CN104239118B - 虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法和装置，涉及无线通信领域。本方法发明包括以下步骤：设定缓冲区深度Q，采集一组数据包填充至缓冲区并存储到存储设备，同时，继续以深度Q大小为单位采集数据，但是不存储，但记录采集数据包的个数，移动天线阵元，采集一组数据包填充至缓冲区并存储到存储设备，记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N，重复采集和存储过程，记录所有采集数据包和间隔数据包，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据，为了解决技术问题，进一步提出基于该方法的控制装置，通过本发明减轻了连续存储对固态硬盘的压力，去除了无效存储，提高固态硬盘的存储效率。

Description

虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及虚拟存储方式的信道测量数据采集方法和装置。

背景技术

随着无线通信技术的发展，通信系统的带宽由以前的几十KHz，逐步演进到3G的3-5MHz带宽，再到LTE的20MHz带宽，未来第五代移动通信的传输带宽可能达到百MHz甚至GHz的数量级。2010年底，贝尔实验室科学家Thomas L.Marzetta提出了大规模多天线(MassiveMIMO，Large-scale MIMO，Hyper MIMO，Full-Dimension MIMO，或ARGOS)技术(以下简称Massive MIMO)。随着研究的开展，大规模多天线技术逐步近几年成为无线通信领域的研究热点，并有望成为2020年未来5G宽带通信的物理层核心技术。相对传统的点对点MIMO技术，Massive MIMO系统的区别主要在于采用多副(一般超过100副)天线，这样可以进一步挖掘空间增益，以提高系统传输容量。Massive MIMO的海量数据传输，未来可应用于互联网接入、物联网、云计算的数据传输等，真正承担起未来网络的“大数据”传输任务。

通信中的任何一种传输体制，信号都是经历传播信道到达接收端，只有分析和掌握信道的特点与实质，才能针对存在的问题提出解决方案，以提高通信系统的有效性、可靠性和安全性。因此，准确认知无线信道衰落特征是无线通信系统研究的先决条件，只有在充分研究和了解所设计系统的信道特性后，才能采取与之相适应的各种物理层技术。

研究无线信道的传播特性时，最直接有效地方法就是实地的信道测量。测量中获取的信道数据可以准确的反映出信道的传播特性，可以进一步从中提取出准确的信道模型。准确认知通信系统的传播特性是系统设计、算法优化和未来网络构建的基础。

然而，随着通信系统带宽的增加，对于无线信道测量，也提出了挑战。通常，信道测量的基本原理框图如图1所示。信道测量的基本原理是在信道测量仪的发端发射一个特殊的激励序列，激励信号在传播过程中经过传播损耗、折射/绕射/散射等衰落后到达接收端，在接收端，信道测量仪采集并存储接收到的激励信号；测量完成后，通过离线处理的方式，获取无线信道的衰落特征。

信道测量仪的接收端基本原理框图如图2所示。其中，接收的信号通常经过射频模块，包括滤波器、功放等器件，通过混频器进行下变频，信号混频至中频或者基带，然后经过A/D(模数转换)变为数字信号，进入FPGA，最后通过PCI-E接口进入计算机存储在存储介质中。

现有的信道测量仪架构，用于Massive MIMO信道测量，主要存在两方面的问题。对于信道的衰落特征，随着测量带宽的增加、多天线机制的使用和收发端相对移动速度的增加，要求信道测量仪采集存储的数据连续，即中间不能存在断数，在这个条件下，在后面的离线数据处理，才能够准确的提取出信道的角度域衰落特性(主要包括离开/到达角及其角度扩展)、时变信道的Doppler衰落特征。然而，对于现有的系统配置的性能，却很难达到这个要求。通常现在高配置的固态硬盘的稳定写入速率能达到600-800MB/s，如果对于100M带宽的信号，如果混频器下变频至中频，如240MHz(一般不选用混频至基带，因为零中频的方式会引入直流分量或一些频率镜像，影响系统测量性能)，那么，如果以14bit的A/D以f_s欠采样进行采样，满足

其中，f_L和f_H分别对应于中频信号的最低频率和最高频率。为保证接收端能够无失真恢复原始信号，欠采样定理要求n取能满足f_s≥2(f_H-f_L)，因此，最低的采样率f_s＝192Msps，此时n＝2。此外，通常常规的商用A/D是双通道并发的，此时，PCI-E的传输速率为192×2×2＝768M/s，已经接近或达到了固态硬盘连续不间断存储的极限值。固态硬盘如工作在这个存储速率，长时间的稳定存储将不能保证。此外，由于是采集和存储中频数据，在数据后处理将需要对信号进行数字下变频，因此，中频存储的数据不能出现断数，否则，断数后的存储数据在数字下变频后会出现相位不连续，无法获得信道在角度域和Doppler域的衰落特征。

目前业内大多采用的是虚拟Massive MIMO天线的天线结构。但是，采用虚拟多天线方式进行测量，存在的主要问题在于，需要人工或者手动的滑动天线，而在滑动的过程中，为了保证信道测量设备收发端相位一致性，因此，不能关闭发射的激励信号，不能关闭接收端的射频单元，不能中断A/D采样。这种情况下，会导致采集的数据，包含了所有测量天线阵元的有效测试数据和滑动过程中无效测试数据，并且，如果采用人工滑动，假设每副天线采集数据时间为1s，人工滑动的时间加上阵元准备时间为10s，那么，无效测试数据占总数据的比例将会超过90％。这样，大大增加了固态硬盘的存储负荷。

综上所述连续存储速率和无效存储负荷的两个因素，现有信道测量仪将无法直接用于多天线信道测量及数据采集。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法和装置，该方法在进行多天线信道测试时，不仅可以减轻连续存储对固态硬盘的压力，同时可以去除无效存储，提高固态硬盘的存储效率。

虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，包括以下步骤：

S1、设定缓冲区深度Q；

所述的缓冲区深度Q，其设定根据激励信号的长度和过采样的长度

所述的缓冲区深度Q的单位是MByte

S2、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S3、缓冲区数据存储到存储设备；

S4、移动天线阵元；

所述的移动天线阵元是采用虚拟天线技术；

S5、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S6、缓冲区数据存储到存储设备；

S7、记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N；

所述的数据包数量N是采集数据包Q的数量；

S8、重复S4至S7，直至记录存储L副天线阵元对应的采集数据包和间隔数据包；

所述的L副天线阵元是虚拟天线数量；

S9、根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据。

所述的记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N，其特征在于：

所述的步骤S7，按照下述步骤完成记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N：

上一组采集数据包采集完成时，继续采集数据至缓冲区；

当缓冲区存满时，计数器的计数值C自增1；

下一组数据包采集开始时，计数器停止计数；

所述的根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据：

按照下述步骤完成采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据：

采集完数据后，得到L副天线阵元对应的采集数据包L和间隔数据包(L-1)×N；

在数据后处理时，根据两副天线之间间隔数据包的个数，依次补出间隔数空包的数据。

为了更进一步解决技术问题，本发明还提供了虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集装置。

虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的装置，其特征是在信道测量仪的接收端的PCI-E接口和存储设备之间设置一具有基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据方法功能的控制装置，所述的控制装置是计算机，所述的存储设备是固态硬盘，所述的信道测量仪的接收端的PCI-E接口电连接于所述的控制装置，所述的控制装置电连接于存储设备，所述的控制装置的信号流是接收的信号经过射频模块，包括滤波器、功放，通过混频器进行下变频，信号混频，进入A/D，转换为数字信号，进入FPGA，最后通过PCI-E接口进入计算机存储于固态硬盘中。

本发明提供的方法和装置通过离线处理的方式，降低了通讯的负荷，这样工作的存储设备，可以保证长时间稳定的存储，解决了断数后的存储数据在数字变频后会出现相位不连续，无法获得信道在角度域和Doppler域的衰落特征的问题。

附图说明

图1是信道测量的基本原理框图；

图2是基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法示意图；

图3是基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法流程图；

图4是基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法补零技术示意图；

图5是基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集装置示意图；

图6是虚拟天线信道测量示意图；

具体实施方式

通信中的任何一种传输体制，信号都是经历传播信道到达接收端，只有分析和掌握信道的特点与实质，才能针对存在的问题提出解决方案，以提高通信系统的有效性、可靠性和安全性。因此，准确认知无线信道衰落特征是无线通信系统研究的先决条件，只有在充分研究和了解所设计系统的信道特性后，才能采取与之相适应的各种物理层技术。

所述的通过PCI-E接口进入计算机存储在固态硬盘中，所采用的存储技术是连续存储。

现有技术中的连续存储速率和无效存储负荷的两个因素，信道测量仪将无法直接用于多天线信道测量及数据采集，为了解决减轻连续存储对固态硬盘的压力，去除无效存储，提高固态硬盘的存储效率，本发明特别针对解决这两个因素技术问题所提出虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法和装置。

如图1所示，其测量的基本原理是在信道测量仪的发端发射一个特殊的激励序列，激励信号在传播过程中经过传播损耗、折射/绕射/散射等衰落后到达接收端，在接收端，信道测量仪采集并存储接收到的激励信号，测量完成后，通过离线处理的方式，获取无线信道的衰落特征。

下面简述本发明的流程：

如图3所示，本方法发明的技术方案是虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，包括以下步骤：

S1、设定缓冲区深度Q；

所述的缓冲区深度Q，其设定根据激励信号的长度和过采样的长度

所述的缓冲区深度Q的单位是MByte

S2、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S3、缓冲区数据存储到存储设备；

S4、移动天线阵元；

所述的移动天线阵元是采用虚拟天线技术；

S5、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S6、缓冲区数据存储到存储设备；

S7、记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N；

所述的数据包数量N是包含采集数据包Q的数量；

S8、重复S4至S7，直至记录存储L副天线阵元对应的采集数据包和间隔数据包；

所述的L副天线阵元是虚拟天线数量；

S9、根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据。

所述的记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N，其特征在于：

所述的步骤S7，按照下述步骤完成记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N：

上一组采集数据包采集完成时，继续采集数据至缓冲区；

当缓冲区存满时，计数器的计数值C自增1；

下一组数据包采集开始时，计数器停止计数；

所述的根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据：

按照下述步骤完成采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据：

采集完数据后，得到L副天线阵元对应的采集数据包L和间隔数据包(L-1)×N；

在数据后处理时，根据两副天线之间间隔数据包的个数，依次补出间隔数空包的数据。

下面结合图2对本方法发明，进行进一步描述：

根据激励信号的长度和过采样的长度，假设接收端缓冲区为100MByte。

设置两个100MByte的缓冲区，A缓冲区和B缓冲区。

所述的A缓冲区用于存储采集数据包；

所述的B缓冲区用于存储间隔数据包；

采集第一组天线阵元的第一组100Mbyte数据到A缓冲区。

将上述缓冲区的100MByte数据存储到存储设备。

在一可选择的实施方式中，所述的存储设备可以是硬盘，也可以是U盘、云存储设备。

移动天线阵元，所述的移动方法可以采用虚拟天线技术；

在一可选择的移动方式中，可以选择手动移动，也可以选择自动移动。

采集第二组天线阵元的第二组100Mbyte数据到A缓冲区。

将上述缓冲区的100MByte数据存储到存储设备。

所述的将缓冲区的100MByte数据存储到存储设备，是在移动的过程中，完整的将A缓冲区中的数据能够写到存储设备中。

根据记数器的记数，记录当前数据包与上一组数据包之间的间隔数据包数量N。

作为一种优选方式，所述的间隔数据包数量N的计算方法如下所述：

所述的第一组100Mbyte数据采集完成时，在写入存储设备的同时，不停止数据的采集，但此采集并不被保存，而是在采集中统计数据，此采集的数据将临时被保存在B缓冲区,为最终的补零工作，进行计数。

所述的B缓冲区被填满时，此数据不会被保存，而是被后续数据继续覆盖。

当缓冲区被填满时，计数器自动计数，所述的计数方式是自增式计数，也就是如下公式C＝C+1方式计数。

当下一组数据包开始采集时，停止计数器计数，将数值C写入存储设备。

清除缓冲区数据。

如图2所示，当执行到S8时，重复执行S4、S5、S6、S7，也就是执行如下步骤：

S4、移动天线阵元

S5、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区

S6、缓冲区数据存储到存储设备

S7、记录当前数据包与上一组数据包之间的间隔数据包数量N

这一组反复执行的过程，其终止条件是：假设共有L副天线，当L副天线的L组采集数据包和(L-1)*N组间隔数据包全部采集完成时中止。

整个流程执行至此已经完成了数据的存储，接下来的工作就是数据修正。

所述的数据修正过程，就是采用补零的方式，如图2所示：

所述的补零方式就是根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据。

如图4所述的补零的具体的方式为：

采集完数据后，得到L副天线阵元对应的采集数据包L和间隔数据包(L-1)×N；

在数据后处理时，根据两副天线之间间隔数据包的个数，依次补出间隔数空包的数据。

所述的补入总数据量是(L-1)*N*Q。

所述的方法发明中的L是拟定的虚拟天线的数量。

所述的虚拟天线数量的来源根据应用或供应商提供的现有设备拟制。

通过如上所述方法，不难看出采集的数据并不是直接写入存储设备，而是通过缓冲区作为临时存储，当写满至设定存储空间时，再一次性写入存储设备，由于采用了缓冲区技术和分时写入的功能，数据不是直接写入存储设备，这样降低了通讯的负荷，这样工作的存储设备，可以保证长时间稳定的存储。

通过如上所述方法，与现有技术相比，仅仅存储有用的数据，同时，保存了非有效数据的个数，这样通过后面的数据恢复，可以保证所存储的数据的连续，保证了相位一致性，解决了断数后的存储数据在数字变频后会出现相位不连续，无法获得信道在角度域和Doppler域的衰落特征的问题。

为了解决现有技术的问题，发明进一步提供虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的装置。

虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的装置，其特征是在信道测量仪的接收端的PCI-E接口和存储设备之间设置一具有基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据方法功能的控制装置。

所述的控制器是计算机。

所述的存储设备是固态硬盘。

所述的信道测量仪的接收端的PCI-E接口电连接于所述的控制装置，所述的控制装置电连接于存储设备。

所述的本装置的信号流是接收的信号经过射频模块，包括滤波器、功放，通过混频器进行下变频，信号混频，进入A/D，转换为数字信号，进入FPGA，最后通过PCI-E接口进入计算机存储于固态硬盘中。

所述的本装置包括天线阵元，所述的天线阵元是采用虚拟天线技术；

所述的具有基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据方法功能基于于本发明同一技术构思下的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的方法。

信道测量仪接收的信号通常经过射频模块，通过混频器进行下变频，信号混频至中频或者基带，然后经过A/D(模数转换)变为数字信号，进入FPGA，最后通过PCI-E接口进入计算机存储在固态硬盘中。

所述的信道测量仪的接收端包括天线、射频模块、混频器、A/D转换器、时钟模块、本振源、FPGA。

在一可选择的存储设备时，可以是固态硬盘，磁盘阵列或Flash阵列等；

在一可选择的控制装置时，可以是计算机、工作站等。

下面结合图5，对本装置进行进一步说明：

虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的装置，其特征是在信道测量仪的接收端的PCI-E接口和存储设备之间设置一具有基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据方法功能的控制装置；

所述的控制装置是计算机；

在一可选择的方式中，所述的控制装置，可以是计算机，也可以是具有控制功能的其他控制装置。

所述的存储设备是固态硬盘；

所述的信道测量仪的接收端的PCI-E接口电连接于所述的控制装置，所述的控制装置电连接于存储设备。

由于采用虚拟天线的技术，射频模块和天线接受来自无线中频数据，经过本振源提供的震荡频率，经过混频，去除载波频率，将数据还原并送入A/D转换器，同时由时钟管理模块提供震荡频率给予A/D模块和FPGA，滤波、降噪通过PCI-E接口以数字信号的形式，发送给计算机，在计算机端执行基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的方法的指令后，将数据送入固态硬盘。

如图6所示，所述的虚拟天线技术是该天线阵列采用具有一定空间的结构，在阵列上仅有一副(或少数几副)天线阵元，天线阵元单元该在天线阵列上位置连续变化，用以获得阵列上不同位置的信道特征。

所述的一具有基于虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据方法功能，应包含如下功能：

S1、设定缓冲区深度Q；

S2、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S3、缓冲区数据存储到存储设备；

S4、移动天线阵元；

S5、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S6、缓冲区数据存储到存储设备；

S7、记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N；

所述的数据包数量N是包含采集数据包Q的数量；

S8、重复S4至S7，直至记录存储L副天线阵元对应的采集数据包和间隔数据包；

所述的L副天线阵元是虚拟天线数量；

S9、根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据。

以上对本发明所提供的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明构建的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、设定缓冲区深度Q；

所述的缓冲区深度Q的单位是MByte；

S2、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S3、缓冲区数据存储到存储设备；

S4、移动天线阵元；

S5、采集一组大小为Q的采集数据包填充至缓冲区；

S6、缓冲区数据存储到存储设备；

S7、记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N；

所述的数据包数量N是包含采集数据包Q的数量；

S8、重复S4到S7，直至记录存储L副天线阵元对应的采集数据包和间隔数据包；

S9、根据间隔数据包的数量，在数据后处理时，采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据。

2.根据权利要求1所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，其特征在于，所述的步骤S7，按照下述步骤完成记录当前采集数据包与上一组采集数据包之间的间隔数据包数量N：

上一组采集数据包采集完成时，继续采集数据至缓冲区；

当缓冲区存满时，计数器的计数值C自增1；

下一组数据包采集开始时，计数器停止计数。

3.根据权利要求1所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，其特征在于，所述的步骤S9，按照下述步骤完成采用补零的方式，补齐所有间隔数据包的数据：

采集完数据后，得到L副天线阵元对应的采集数据包L和间隔数据包(L-1)×N；

在数据后处理时，根据两副天线之间间隔数据包的个数，依次补出间隔数空包的数据。

4.根据权利要求1所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，其特征在于，所述的缓冲区深度Q，其设定根据激励信号的长度和过采样的长度。

5.根据权利要求1所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集方法，其特征在于，所述的移动天线阵元是采用虚拟天线技术。

6.一种虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集的装置，其特征是在信道测量仪的接收端的PCI-E接口和存储设备之间设置及如权利要求1至5中任意一项方法功能的控制装置。

7.根据权利要求6所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集装置，其特征在于，所述的控制装置是计算机。

8.根据权利要求6所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集装置，其特征在于，所述的存储设备是固态硬盘。

9.根据权利要求6所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集装置，其特征在于，所述的信道测量仪的接收端的PCI-E接口电连接于所述的控制装置，所述的控制装置电连接于存储设备。

10.根据权利要求6所述的虚拟连续存储方式的多天线信道测量数据采集装置，其特征在于，所述的控制装置的信号流是接收的信号经过射频模块，包括滤波器、功放，通过混频器进行下变频，信号混频，进入A/D，转换为数字信号，进入FPGA，最后通过PCI-E接口进入计算机存储于固态硬盘中。