增益分別為51、51和50 dB，功率放大器在3個測量頻段的增益分別為32、31和31 dB。全向天線在3個測量頻段的增益恒為3dBi。測量平臺實物圖如圖7所示。

圖3 網絡分析儀

圖4 低損耗線纜

圖5 低噪聲放大器

圖6 功率放大器

圖7 測量平臺

1.2 工作原理及干擾排除

無線信號經由網絡分析儀發射端口發出，經過功率放大器和低損耗線纜傳輸到發射天線，通過無線信道的傳播被接收天線所截獲，再經低噪聲放大器和低損耗線纜傳送至網絡分析儀的接收端口，網絡分析儀能實時獲取信道的頻率響應。

計算機端的LabVIEW控制程序用于發送控制信號。控制信號分為2路，第1路通過USB數據線控制數控天線位移系統，用于控制數控天線位移系統的游標移動，游標的移動帶動發射天線的移動，每次移動需等待3 s再進行下一次移動，此時發射天線持續發出掃頻信號。在發射天線移動完畢的等待時間內，第2路通過以太網線控制矢量網絡分析儀掃描由接收天線獲取并傳到接收端口的數據，并將數據以csv文件的格式儲存在計算機硬盤。進行下一次的發送天線移動及信號采集存儲，重復此步驟，直至虛擬均勻天線陣列上的所有位置全部測量完畢。

鑒于矢量網絡分析儀測量的是收發端口之間的頻率響應，其發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天線間的信道的頻率響應。在測量之前，需要對放大器和線纜等進行校準。先測得各個器件的頻率響應，稱作系統頻率響應。在后續的數據處理時，利用系統頻率響應對測量數據做一個去卷積操作，獲得真實的無線信道的頻率響應。

現實情況下，室內無線電的傳播很容易受室內各種狀況的干擾，比如人員走動等，這會對實際的測量結果產生一定的影響。在實際測量中應盡量避免非場景因素對測量結果的干擾，保證室內環境不變，這樣才能將室內信道近似看作時不變信道。但在實際的測量過程中，接收天線的位置需要實時更改，測量人員必須在計算機旁邊操控程序，這些都會對測量過程產生干擾。為了解決這個問題，使用路由器搭建局域網，通過室外的遠端電腦實現對室內近端電腦的遠程控制，使得操作人員可以隔離在測量環境之外，盡可能減小非場景因素造成的干擾。

如圖8所示，近端計算機在測量場景內通過以太網線和USB數據線控制硬件測量平臺。遠端電腦置于室外，通過網線和路由器控制近端電腦，實現遠程控制，消除室內人為因素的影響。

1.3 軟件控制程序

LabVIEW是圖形化的編程軟件，被廣泛應用于學術領域與工業領域［10-11］。作為一個工業標準的圖像化編程語言，它不僅提供了許多類似真實儀器的操作控件，還可以引導學生在自定義的模擬真實儀器的用戶界面上進行實際操作，具有可視化效果好、界面清晰操作簡單等特點，提升實驗教學效果［12-13］。

基于上述優點，本文利用LabVIEW開發出一套測量平臺的控制程序。學生通過操控該計算機程序，即可輕松控制測量平臺實現對典型室內環境信道的大規模測量。圖9所示為本文自主開發的LabVIEW程序的用戶界面。圖10所示為用戶界面對應的程序框圖。

圖8 遠程控制示意圖

圖9 軟件控制程序用戶界面

圖10 程序框圖

其中，數控天線位移系統端口號欄用于輸入端口號；網絡分析儀IP地址欄用于輸入網絡分析儀的IP地址；天線數目為發送天線陣列的數目，設置16×16 MIMO則輸入16即可；天線間距為天線陣列的間距，mm；采樣點數為測量頻帶內掃描點的數目；掃描延時為每移動一次數控天線位移系統的游標，預留給網絡分析儀采集并存儲數據的時延；天線陣列起始橫縱坐標為發送天線相對于數控天線位移系統的起始位置坐標；起始頻率和終止頻率用來設定掃描的頻帶。

2 實驗設計與分析

測量平臺可用于無線通信實驗教學。學生可利用此平臺在典型室內環境中進行信道測量，了解信道的大尺度衰落和小尺度衰落特性，此外，測量平臺還可讓學生通過實驗深入理解大規模MIMO的波束成形技術等。

2.1 室內信道特性的實驗研究

5G移動通信的優勢之一，在于其豐富的頻譜資源。為幫助學生直觀理解不同頻率信號的傳播差異，針對運營商使用的5G移動通信頻段，由教師指導學生利用測量平臺對實驗場地進行大規模實測，通過對實測數據進行處理，幫助學生了解典型室內環境中不同頻段的無線信道特性。其中，測量帶寬為5G移動通信所采用的100 MHz。

測量場景的平面示意圖和實測圖分別如圖11、12所示。其中，實驗場地的長為15 m，寬為10 m，高為4 m。墻壁、天花板和地板均為混凝土構造。Tx為發送天線的所在位置，Rx為接收天線的所在位置。該實驗場地總共設置25個測量點。

圖11 測量平面示意圖

圖12 實測現場照片

（1）路徑損耗。根據帕塞瓦爾定理，信號的頻域能量等于其時域能量。由此通過對頻域數據進行處理，采用最小二乘擬合法對路徑損耗進行擬合，得到擬合圖像如圖13所示。可見，隨著頻率的增高，路徑損耗以及路徑損耗指數均隨之變大。無線電波的頻率越高，信號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。通過數據處理得到大規模MIMO信道的空間間隔相關系數的平均值，繪制成圖像如圖14所示。其中，λ為波長。由圖可知，在天線陣列陣元間隔為0.5、1 和1.5λ 時，4.85 和2.55 GHz具有相似的空間間隔相關系數。4.85 GHz可以基于更小的天線陣列陣元間隔實現更高的分集增益和信道容量［14］。

圖14 發射天線相關系數

2.2 波束成形的實驗研究

為幫助學生理解大規模MIMO的波束成形技術，設計實驗對此進行研究。測量平面示意圖如圖15所示。圖16為實驗場地的實測圖。發送天線陣列用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。發送天線陣列與M1距離為2 m。

圖15 測量平面示意圖

圖16 實測照片

利用測量平臺實測獲得無線信道的S21（ω，rh，rv）。其中：ω為頻域采樣點的矢量；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。頻域采樣點數目設定為1 601個。

時延波數譜的轉換式如下［15］：

式中，IFFT3為三維逆快速傅里葉變換，即對三維的每一個維度分別進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，rad／m。波數域和空間域是一對傅里葉變換［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，根據式（1）計算并繪制M1和M2的時延波數譜如圖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，導致M1、M2沿垂直維度上的時延波數譜的能量聚集位置呈現出了明顯差異，基站可以很清晰地區分用戶。而M1、M2的水平位置相同，故從圖17（c）、（d）觀察不到差異。對于相同條件下的8 ×8 MIMO，觀察圖18（a）、（b）可以發現，這時的時延波數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，大規模MIMO的空間復用優勢將越來越顯著。

圖17 16×16 MIMO，接收天線M1和M2的時延波數譜

圖18 8×8 MIMO，接收天線M1和M2的時延波數譜

3 結語

為幫助學生理解無線信道特性和大規模MIMO技術特點，本文采用實驗室通用儀器與軟件設計并搭建了價格低廉、操作簡單的室內虛擬大規模MIMO無線信道測量平臺。測量平臺可用于研究室內信道大尺度衰落和小尺度衰落特性，還可幫助學生深入理解大規模MIMO的波束成形技術。其為高校完成無線通信實驗教學、研究大規模MIMO技術提供了有效有段，有助于激發學生的科研興趣，培養學生的動手實踐能力和創新意識，值得在無線通信教學中進行推廣。