CN108494512B - 一种毫米波大规模mimo信道模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波大规模MIMO信道模拟系统，包括屏蔽装置，屏蔽装置外设有大规模MIMO系统、MIMO信道模拟器以及信道与设备控制装置，屏蔽装置内设有三维球面探针装置；大规模MIMO系统连接MIMO信道模拟器，MIMO信道模拟器连接三维球面探针装置，信道与设备控制装置分别与三维球面探针装置和MIMO信道模拟器通信。本发明采用信道空间映射的方法实现波束信号的空间分离与映射，将基于天线的子信道映射为基于空间角度方向的子信道，减少模拟的子信道数同时简化了信道生成方法，可有效降低模拟器资源，降低成本。

Description

一种毫米波大规模MIMO信道模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及通信测试技术，特别是涉及一种毫米波大规模MIMO信道模拟系统。

背景技术

无线信道是复杂和多变的信号物理通道，存在着多径衰落、平衰落、噪声等影响通信性能的不利因素，而这些都是通信系统研究必须考虑的问题。无线信道模拟器通过在线实时模拟天线端口的发射信号经过无线环境后的路径损耗、多径衰落等相关特性，在实验室精确地模拟无线环境对系统性能的影响，验证系统设备和终端在各种复杂场景下的性能。

现有的信道模拟测试中，信道模拟器通过低损耗电缆与发射机和接收机分别互联，将发射机的射频信号转换到数字域后通过数字信号处理技术进行模拟，生成的数字信号再通过上变频转换为射频信号，传输给接收机。信号处理包括模拟滤波，数字延时和噪声叠加等，计算复杂度高，资源消耗大。对于多输入多输出系统，信道模拟器还需要对模拟的发射天线信号进行分路，在接收天线侧进行数据合路，在各个子信道的上进行信号处理。每一对收发天线组成一个子信道，子信道总数为接收天线数乘以发射天线数，因此所需的信号处理资源将大大增加。

在第五代移动通信(5G)中，大规模多输入多输出(Massive MIMO)和毫米波频段将会是关键应用技术。面对数以百计的通道数，上GHz系统带宽和高达 100GHz的毫米波频段，现有信道模拟面临的主要挑战在于：1)相较于4G时代的 8×2多天线系统，5G信道模拟中实时模拟的子信道数将有近两个数量级的提升，模拟资源将大幅度增长，需要高成本的多台信道模拟器协同工作，并且模拟器之间需要面对1Tbps以上的数据吞吐率传输需求和传输符号(纳秒)级同步。这使得现有的架构对大规模MIMO信道的模拟实现难度极大。2)在毫米波频段，设备间互联的电缆一致性，并且由于的5G系统设备通常采用天线与射频前端一体化设计，没有可供连接信道模拟器的射频接口，因此需要研究新的5G毫米波信道模拟测试方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种适用于毫米波大规模MIMO信道的模拟系统及方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的毫米波大规模MIMO信道模拟系统，包括屏蔽装置，屏蔽装置外设有大规模MIMO系统、MIMO信道模拟器以及信道与设备控制装置，屏蔽装置内设有三维球面探针装置；大规模MIMO系统连接MIMO信道模拟器，MIMO 信道模拟器连接三维球面探针装置，信道与设备控制装置分别与三维球面探针装置和MIMO信道模拟器通信。

进一步，所述信道与设备控制装置包括信道产生模块、空间映射模块和设备控制模块。

进一步，所述三维球面探针装置包括三维球面探针架和设备支架，三维球面探针架的球面上设有多个探针，设备支架上设有待测设备，所述探针通过开关连接 MIMO信道模拟器。

采用本发明所述的毫米波大规模MIMO信道模拟系统的信道模拟方法，包括以下步骤：

S1：在三维球面探针架上按天顶角和方位角方向均匀分布多个探针，用于模拟各个空间方向上的信号；

S2：在MIMO信道模拟器中设置三维信道场景、天线布局以及收发天线参数，结合移动状态，确定传播场景和阴影衰落参数，计算大尺度衰落参数；

S3：根据使用信道产生模块分别产生接收天线模式矩阵H_{rx_ant}、发射天线模式矩阵H_{tx_ant}、接收天线初始相位矩阵H_{rx_theta_phi}、发射天线初始相位矩阵H_{tx_theta_phi}、离开角扩展矩阵H_{tx_aod_ds}和到达角扩展矩阵H_{rx_aoa_ds}；

S4：计算小尺寸衰落参数：根据发射天线模式矩阵H_{tx_ant}和发射天线初始相位矩阵H_{tx_theta_phi}，计算空间离开角矩阵H_aod；结合离开角度扩展与角度功率谱分布，产生随机射线，计算各个簇和射线多径离开时延τ和功率Pwr，生成发射信道空间映射，将个发射机信道转换为P个离开角信号，发射信号矩阵维度由M×1转化为 P×1；其中，M为大规模MIMO系统中天线单元的数量，1为发射信号经过最大时延扩展后序列的长度；

S5：针对待测设备的每个天线单元，据接收天线模式矩阵H_{rx_ant}和接收天线初始相位矩阵H_{rx_theta_phi}，计算空间到达角矩阵H_aoa；结合到达角度扩展与角度功率谱分布，产生随机射线，计算各个簇和射线多径达到时延τ和功率Pwr，合并相同时延与到达方向射线，将P个离开角信号转换为Q个到达角信号，信道矩阵维度由 P×1转化为Q×1；

S6：根据MIMO信道模拟器中设置的三维信道场景与移动状态，确定待测设备移动引起的场景变化，重复步骤S4和S5，产生对应的信道数据映射，并计算多普勒频偏；

S7：使用空间映射模块产生Q个空间到达方向的信号，通过设备控制模块控制开关，选择三维球面探针架上的探针，控制各到达波的空间方向；

S8：将步骤S2产生的大尺度衰落参数和步骤S6产生的空间映射下小尺度衰落参数注入MIMO信道模拟器，结合三维球面探针装置的同步控制，实现对大规模 MIMO信道的模拟。

有益效果：本发明公开了一种毫米波大规模MIMO信道模拟系统，相对于现有技术具有如下的有益效果：

1)信道模拟器与测试设备之间没有电缆直接互联，采用3D OTA技术，使得模拟系统测试灵活，架设方便，可用于大规模MIMO信道的模拟；

2)采用信道空间映射的方法实现波束信号的空间分离与映射，将基于天线的子信道映射为基于空间角度方向的子信道，减少模拟的子信道数同时简化了信道生成方法，可有效降低模拟器资源，降低成本；

3)在线实时数字信号处理与三维球面探针装置机械结构相结合，支持高速动态衰落环境模拟。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中信道模拟的原理示意图；

图2为本发明具体实施方式中系统的示意图；

图3为本发明具体实施方式中方法的示意图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种毫米波大规模MIMO信道模拟系统，如图1所示，用空间映射和3D OTA模拟的方法，通过较少的子信道数与简化的信道模拟方法，省去了信道模拟器与待测设备间的电缆连接，通过角度分离完成大规模天线阵信道的模拟。如图2所示，本系统包括屏蔽装置5，屏蔽装置5外设有大规模MIMO系统1、MIMO信道模拟器2以及信道与设备控制装置3，屏蔽装置5内设有三维球面探针装置4；大规模MIMO系统1通过电缆6连接MIMO信道模拟器2，MIMO 信道模拟器2通过电缆7连接三维球面探针装置4，信道与设备控制装置3通过数据连接8与MIMO信道模拟器2进行通信，通过控制连接9与三维球面探针装置4 进行通信。三维球面探针装置4模拟用于模拟三维空间电波的各个方向，实现OTA 的信道互联。大规模多输入多输出英文Massive MIMO或Large Scale MIMO，目前没有明确的数量定义，原理上越大越好，但目前实现架构上通常在64-256个通道。

信道与设备控制装置3包括信道产生模块15、空间映射模块16和设备控制模块17。

三维球面探针装置4包括三维球面探针架10和设备支架12，三维球面探针架 10的球面上设有多个探针14，设备支架12上设有待测设备11，所述探针14通过开关13连接MIMO信道模拟器2。

上述信道模拟系统中通过探针14的布局与控制，可以模拟大规模MIMO系统 1经过信道后各个空间方向上电波的辐射模式，从而简化MIMO信道模拟器2的模拟方法。通过分布于三维球面上的探针14，模拟空域信号，使得模拟器仅需模拟信道的时域和频域的影响。当大规模MIMO系统1工作在发射模式时，信号通过电缆6输入信道模拟器2进行处理后，通过电缆7传输到分布在三维球面探针架10 上的各个探针14上，模拟待测设备11在空间域的各个方向来波。信道与设备控制装置3产生相应的信道系数，将天线子信道映射为空间子信道，并通过开关13控制信号。当进行信道模拟时，信道系数被注入MIMO信道模拟器2，信道与设备控制装置3通过数据连接8和控制连接9同步信号处理与探针控制，实现信道时/频/ 空域的特性模拟。当大规模MIMO系统1工作在接收模式时，待测设备11的发射的信号三维探针14接收，传输给MIMO信道模拟器2进行模拟，再通过电缆传输给大规模MIMO系统1。待测设备与信道模拟器探针14的这种3D OTA连接方式也可应用于大规模MIMO系统1与MIMO信道模拟器2之间，代替电缆6。

本具体实施方式还公开了采用上述系统的信道模拟方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1：在三维球面探针架10上按天顶角和方位角方向均匀分布多个探针14，用于模拟各个空间方向上的信号；

S2：在MIMO信道模拟器2中设置三维信道场景、天线布局以及收发天线参数，结合移动状态，确定传播场景和阴影衰落参数，计算大尺度衰落参数；

S3：根据使用信道产生模块15分别产生接收天线模式矩阵H_{rx_ant}、发射天线模式矩阵H_{tx_ant}、接收天线初始相位矩阵H_{rx_theta_phi}、发射天线初始相位矩阵H_{tx_theta_phi}、离开角扩展矩阵H_{tx_aod_ds}和到达角扩展矩阵H_{rx_aoa_ds}；

S4：计算小尺寸衰落参数：根据发射天线模式矩阵H_{tx_ant}和发射天线初始相位矩阵H_{tx_theta_phi}，计算空间离开角矩阵H_aod；结合离开角度扩展与角度功率谱分布，产生随机射线，计算各个簇和射线多径离开时延τ和功率Pwr，生成发射信道空间映射，将个发射机信道转换为P个离开角信号，发射信号矩阵维度由M×1转化为 P×1；其中，M为大规模MIMO系统1中天线单元的数量，1为发射信号经过最大时延扩展后序列的长度；

S5：针对待测设备11的每个天线单元，据接收天线模式矩阵H_{rx_ant}和接收天线初始相位矩阵H_{rx_theta_phi}，计算空间到达角矩阵H_aoa；结合到达角度扩展与角度功率谱分布，产生随机射线，计算各个簇和射线多径达到时延τ和功率Pwr，合并相同时延与到达方向射线，将P个离开角信号转换为Q个到达角信号，信道矩阵维度由P×1转化为Q×1；

S6：根据MIMO信道模拟器2中设置的三维信道场景与移动状态，确定待测设备11移动引起的场景变化，重复步骤S4和S5，产生对应的信道数据映射，并计算多普勒频偏；

S7：使用空间映射模块16产生Q个空间到达方向的信号，通过设备控制模块 17控制开关13，选择三维球面探针架10上的探针14，控制各到达波的空间方向；

S8：将步骤S2产生的大尺度衰落参数和步骤S6产生的空间映射下小尺度衰落参数注入MIMO信道模拟器2，结合三维球面探针装置4的同步控制，实现对大规模MIMO信道的模拟。

Claims (1)

1.一种毫米波大规模MIMO信道模拟系统的信道模拟方法，所述毫米波大规模MIMO信道模拟系统包括屏蔽装置(5)，屏蔽装置(5)外设有大规模MIMO系统(1)、MIMO信道模拟器(2)以及信道与设备控制装置(3)，屏蔽装置(5)内设有三维球面探针装置(4)；大规模MIMO系统(1)连接MIMO信道模拟器(2)，MIMO信道模拟器(2)连接三维球面探针装置(4)，信道与设备控制装置(3)分别与三维球面探针装置(4)和MIMO信道模拟器(2)通信；所述信道与设备控制装置(3)包括信道产生模块(15)、空间映射模块(16)和设备控制模块(17)；所述三维球面探针装置(4)包括三维球面探针架(10)和设备支架(12)，三维球面探针架(10)的球面上设有多个探针(14)，设备支架(12)上设有待测设备(11)，所述探针(14)通过开关(13)连接MIMO信道模拟器(2)；所述信道模拟方法包括以下步骤：

S1：在三维球面探针架(10)上按天顶角和方位角方向均匀分布多个探针(14)，用于模拟各个空间方向上的信号；

S2：在MIMO信道模拟器(2)中设置三维信道场景、天线布局以及收发天线参数，结合移动状态，确定传播场景和阴影衰落参数，计算大尺度衰落参数；

S3：根据使用信道产生模块(15)分别产生接收天线模式矩阵H_{rx_ant}、发射天线模式矩阵H_{tx_ant}、接收天线初始相位矩阵H_{rx_theta_phi}、发射天线初始相位矩阵H_{tx_theta_phi}、离开角扩展矩阵H_{tx_aod_ds}和到达角扩展矩阵H_{rx_aoa_ds}；

S4：计算小尺寸衰落参数：根据发射天线模式矩阵H_{tx_ant}和发射天线初始相位矩阵H_{tx_theta_phi}，计算空间离开角矩阵H_aod；结合离开角度扩展与角度功率谱分布，产生随机射线，计算各个簇和射线多径离开时延τ和功率Pwr，生成发射信道空间映射，将个发射机信道转换为P个离开角信号，发射信号矩阵维度由M×1转化为P×1；其中，M为大规模MIMO系统(1)中天线单元的数量，1为发射信号经过最大时延扩展后序列的长度；

S5：针对待测设备(11)的每个天线单元，据接收天线模式矩阵H_{rx_ant}和接收天线初始相位矩阵H_{rx_theta_phi}，计算空间到达角矩阵H_aoa；结合到达角度扩展与角度功率谱分布，产生随机射线，计算各个簇和射线多径达到时延τ和功率Pwr，合并相同时延与到达方向射线，将P个离开角信号转换为Q个到达角信号，信道矩阵维度由P×1转化为Q×1；

S6：根据MIMO信道模拟器(2)中设置的三维信道场景与移动状态，确定待测设备(11)移动引起的场景变化，重复步骤S4和S5，产生对应的信道数据映射，并计算多普勒频偏；

S7：使用空间映射模块(16)产生Q个空间到达方向的信号，通过设备控制模块(17)控制开关(13)，选择三维球面探针架(10)上的探针(14)，控制各到达波的空间方向；

S8：将步骤S2产生的大尺度衰落参数和步骤S6产生的空间映射下小尺度衰落参数注入MIMO信道模拟器(2)，结合三维球面探针装置(4)的同步控制，实现对大规模MIMO信道的模拟。

Images