CN110492953B - 一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，采用全新设计方法，将软件无线电平台和室内多径信号的测量联系在一起，降低了室内信道及多径信号测量系统的开发难度；通过成本较低的通用软件无线电外设USRP，实现室内多径的测量分析，大幅度降低了开发成本；并且测量借助于PC强大的存储空间和数据库软件，能够将测量数据存储到具有时间查询功能的数据库中，对其进行后期数据处理，利用数据库可以完成对多径信号变化的监控。

Description

一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，属于无线通信信道测量技术领域。

背景技术

根据信息通信近年来的发展，通信技术中发展最快的、最广泛使用的无线通信带来了影响人们的决定性变化。现在，无线通信系统已经发展到卫星通信、蜂窝移动通信、微波通信、短波通信等多种无线通信系统并存的局面，随之而来的是各种复杂环境下的无线信道环境。信号从发射机通过电磁波在空中传播，在这看不见也摸不着的无线信道里，信号会遭遇各种复杂地形，电磁波强度大大衰减，最后到达接收机。信道不但是连接无线通信双方收发信机的媒介，而且是和双方进行信息传输的无线通传输道。在无线通信系统的设计的基础上，无线信道特性直接决定着无线通信系统性能，无线通信工程技术的研究与实现也与无线信道的特性息息相关，也就是说信道测量是在确定无线通信性能时的决定因素之一。由于与电磁波传播环境密切相关，无线信道的特性在复杂的无线电波传播环境下也十分复杂。

为了获得无线信道的特性参数，在无线信道之中进行信道测量，以获得准确的信道特性，从而获得了最基本的研究工具，并提取特定的信道参数。只有对系统的无线信道的特性有充分的了解和研究设计，并采取各种适合的物理层技术，如最佳的调制和编码方案。另外，选择频段、分配频率、规划覆盖范围以及通信的安全性和可靠性问题也与信道参数息息相关。

信道测量包含两方面重要任务，信道探测与测量数据的处理与建模。使用无线通信收发机的信道检测系统，由特殊序列和数据传输，在接收端得到解调之后的数据；处理基于所检测到的数据，进行相应的处理，抽取与信道特性相关的参数，在这些参数基础上建立的信道模型是合适的、准确的。可以说信道探测是实现信道建模的前提，科研工作者必须在特定典型传播环境中进行长时间大量实地信道测试，对信道参数进行研究，才能获得特定条件下信道特性的统计模型和统计参数，同时也可以在统计特性分析的基础上验证信道模型的有效性和合理性，为通信系统的设计与研究提供基础，但是现有无线信号测量对测量环境要求较高，实施较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，采用全新设计方法，基于室内所设置的无线电外设发射器与无线电外设接收器，即可实现多径信号测量，能够有效提高信号测量的工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，基于室内所设置的无线电外设发射器与无线电外设接收器，执行无线信号的传输，实现室内多径信号的测量，包括如下步骤：

步骤A.获得无线电外设发射器所发射的发射无线信号序列{m₀、…、m_l、…、m_L-1}，其中，0≤l≤L-1，L表示发射无线信号序列中码元的个数，L为奇数，m_l表示发射无线信号序列中第l个码元，然后进入步骤B；

步骤B.根据无线电外设接收端所接收到理论接收无线信号序列{s₀、…、s_l、…、s_L-1}中、第l个码元s_l所对应的如下公式：

构建各个序列M_k＝{m_(l+L-k)modL|0≤l≤L-1}，0≤k≤L-1，其中，m_(l+L-k)modL表示发射无线信号序列中第[(l+L-k)mod L]个码元，a_k表示延迟k个码元位所对应的信道衰减因子，然后进入步骤C；

步骤C.根据各个序列M_k，定义相关矩阵

然后进入步骤D；

步骤D.获得无线电外设接收端所接收到实际接收无线信号序列S'，并根据R＝M×S'，获得信号冲击响应矩阵R，并实现室内多径信号的测量。

作为本发明的一种优选技术方案，在所述步骤A之前，还包括针对无线信号的选择，按如下执行：

首先，分别针对各个待选无线信号的发射序列，按如下公式：

获得待选无线信号发射序列的自相关函数值R(τ)，其中，m_l+τ表示发射无线信号序列中第l个码元、顺序向后移动τ码元位后所对应的码元；

然后，根据各个待选无线信号发射序列分别所对应的自相关函数值R(τ)，选择无线信号作为实现室内多径信号测量所应用的无线信号。

作为本发明的一种优选技术方案：所述室内所设置的无线电外设发射器与无线电外设接收器，基于室内环境、按两者之间最大间距进行设置，进而执行无线信号的传输，实现室内多径信号的测量。

作为本发明的一种优选技术方案：所述无线电外设发射器由输入端至输出端，依次包括级联树状滤波器、解交织器、数字上变频、插值转换模块；其中，插值转换模块包括彼此并联的两组子插值转换支路，各组子插值转换支路中由输入端至输出端、依次包括4阶低通插值滤波器和数模转换。

本发明所述一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计基于软件无线电的室内多径信号测量方法，采用全新设计方法，将软件无线电平台和室内多径信号的测量联系在一起，降低了室内信道及多径信号测量系统的开发难度；通过成本较低的通用软件无线电外设USRP，实现室内多径的测量分析，大幅度降低了开发成本；并且测量借助于PC强大的存储空间和数据库软件，能够将测量数据存储到具有时间查询功能的数据库中，对其进行后期数据处理，利用数据库可以完成对多径信号变化的监控。

附图说明

图1是本发明设计基于软件无线电的室内多径信号测量方法的流程示意图；

图2是本发明设计中无线电外设发射器的结构示意图；

图3是本发明设计中无线电外设接收器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，基于室内所设置的无线电外设发射器与无线电外设接收器，执行无线信号的传输，实现室内多径信号的测量，其中，无线电外设发射器与无线电外设接收器在室内设置于不同位置，则室内环境针对传输的无线信号带来不同的多径干扰，即实现了不同多径干扰下的测量；并且当无线电外设发射器与无线电外设接收器之间处于最大间距时，即无线信号所处的多径干扰最为明显，由此所带来的室内多径信号测量效果最好。

无线电外设发射器，如图2所示，无线电外设发射器由输入端至输出端，依次包括级联树状滤波器、解交织器、数字上变频、插值转换模块；其中，插值转换模块包括彼此并联的两组子插值转换支路，各组子插值转换支路中由输入端至输出端、依次包括4阶低通插值滤波器和数模转换。实际应用中，通用无线电外设发射器USRP完成信号从基带到中频再到射频的上变频和内插过程。其中，数字信号上变频和内插模块主要负责传输速率和信号采样控制，完成信号的上变频(CIC内插滤波、补偿滤波和数字混频)。USRP模块通过设置FPGA以及AD9862芯片中的插值器的系数，改变数据的传输速率。USB接口接入到USRP的数据经过两次插值将速率提到128M/s(数据类型为float型)。第一次插值通过FPGA中级联积分梳状滤波器CIC完成，插值系数为整数N，且N∈[4,128]。第二次插值通过AD9862芯片中集成的插值滤波器完成，插值系数为4。因此，USRP发射机对输入数据的插值系数M＝4N,M∈[16,512]且M能被N整除。功率控制模块即为一个数乘模块，该模块将输入流与终端中设置的归一化发送幅值(tx_amplitude，0<＝tx_amplitude<1)相乘，并将相乘结果写入输出流。

无线电外设接收器，如图3所示，数字下变频和抽取模块主要负责传输速率和信号采样控制，完成信号的下变频和抽取(CIC抽取滤波、补偿滤波和数字混频)。USRP模块通过设置FPGA以及AD9862芯片，改变数据的传输速率。AD转换器的采样率为64MHz，因此从射频子板模拟下变频的信号经过AD9862模数转换器采样后，输出的采样率为64MHz的I路、Q路两路信号，I路和Q路两路数据叠加采样频率为128M/s。进入FPGA中的I路和Q路的信号经过抽取将速率从64M/s(数据类型为float型)抽取到设置的速率。第一次抽取是通过FPGA中级联积分梳状滤波器CIC完成，抽取系数为整数N，且N∈[4,128]。USRP中一个完整的数字下变频器是CIC滤波器和31抽头半带抽取滤波器组成的，第二次抽取是在半带抽取滤波器中完成的，抽取系数为2。因此，USRP接收机对输入数据的抽取系数M＝2N,M∈[8,256]且M能被2整除。

所设计基于软件无线电的室内多径信号测量方法，在实际应用当中，首先，分别针对各个待选无线信号的发射序列，按如下公式：

获得待选无线信号发射序列的自相关函数值R(τ)，其中，m_l+τ表示发射无线信号序列中第l个码元、顺序向后移动τ码元位后所对应的码元。

然后，根据各个待选无线信号发射序列分别所对应的自相关函数值R(τ)，选择无线信号作为实现室内多径信号测量所应用的无线信号，具体包括执行如下步骤。

步骤A.获得无线电外设发射器所发射的发射无线信号序列{m₀、…、m_l、…、m_L-1}，其中，0≤l≤L-1，L表示发射无线信号序列中码元的个数，L为奇数，m_l表示发射无线信号序列中第l个码元，然后进入步骤B。

步骤B.根据无线电外设接收端所接收到理论接收无线信号序列{s₀、…、s_l、…、s_L-1}中、第l个码元s_l所对应的如下公式：

构建各个序列M_k＝{m_(l+L-k)modL|0≤l≤L-1}，0≤k≤L-1，其中，m_(l+L-k)modL表示发射无线信号序列中第[(l+L-k)mod L]个码元，a_k表示延迟k个码元位所对应的信道衰减因子，然后进入步骤C。

步骤C.根据各个序列M_k，定义相关矩阵

然后进入步骤D。

步骤D.获得无线电外设接收端所接收到实际接收无线信号序列S'，并根据R＝M×S'，获得信号冲击响应矩阵R，并实现室内多径信号的测量。

上述技术方案所设计基于软件无线电的室内多径信号测量方法，采用全新设计方法，将软件无线电平台和室内多径信号的测量联系在一起，降低了室内信道及多径信号测量系统的开发难度；通过成本较低的通用软件无线电外设USRP，实现室内多径的测量分析，大幅度降低了开发成本；并且测量借助于PC强大的存储空间和数据库软件，能够将测量数据存储到具有时间查询功能的数据库中，对其进行后期数据处理，利用数据库可以完成对多径信号变化的监控。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，其特征在于：基于室内所设置的无线电外设发射器与无线电外设接收器，且两者之间按最大间距执行无线信号的传输，实现室内多径信号的测量，包括如下步骤：

首先，分别针对各个待选无线信号的发射序列，按如下公式：

获得待选无线信号发射序列的自相关函数值R(τ)，其中，m_l+τ表示发射无线信号序列中第l个码元、顺序向后移动τ码元位后所对应的码元；

然后，根据各个待选无线信号发射序列分别所对应的自相关函数值R(τ)，选择无线信号作为实现室内多径信号测量所应用的无线信号；

步骤A.获得无线电外设发射器所发射的发射无线信号序列{m₀、…、m_l、…、m_L-1}，其中，0≤l≤L-1，L表示发射无线信号序列中码元的个数，L为奇数，m_l表示发射无线信号序列中第l个码元，然后进入步骤B；

步骤B.根据无线电外设接收端所接收到理论接收无线信号序列{s₀、…、s_l、…、s_L-1}中、第l个码元s_l所对应的如下公式：

构建各个序列M_k＝{m_(l+L-k)modL|0≤l≤L-1}，0≤k≤L-1，其中，m_(l+L-k)modL表示发射无线信号序列中第[(l+L-k)modL]个码元，a_k表示延迟k个码元位所对应的信道衰减因子，然后进入步骤C；

步骤C.根据各个序列M_k，定义相关矩阵

然后进入步骤D；

步骤D.获得无线电外设接收端所接收到实际接收无线信号序列S'，并根据R＝M×S'，获得信号冲击响应矩阵R，并实现室内多径信号的测量。

2.根据权利要求1所述一种基于软件无线电的室内多径信号测量方法，其特征在于：所述无线电外设发射器由输入端至输出端，依次包括级联树状滤波器、解交织器、数字上变频、插值转换模块；其中，插值转换模块包括彼此并联的两组子插值转换支路，各组子插值转换支路中由输入端至输出端、依次包括4阶低通插值滤波器和数模转换。

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