CN112073132A

CN112073132A - 一种基于usrp的5gmimo信道测试系统

Info

Publication number: CN112073132A
Application number: CN202010775775.1A
Authority: CN
Inventors: 周俊鹤; 许升楠
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2020-12-11

Abstract

本发明涉及一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，包括软件无线电发射端和软件无线电接收端，软件无线电发射端包括依次连接的第一计算机、第一USRP、上变频装置、第一开关模块、第一延迟线模块和发射天线，软件无线电接收端包括依次连接的第二计算机、第二USRP、下变频装置、第二开关模块、第二延迟线模块和接收天线。与现有技术相比，本发明通过上下变频的方法，基本可以覆盖5G所需的测试频段范围；测试系统适用于动态、静态场景的信道测试，并且利用开关切换法搭配延迟线来实现MIMO系统和波束赋形，以便于Massive MIMO无线信道的测试，具有测量实时性好、动态性好，测量距离大，灵活性高和成本低的特点。

Description

一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统

技术领域

本发明涉及5G无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统。

背景技术

在无线通信发展过程中，每一代通信系统的演进，都伴随着频段的提高和带宽的增大。到了5G移动通信，通信频段提升到了厘米波甚至毫米波频段，高频段通信具有许多优点，如丰富的频谱资源、极高的空间分辨能力等。但是随着频率的提高，信号的衰减加剧，信道的传播特性也更易受环境变化的影响，信道测试和建模的难度也大大增加。5G移动通信的目的在于实现万物互联，在任何时间任何地点，任何人和事物都能建立相应的联系。Massive MIMO(大规模多入多出)，Beamforming(波束赋形)，V2V(车对车通信)，HST(高速列车通信)，mmWave(毫米波通信)等，这些新技术、新场景都是5G通信的关键点。

5GMIMO信道的传播特性对5G通信系统的设计和性能评估有着重要参考作用，而研究信道传播特性最直接有效的方法就是实地的信道测试。然而在5G通信系统中，由于频段的提高，Massive MIMO、V2V等新技术和场景的不同组合，信道测试对测量设备的要求也随之提高，一个完备的5GMIMO信道测试系统往往需要大量的资金支持，5GMIMO信道测试的难度大大增加。比如MIMO系统和波束赋形的实现就较为困难，如现有技术“5GMIMO信道测量解决方案”(冯宇,王立春.电信网技术,2015(11):84-88.)中所述，MIMO系统可以采用大规模天线阵列或者多台收发设备并行收发信号的方式，但是这样的成本代价相当昂贵，移动虚拟天线阵列和高速开关切换是成本较低的方法，但是两者实际上都是一种时分复用的方式，并不能真正地并行发送信号，信号难以形成相长或相消干涉，不便实现波束赋形。

常见的信道测试方法，诸如：基于VNA(矢量网络分析仪)的信道测试、基于虚拟天线阵列的方法、波束切换天线、信道仿真计算的方法等，这些测试方法或系统在5GMIMO信道测试中的应用都有一定局限性。

如传统的基于VNA的信道测试平台是一种频域测量，其支持大带宽、高频段的测试。VNA采用扫频的方式测量无线信道的S参数，受限于扫频速度，测量实时性较差，不适用于动态场景(如V2V)的信道测试。例如现有技术“一种基于MSP430的室内高频无线信道测量装置”(CN204244252U)中所述的测试方式即是一种利用VNA的信道测试平台。

例如现有技术“一种基于移动虚拟阵列的全/半串行多天线信道测量方法”(CN106788804B)中提出一种全/半串行多天线信道测量方法，其通过串行/并行发射方式结合基于移动虚拟阵列的串行接收方式，实现全/半串行多天线信道测量。对于传统的全并行多天线信道测量方法，需要配置多台发射机和接收机及相应的天线，因此具有极高的成本。同样，实际的大规模天线阵列也十分昂贵。该专利采用了高速切换开关连接天线阵列发送信号，利用移动虚拟阵列的方式接收信号，降低了信道测量的成本。但是，单纯的高速开关切换是一种时分复用的方式，并不能多个天线同时发送信号，难以实现波束赋形。并且，移动虚拟阵列的方法需对天线阵列快速移动，适用于不变信道或慢衰落信道，但不适用于毫米波通信。

例如现有技术“基于虚拟天线阵列的高精度无线信道测试平台及方法”(CN101656971)中提出了一种基于虚拟天线阵列的信道测试方法，文中所述天线系统采用基于电控波束扫描天线的虚拟天线阵列技术，通过电压控制信号调整天线波束在水平域及俯仰域上的波束方向，以及由旋转控制器调整天线的物理位置，对空域进行“扫描式”测量。文献中提到了传统波束切换天线的不足之处，比如天线互耦、阵列架构限制、天线阵列切换速度不够快、信道分析的复杂度高等，文献中提出的方法相对于传统波束切换天线的改进之处在于提高了天线切换速度和增加了测量精度。此种基于电控波束扫描天线的虚拟天线阵列技术虽然提高了切换速度，但其仍不是一种真正的同步发送信号的方式。

例如现有技术“一种无线通信信道仿真计算方法”(CN108718224A)中提出的一种信道仿真计算方法，其基于待测信道对应的实际环境构建数字地图，再构建每两个弹射点之间的传递函数矩阵，根据所得到的传递函数矩阵计算待测信道的传递函数，根据步骤所得到的传递函数计算待测信道的信道冲激响应。专利中的方法能够高效而直接地计算信道的多径效应等重要的信道特征参数，使得仿真结果具有很高的准确度。信道仿真计算虽然不受测量设备的限制，计算的准确度也很高，然而仿真计算较为复杂，需要根据实际环境构建数字地图，构建精确的数字地图较为繁杂，且实际的信道传播环境往往极其复杂，仿真计算难以完好地反映真实的传播环境。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，包括软件无线电发射端和软件无线电接收端，所述软件无线电发射端包括依次连接的第一计算机、第一USRP、上变频装置、第一开关模块、第一延迟线模块和发射天线，所述软件无线电接收端包括依次连接的第二计算机、第二USRP、下变频装置、第二开关模块、第二延迟线模块和接收天线。

优选的，所述软件无线电发射端利用开关切换法搭配延迟线实现MIMO系统和波束赋形，利用延迟线补偿开关切换导致的各路信号的不同时延。

优选的，所述软件无线电接收端利用延迟线对各组接收天线同一时刻接收到的信号做不同的延时处理，匹配开关切换的时间，使第二USRP以时分的方式处理多组接收天线同一时刻接收的信号。

优选的，所述测试系统通过调整延迟线来改变各路信号的相位，以形成不同方向的波束。

优选的，所述测试系统通过上、下变频的方法，使USRP能够覆盖28GHz以上的频率范围。

优选的，所述USRP采用GNU Radio软件开发环境，通过GNU Radio软件平台控制收发信号。

优选的，所述测试系统采用SAGE算法提取无线信道的参数。

优选的，所述上变频装置和第一开关模块之间设有功率放大器，所述下变频装置和第二开关模块之间设有低噪声放大器。

优选的，所述上变频装置和下变频装置均采用混频器。

优选的，所述第一计算机和第二计算机均为高性能计算机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、提出的基于USRP的5G MIMO信道测试系统，利用上、下变频能够支持5G高频段的信道测试，利用开关切换法搭配延迟线来实现MIMO系统和波束赋形，只需用一台USRP即可实现多组天线同步发送信号，便于实现波束赋形，以此支持Massive MIMO无线信道的测试。

2、该测试系统基于USRP实现适用于动态场景、静态场景的信道测试，适用的测试场景广泛，同时具有测量实时性好、动态性好，测量距离大，灵活性高和成本相对较低的特点。

3、系统在信号发射端配备功率放大器，信号接收端配备低噪声放大器，大幅度提高信噪比，改善信号质量，同时可实现长远距离的无线信道测试。

附图说明

图1为实施例提供的基于USRP的5GMIMO信道测试系统的结构示意图；

图2为实施例中发射端实现MIMO的示意图；

图3为实施例中接收端实现MIMO的示意图；

图4为实施例中发送数据的预处理方式示意图。

图中标注：1、第一计算机，2、第一USRP，3、上变频装置，4、功率放大器，5、第一开关模块，6、第一延迟线模块，7、发射天线，8、第一时钟模块，9、第二计算机，10、第二USRP，11、下变频装置，12、低噪声放大器，13、第二开关模块，14、第二延迟线模块，15、接收天线，16、第二时钟模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本申请提出一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，包括软件无线电发射端和软件无线电接收端。

软件无线电发射端包括依次连接的第一计算机1、第一USRP2、上变频装置3、功率放大器4、第一开关模块5、第一延迟线模块6和发射天线7。第一计算机1用于控制第一USRP2，配置发射参数，通过GNU Radio软件平台实现；第一USRP2具体采用USRP X300，连接第一计算机1，用于处理发射信号，调制到其本身支持的载波频率范围并输出；第一时钟模块8连接到第一USRP2，用于提供时钟信号，目的在于实现同步，本实施例中采用GPS卫星授时为系统提供时钟信号；上变频装置3与第一USRP2相连，用于将第一USRP2输出的信号上变频至5G毫米波频段，本实施例中使用的主要设备为Marki同轴混频器，型号MM1–2567L(LO/RF:25–67GHz，IF:0–30GHz)，可覆盖25–67GHz的频段；功率放大器4与上变频装置3相连，用于将上变频后的信号进行功率放大；第一开关模块5和第一延迟线模块6用于实现MIMO系统；发射天线7用于将各路信号发送到信道，不同频段的测试需要更换相应的天线。

软件无线电接收端包括依次连接的第二计算机9、第二USRP10、下变频装置11、低噪声放大器12、第二开关模块13、第二延迟线模块14和接收天线15。接收天线15用于接收经历5G无线信道后的信号，不同频段的测试需要更换相应的天线；第二开关模块13和第二延迟线模块14用于实现MIMO系统；低噪声放大器12与第二开关模块13相连，对各路信号进行功率放大，同时尽可能少地放大噪声；下变频装置11与低噪声放大器12相连，用于将经低噪放放大后的信号下变频至第二USRP10本身支持的载波频段，本实施例中使用的主要设备为Marki同轴混频器，型号MM1–2567L，混频器的输出需要使用相应的带通滤波器进行滤波；第二时钟模块16连接到第二USRP10，用于提供时钟信号，目的在于实现同步；第二USRP10具体采用USRP X300，连接下变频装置11和第二时钟模块16，用于处理下变频后的信号，解调为基带信号并输出；第二计算机9与第二USRP10连接，配置接收参数并导出接收信号的数据。

第一计算机1和第二计算机9均为高性能计算机，发射端与接收端分别由高性能计算机控制，通过GNU Radio软件平台控制收发信号。测试系统采用SAGE算法提取无线信道的参数。

测试系统通过上、下变频的方法，使本身最高支持覆盖频率到6GHz的USRP X300能够覆盖28GHz及以上的频率范围，基本可以满足5GMIMO信道测试的频段要求。目前，5G的频段分成了两个范围：FR1(450MHz-6000 MHz)和FR2(24250MHz-52600 MHz)。国内三大运营商试商用的5G频段如下：中国移动：2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz；中国电信：3400MHz-3500MHz；中国联通：3500MHz-3600MHz。显然，Sub 6GHz频段和毫米波频段都是5GMIMO信道重要的测试频率范围。

对于Sub 6GHz频段的5GMIMO信道测试，5GMIMO信道测试系统不需要上变频装置3和下变频装置11，USRP X300本身支持6GHz以下频段；对于毫米波频段，5GMIMO信道测试系统需要上变频装置3和下变频装置11。

对于Massive MIMO信道的测试，5GMIMO信道测试系统利用开关切换法搭配延迟线来实现MIMO系统和波束赋形。如图2所示，软件无线电发射端的多组天线通过高速开关与前一级的装置相连，由于开关切换法是一种时分复用的方式，根据开关切换的速度，在高速开关之后的各路通道添加适当的延迟线，用于补偿开关切换导致的各路信号的不同时延，使多组天线不是以时分复用的方式发送信号，而是能同时发送信号，便于实现波束赋形，并且可以通过调整延迟线来改变各路信号的相位，以形成不同方向的波束。如图3所示，软件无线电接收端的多组天线同样配置适当的延迟线，连接到高速开关，利用延迟线对各组天线同一时刻接收到的信号做不同的延时处理，匹配开关切换的时间，使USRP以时分的方式处理多组天线同一时刻接收的信号，如开关切换的时间间隔为Δt，t₁时刻各组天线接收的信号为Y₁(t₁),Y₂(t₁),…,Y_m(t₁)，则第k组(1≤k≤m)天线的信号Y_k(t₁)延时kΔt后再传入USRP进行处理。

对于动态场景(如V2V)，USRP具有良好的测量实时性，可将USRP置于移动设备(如小汽车)上，在运动状态下进行5GMIMO信道测量。

本系统的5GMIMO信道测试步骤如下：

根据测试场景需要，如上所述搭建好测试系统；

生成发射数据，如图4所示，本实施例利用Matlab产生12阶的prbs序列(伪随机二值信号)，并以升余弦滤波器对prbs序列进行脉冲成形，使其成为具有特定的带宽的基带信号，数据存储为float32类型，导出为bin文件；

软件无线电发射端的第一计算机1配置发射参数，在GNU Radio中调用相应模块读取发射数据bin文件，调制方式为BPSK，再输出至USRP X300，其中需要设置采样率(USRPX300最大支持ADC采样率为200MS/s)、中心频率、发射增益等参数；

软件无线电发射端的USRP X300输出信号，经上变频、功率放大后，由发射天线7发射；

接收天线15接收经过5GMIMO信道后的信号，经低噪声放大，下变频；

软件无线电接收端的第二计算机9按配置好的接收参数(根据发射参数配置)控制软件无线电接收端的USRP X300解调输入的信号，解调后的信号输出至第二计算机9，由GNURadio导出数据并保存为bin文件。

特别地，本实施例中，由于USRP X300自身的信号损耗不能忽略，为使测试的5GMIMO信道数据更准确，需将收、发两端的USRP X300用线缆直接相连，再获得一组直连的接收数据用于校准，由SAGE算法进行后续的数据处理，提取多种5GMIMO信道参数，包括多径时延、多普勒频移、幅度等。

本系统以相对较低的测试成本实现了MIMO系统和波束赋形，假如采用多台发射机与接收机来实现MIMO系统，以USRP X300实现8×8的MIMO系统为例，需要使用6台USRP X300(每台USRP X300最多可连接2根发射天线7或4根接收天线15)，显然代价昂贵。

Claims

1.一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，包括软件无线电发射端和软件无线电接收端，其特征在于，所述软件无线电发射端包括依次连接的第一计算机(1)、第一USRP(2)、上变频装置(3)、第一开关模块(5)、第一延迟线模块(6)和发射天线(7)，所述软件无线电接收端包括依次连接的第二计算机(9)、第二USRP(10)、下变频装置(11)、第二开关模块(13)、第二延迟线模块(14)和接收天线(15)。

2.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述软件无线电发射端利用开关切换法搭配延迟线实现MIMO系统和波束赋形，利用延迟线补偿开关切换导致的各路信号的不同时延。

3.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述软件无线电接收端利用延迟线对各组接收天线(15)同一时刻接收到的信号做不同的延时处理，匹配开关切换的时间，使第二USRP(10)以时分的方式处理多组接收天线(15)同一时刻接收的信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述测试系统通过调整延迟线来改变各路信号的相位，以形成不同方向的波束。

5.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述测试系统通过上、下变频的方法，使USRP能够覆盖28GHz以上的频率范围。

6.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述USRP采用GNU Radio软件开发环境，通过GNU Radio软件平台控制收发信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述测试系统采用SAGE算法提取无线信道的参数。

8.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述上变频装置(3)和第一开关模块(5)之间设有功率放大器(4)，所述下变频装置(11)和第二开关模块(13)之间设有低噪声放大器(12)。

9.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述上变频装置(3)和下变频装置(11)均采用混频器。

10.根据权利要求1所述的一种基于USRP的5GMIMO信道测试系统，其特征在于，所述第一计算机(1)和第二计算机(9)均为高性能计算机。