CN109194376A - 毫米波大规模mimo信道传播特性测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于5G移动通信技术领域,涉及毫米波和大规模MIMO两种关键技术,具体为一种毫米波大规模MIMO信道特性测量装置及方法;所述方法包括将发射天线固定在数控平台上的天线支架上,并且以半波长移位形成任意形状的虚拟大规模阵列;接收天线固定在三角支架上,连接测试设备;采用电子校准器件对矢量网络分析仪、高频馈线、转接头等进行时延与功率校准;启动并设置数控平台系统,初始化发射天线位置、阵列天线大小、阵元间距,水平和垂直电机同时控制发射天线阵元位置,记录每个阵元位置与接收天线对的S参数,采集的实测数据能用于信道统计特性分析与参数估计。本发明能用于毫米波频段任意大小和形状天线阵的信道测试。
Description
技术领域
本发明属于5G移动通信技术领域,具体为一种毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法及装置。
背景技术
传统大规模多输入多输出(Multiple-input Multiple-output)技术使用天线的方位角,即垂直极化或交叉极化,被视为2D MIMO。为了进一步利用MIMO技术,需要增加仰角域资源,即采用3D MIMO获得多用户信号,并在仰角域区分多个用户,进而降低多用户干扰,增强吞吐量。应对5G移动通信系统在高传输速率、高系统容量以及低多用户间干扰的需求,MIMO技术通过在基站部署数十甚至数百根天线,将天线阵扩展到仰角和方位角3维平面,提高空间多用户分辨能力。毫米波(频率在30-300GHz)因其具有的有效连续大带宽和短波长特点,能将毫米波天线阵元的尺寸做的非常小,减少阵列大小,因而很容易在毫米波频段实现大规模MIMO。
无线信道作为无线通信系统最前摄性和最基础性的研究方向之一,决定着数据传输的可靠性。毫米波大规模MIMO信道已经成为5G研究的一个热点方向。但是,毫米波大规模MIMO具有新的传播特性,如阵列间信号传播时延、角度和功率随阵元位置变化,不同阵元可观测散射体不同致使接收路径不同。为了充分理解毫米波大规模MIMO信道的传播特性,更好地复现和预测无线信道衰落,需要对不同场景和配置下的信道进行大量测量工作,进而基于对信道特性的认知建立准确的信道模型。
在测量活动中主要有两类信道测量平台,一是针对特定频率所设计的宽带测量系统;二是基于矢量网络分析仪的信道测量系统。前者采用的是定制的射频单元,该测量平台不仅频率固定,可测带宽通常在几百MHz到1GHz范围内,而且其收发端也需要铷钟或铯钟保持同步。因此由于测量频带宽度、硬件成本和校准成本,多为单一的射频单元,测量的灵活性不足;而后者属于频域信道测量,是使用矢量网络分析仪通过扫频方式测量每个频点的信道传输函数,这种方法满足用户自定义带宽,同步准确,但是使用长电缆线保持收发端频点和相位的一致,不适合远距离或动态场景下的测量,一般应用于室内静态环境。
尽管已经开展了毫米波或大规模MIMO技术在室内外场景的无线信道测量,但实现毫米波大规模MIMO信道的高效测量技术还鲜有研究。
发明内容
针对大规模MIMO信道模型大多为低频段且方位角域特性不足的问题,本发明通过设计基站大规模天线阵控制平台即数控平台系统,研发出一种毫米波大规模MIMO多用户信道特性测量方法和装置,在俯仰角度域获得真实信道数据,进一步为毫米波大规模MIMO信道模型提供基础。
本发明提出一种毫米波大规模MIMO信道传播特性测量装置,设计简单且易于实现的测量方法,开展仰角域中多用户分布时无线信道数据的采集,实现仰角域中多用户的识别。
本发明的毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法,包括以下步骤:
S1、在控制终端上设置发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置、测量频段、中频带宽以及扫频点数参数,从而设定出任意大小以及任意形状的天线阵列;
S2、采用电子校准器件对矢量网络分析仪、高频馈线和转接头进行时延和功率校准;
S3、将发射天线固定在数控平台的天线支架上,接收天线固定在三角支架上,并将发射天线和接收天线分别与矢量网络分析仪的端口相连;
S4、将天线支架与控制终端相连接,所述控制终端向数控云台系统发送设置的发射天线初始位置消息,数控云台系统控制天线支架移动,使发射天线到达其设置的初始位置;
S5、控制终端向数控云台系统发出命令,数控云台系统按照命令,控制水平步进电机和垂直步进电机共同驱动天线支架在传送带上进行移位;
S6、矢量网络分析仪按照设置的测量频段、中频带宽以及扫频点数在天线阵元的每个位置进行扫描,取多次扫频后的平均值作为的测量结果,记录测量频段范围内每个位置处矢量网络分析仪中的S参数,判断发射天线是否到达其设定到达的位置,若达到,则结束测量。
进一步的,所述步骤S5包括控制终端将命令发送至数控云台系统,所述数控云台系统在每个测量位置处均判断是否达到发射天线的到达位置,若未到达,控制垂直步进电机和水平步进电机工作,使传送带沿水平或垂直导向杆滑动,从而将发射天线移动到设定的到达位置;所述命令包括发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置。
优选的,所述从而设定出任意大小以及任意形状的天线阵列包括所实现的天线阵列的大小和形状是任意的,所述形状包括均匀线性阵列、均匀平面阵列,所述线性阵列的大小包括16、32、64、128、516、1024;所述均匀平面阵列的大小包括16×16、32×32、64×64、128×128、516×516、1024×1024。
其中,在垂直步进电机以及水平步进电机的一侧均固定有导向杆,另一侧面固定有螺杆,且导向杆与螺杆平行;电源对控制板进行供电,控制板控制天线支架在导向杆上滑动,同时在螺杆上按照螺纹移动固定距离;使得天线支架在传送带上进行移动。
优选的,所述步骤S6之后还包括根据测量的S参数,建立系统模型,从而获取大规模MIMO信道传播特性。
本发明的毫米波大规模MIMO信道传播特性测量装置;所述装置包括矢量网络分析仪、数控云台系统、发射天线、接收天线和控制终端;所述发射天线固定在数控平台系统的天线支架上;所述接收天线固定在三角支架上;所述矢量网络分析仪通过端口引出线缆分别与发射天线以及接收天线连接;所述天线支架与控制终端连接;所述控制终端向所述数控云台系统发出消息或命令,控制天线支架位置,形成任意大小和任意形状的天线阵列。
可以理解的是,此处的消息指的是设置的发射天线初始位置消息,而命令指的是第二命令。
优选的,所述数控云台系统包括两个垂直步进电机、一个水平步进电机、传送带、控制板、导向杆、螺杆、电源;在垂直步进电机以及水平步进电机的一侧均固定有导向杆,另一侧面固定有螺杆,且导向杆与螺杆平行;电源对控制板进行供电;控制终端将发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置发送至控制板,控制板在每个测量位置处均判断是否达到发射天线的到达位置,若未到达,控制垂直步进电机和水平步进电机工作,使传送带沿水平或垂直导向杆滑动,从而将发射天线移动到设定的到达位置。
优选的,所述矢量网络分析仪为KeySight N5235B,其频率范围为10MHz~50GHz。
本发明的有益效果:
本发明的数控平台系统能够控制基站发射机虚拟天线阵实现毫米波大规模MIMO信道空时特性测量。
通过设计阵元间距能灵活的设计出不同形状和大小的天线阵,获得大规模的信道测量数据。
本发明针对开发的测量装置设计的测量方法简单易行,能准确且高效的采集无线信道数据,便于为毫米波大规模MIMO信道建模提供真实的数据集。
附图说明
图1为本发明的测量系统图;
图2为本发明的基站发射机虚拟天线阵;
图3为本发明的测量流程图;
图4为本发明在室内场景下布局的多用户示意图;
图5为本发明在室内场景中256发射天线时多用户大规模MIMO信道的功率时延谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
实施例1
本发明设计的适用于毫米波大规模MIMO多用户信道测量方法的系统图如图1所示,该系统包括矢量网络分析仪(VNA)、基站发射机虚拟天线阵、接收天线、数控平台系统。其中黑色框架表示天线支架。
矢量网络分析仪为KeySight N5235B,频率范围为10MHz~50GHz,主要用于在整个测量频段内扫频并记录S参数。
在本实施例中,作为一种可选方式,本实施例的控制终端可以通过写入一定的程序对数控云台系统进行控制。
作为另一种可选方式,数控平台系统包括两个垂直步进电机1和一个水平步进电机2、传送带7、控制板5、导向杆11、螺杆12以及电源6;天线支架4安装在传送带7上,在垂直步进电机1以及水平步进电机2的一侧均固定有导向杆11,另一侧面固定有螺杆12,且导向杆11与螺杆12平行;电源6对控制板5进行供电;控制终端通过将发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置发送至控制板5,控制板5在每个测量位置处均判断是否达到发射天线的到达位置,若未到达,控制垂直步进电机和水平步进电机工作,使传送带沿水平或垂直导向杆滑动,从而将发射天线移动到设定的到达位置。
本发明设计的基站发射机虚拟大规模天线阵,简称天线阵列如图2所示,包括导向杆11、螺杆12、水平步进电机2、两个垂直步进电机1、传送带7、天线支架4、控制板5。其中,发射天线固定在天线支架4上,由垂直和水平步进电机实时控制发射天线位置,每一个位置代表一个天线阵元,阵元间距为中心频率处的半波长。
可以理解的是,由发射天线的初始位置,以及发射天线的到达位置和天线阵元步长,可以有效的获知天线阵列的大小。
本发明通过数控平台系统的用户端准确设置驱动器端口后便可进行测量前的初始化操作,包括设置天线阵元间距、起始位置(X,Y)、到达位置、天线阵大小(即天线矩阵边长)。
实施例2
本发明设计的测量方法如图3所示,具体实施如下:
1、为VNA设置测量频率、中频带宽、发射功率、频率分辨率、扫频点数;
2、采用电子校准器件完成矢量网络分析仪、线缆和转接头等器件的校准;
3、将发射天线固定在天线支架上,将接收天线固定在三角支架上,并分别与适量网络分析仪的端口1和端口2相连;
可以理解的是,步骤1可以在步骤2或步骤3后,如图3中所示;
4、启动数控平台系统,控制终端输入测量的初始位置(X,Y)、以及终点位置;天线阵元步长和天线阵大小,初始化并等待发射天线移动到初始位置,即将该位置视为参考点(0,0);
5、控制矢量网络分析仪,取5次扫频后的平均值作为一个天线阵元处的测量结果进行存储;
6、分别判定发射天线是否到达其设定终点位置的水平位置和垂直位置处,若未到达设定值,则返回步骤5;若达到设定值,测量结束。
测量中,为了确保测量结果的准确性和有效性,应该将发射天线牢靠的固定在天线支架上,防止发射天线移动中电缆线的拉力阻止步进电机移动。数据记录中必须等待位移结束,即达到设定的位置,并且适量网络分析仪扫描一个完整周期方可存储数据,即整个频段;在整个测量过程中,确保没有人为移动的干扰,保持测量环境的静态性。
采用本发明设计的测量方法和装置,在室内的视距环境下测量不同垂直分布用户的MIMO信道特性,测试系统重要参数如表1所示。
表1测试系统重要参数
矢量网络分析仪发射功率/dBm | 0 |
中频带宽/kHz | 2 |
频段/GHz | 40-50 |
频率分辨率/MHz | 10 |
扫频点数 | 1001 |
初始位置(X,Y)/mm | (50,57) |
虚拟天线阵元步长/mm | 3.3 |
虚拟天线阵大小 | 16×16 |
收发天线极化 | 垂直-垂直 |
本发明在室内环境下部署了多个垂直分布的用户,研究毫米波大规模MIMO的多用户识别能力,示意图如图4所示。不同高度的用户接收到的信号具有不同的时延和功率。图4中Rx1、Rx2、Rx3、Rx4和Rx5与Tx间的水平距离均为1m,用户Rx1与天线阵中心对齐(高度1m),Rx2与Rx1的高度差为-0.16m,Rx5与Rx1高度差为+0.6m,Rx3与Rx1高度差为+0.3m,Rx4与Rx1高度差为-0.3m。
其中,所述步骤S6之后还包括根据测量的S参数,建立系统模型,从而获取大规模MIMO信道传播特性;即为了获取毫米波大规模MIMO信道的空时特性,需要建立系统模型。假设天线阵坐标系中X方向阵元数为M,Y方向阵元数为N,阵元间距3.3mm(中心频率45GHz处的λ/2)。若将坐标系的(0,0)作为参考点,该点的信道频域响应H(f)可以表示为:
式中,τk为第k条路径的时延,ak为第k条路径的幅度,K表示路径总数。
假设第m行第n列阵元处的频域响应Hm,n(f)是H(f)在相位上的移位,即
式中,是第k条路径的到达时延。
假设每个阵元产生的频率响应均能与参考点阵元对准,整个天线阵产生的频率响应可以表示为:
式中,wm,n是复加权函数。
对式(3)做快速傅里叶反变换,获得信道脉冲响应为:
其中,fn为第n个采样频点。
相应的功率时延谱可表示为:
式中,·表示二范数。
在室内视距传播环境下,采用16×16发射天线虚拟阵列,不同高度处用户接收信号的功率时延谱如图5所示。结果表明:随着垂直用户间高度差的增加,功率时延谱的形状变窄变光滑,峰值功率降低(如从-57dB降为-83dB),这表明水平距离相等时,基站发射天线阵与接收天线间的信道脉冲响应具有相似的包络,而随着高度差增加到达时间改变;当高度差低于30cm时,垂直分布的两个用户间因俯仰角差别较小致使无法从时延域中区分出两个用户(如用户Rx1和Rx2);当两个用户仰角和俯角相同时(如用户Rx3和Rx4),时延功率谱的峰值功率相同,但是用户Rx3的时延扩展高于用户Rx4,这可能是由于室内天花板反射引起的。当高度差高于30cm时,不同用户间时延变化很小,这可能是因为测量中使用的定向天线无法接收所有方向的信号所导致的。
总而言之,采用本发明提供的方法和装置,可以有效的测量出大量大规模的信道测量数据;能准确且高效的采集无线信道数据,便于为毫米波大规模MIMO信道建模提供真实的数据集。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
S1、在控制终端上设置发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置、测量频段、中频带宽以及扫频点数参数,从而设定出任意大小以及任意形状的天线阵列;
S2、采用电子校准器件对矢量网络分析仪、高频馈线和转接头进行时延和功率校准;
S3、将发射天线固定在数控平台的天线支架上,接收天线固定在三角支架上,并将发射天线和接收天线分别与矢量网络分析仪的端口相连;
S4、将天线支架与控制终端相连接,所述控制终端向数控云台系统发送设置的发射天线初始位置消息,数控云台系统控制天线支架移动,使发射天线到达其设置的初始位置;
S5、控制终端向数控云台系统发出命令,数控云台系统按照命令,控制水平步进电机和垂直步进电机共同驱动天线支架在传送带上进行移位;
S6、矢量网络分析仪按照设置的测量频段、中频带宽以及扫频点数在天线阵元的每个位置进行扫描,取多次扫频后的平均值作为的测量结果,记录测量频段范围内每个位置处矢量网络分析仪中的S参数,判断发射天线是否到达其设定到达的位置,若达到,则结束测量。
2.根据权利要求1所述的毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法,其特征在于:所述从而设定出任意大小以及任意形状的天线阵列包括所实现的天线阵列的大小和形状是任意的,所述形状包括均匀线性阵列、均匀平面阵列,所述线性阵列的大小包括16、32、64、128、516、1024;所述均匀平面阵列的大小包括16×16、32×32、64×64、128×128、516×516、1024×1024。
3.根据权利要求1所述的毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法,其特征在于,所述矢量网络分析仪为KeySight N5235B,其频率范围为10MHz~50GHz,能实现20GHz~50GHz频段范围内的测试。
4.根据权利要求1所述的毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法,其特征在于:所述步骤S5包括控制终端将命令发送至数控云台系统,所述数控云台系统在每个测量位置处均判断是否达到发射天线的到达位置,若未到达,控制垂直步进电机和水平步进电机工作,使传送带沿水平或垂直导向杆滑动,从而将发射天线移动到设定的到达位置;所述命令包括发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置。
5.根据权利要求1所述的毫米波大规模MIMO信道传播特性测量方法,其特征在于:所述步骤S6之后还包括根据测量的S参数,建立系统模型,从而获取大规模MIMO信道传播特性。
6.一种毫米波大规模MIMO信道传播特性测量装置,其特征在于,所述测量装置包括矢量网络分析仪、数控云台系统、发射天线、接收天线和控制终端;所述发射天线固定在数控平台系统的天线支架上;所述接收天线固定在三角支架上;所述矢量网络分析仪通过端口引出线缆分别与发射天线以及接收天线连接;所述天线支架与控制终端连接;所述控制终端向所述数控云台系统发出消息或命令,控制天线支架位置。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波大规模MIMO信道传播特性测量装置,其特征在于,所述数控云台系统包括两个垂直步进电机、一个水平步进电机、传送带、控制板、导向杆、螺杆、电源;在垂直步进电机以及水平步进电机的一侧均固定有导向杆,另一侧面固定有螺杆,且导向杆与螺杆平行;电源对控制板进行供电;控制终端将发射天线的初始位置、天线阵元步长、发射天线的到达位置发送至控制板,控制板在每个测量位置处均判断是否达到发射天线的到达位置,若未到达,控制垂直步进电机和水平步进电机工作,使传送带沿水平或垂直导向杆滑动,从而将发射天线移动到设定的到达位置。
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