CN113708808B - 高速移动场景下窄波束信道测量系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速移动场景下窄波束信道测量系统与方法，测量系统包括探测信号生成模块，用于生成信道探测的激励信号，并通过全向天线向外辐射；GPS记录器，用于记录移动端的GPS信息；接收相控阵天线，用于接收移动端发出的激励信号；波束控制模块，用于控制接收相控阵天线的波束宽度和指向，进而实现波束扫描和跟踪；信道数据采集模块，用于对接收的激励信号进行放大和滤波，并转换为中频模拟信号，进一步将中频模拟信号转换为中频数字信号并存储以及处理得到窄波束信道的冲激响应。并提出了基于此系统进行高速移动场景下的窄波束信道探测的方法。可以有效精确地实现在高速移动场景下对窄波束信道的测量和信道冲激响应的提取。

Description

高速移动场景下窄波束信道测量系统与方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高速移动场景下窄波束信道测量系统与方法。
背景技术
随着第五代(Fifth-Generation，5G)移动通信技术的成熟，未来5G通信网络势必将覆盖轨道交通和高速公路等高速移动场景。大规模多天线(Massive Multiple-InputMultiple-Output，mMIMO)是5G的关键技术。相比传统MIMO和mMIMO系统，可通过动态波束赋形(Dynamic Beamforming)产生动态窄波束，使得信号集中辐射于更小的空间区域内，从而使射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗，进而实现中高频段(3GHz以上)甚至是毫米波(Millimeter-Wave，mmWave)频段的高可靠性信号传输，让更大带宽的频谱资源得到有效利用。因此，构建高速移动场景下窄波束信道测量数据库对mMIMO技术在车地通信中应用具有重要意义。
无线信道由发射天线、传播信道和接收天线构成，采用不同的波束宽度，其无线信道将存在较大的差异。较窄的波束所能覆盖的角度会比较小，传播环境中的部分反射体和散射体对于宽波束来说是可见的，而对于窄波束来说可能是不可见的，因此这种情况下多径成份将变得稀疏，只能涵盖角度和时延扩展较小的一组直射与反射、散射等传播路径，因而会显著地影响无线信道的大尺度统计特性。
另外，随着移动端的高速移动，波束指向将在短时间内发生快速变化，相比静态或低速移动场景，高速铁路场景下的窄波束信道还将呈现显著的动态性，包括时变性和非平稳性，这种窄波束信道动态性会对系统性能产生较大的影响。现有技术中，对于高速移动场景下的窄波束信道测量，通常采用机械旋转定向天线的方式实现移动场景的测量。然而，由于机械方法的惯性大和速度慢，无法实现高速移动目标的有效搜索及精确跟踪。
因此，需要一种可以实现高速移动目标的有效搜索和精确跟踪的方法。
发明内容
本发明提供了一种高速移动场景下窄波束信道测量系统与方法，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种高速移动场景下窄波束信道测量系统，包括：应用于移动端的探测信号生成模块和GPS记录器；应用于基站端的接收相控阵天线、波束控制模块和信道数据采集模块；
所述探测信号生成模块，用于生成信道探测的激励信号，并通过全向天线向外辐射；
所述GPS记录器，用于记录移动端的GPS信息；
所述接收相控阵天线，用于接收移动端发出的激励信号；
所述波束控制模块，用于控制接收相控阵天线的波束宽度和指向，进而实现波束扫描和跟踪；
所述信道数据采集模块，用于对接收的激励信号进行放大和滤波，并转换为中频模拟信号，进一步将所述中频模拟信号转换为中频数字信号并存储以及处理得到窄波束信道的冲激响应。
优选地，波束控制模块包括检幅器、第一上位机和控制器；
所述检幅器，以中频模拟信号幅度最强为目标依据，确定移动目标所在方位，将方位信息反馈到所述控制器；
所述第一上位机，用于设置接收相控阵天线的波束指向和宽度，并向控制器发送控制指令；
所述控制器，根据所述检幅器反馈和第一上位机的指令，控制各阵元的输入相位和衰减，从而改变天线波束指向和波束宽度，其中，对于一个水平方向阵元数量为N，间距为d，波束指向为θ0的线性相控阵天线的半功率波束宽度如下式(1)所示，通过控制实时工作的天线阵元数量来实现不同的波束宽度：
Figure BDA0003252690340000031
其中，θBW为波束宽度，λ为激励信号波长，k为波束因子，3dB波束宽度k为0.866。
优选地，信道数据采集模块，包括射频模块、模/数转换器、第二上位机、存储模块和后处理模块；
射频模块，用于对接收信号进行放大和滤波，并将其转换为中频模拟信号；
模/数转换器，用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；
第二上位机，用于发出采集指令，以及将所述中频数字信号传输至存储模块和后处理模块；
存储模块，用于存储第二上位机传输来的中频数字信号；
后处理模块，用于对第二上位机传输来的中频数字信号进行处理，通过数字下变频器和低通滤波器得到基带信号，经过同步、信道估计、系统响应消除处理获取窄波束信道的冲激响应。
优选地，射频模块包括低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF与下变频器，LNA对信号进行放大，BPF用于滤除噪声，最后由下变频器将滤除噪声后的信号转换为中频模拟信号。
优选地，GPS记录器与信道数据采集模块同时开始工作，GPS记录器用于固定时间间隔地记录GPS信息。
优选地，激励信号为伪随机序列、正交频分复用或Chirp信号。
优选地，存储模块中的存储速率大于采集速率。
本实施例的另一方面提供了一种应用于上述系统的高速移动场景下窄波束信道测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过移动端的全向天线发射信道探测的激励信号；
S2：在基站端，设置合适的接收相控阵天线波束宽度，令波束指向在移动端预定路线的起点等待，当检测到目标信号后，开始信号采集，同时移动端GPS记录器开始记录GPS信息；
S3：通过基站端的射频模块将接收信号转换为中频模拟信号，分两路分别输出到检幅器和模/数转换器；
S4：波束控制模块中的控制器以检幅器收到的中频模拟信号为参考控制接收相控阵天线进行波束跟踪；
S5：模/数转换器将接收到的中频模拟信号转换为中频数字信号；
S6：将中频数字信号存储以及对所述中频数字信号进行处理得到窄波束信道冲激响应。
优选地，S2中的令波束指向在移动端预定路线的起点等待，当检测到目标信号后，开始信号采集，具体包括：设定接收信号强度门限，当接收信号强度小于门限时接收相控阵天线保持等待，此时接收信号为噪声，当信号强度满足阈值时，检测到目标信号，开始信号采集。
优选地，S4具体包括：波束指向首先在已知的移动目标出现方向进行等待，接收到激励信号后，波束指向沿移动端预定路线变化，以二分之一波束宽度的微扰角度，在波束指向的当前和下一个波位进行微扰，以确保跟踪准确，检幅器以所述中频模拟信号幅度最强为依据，确定移动目标所在方位，将方位信息反馈到控制器，控制器根据方位信息周期性地微调波束指向，以实现对移动目标的准确跟踪。
由上述本发明的高速移动场景下窄波束信道测量系统与方法提供的技术方案可以看出，本发明通过控制接收相控阵天线中的阵列天线的辐射单元的馈电相位，能够实现高速的波束扫描，进而能够有效精确地实现在高速移动场景下对窄波束信道的测量和信道冲激响应的提取，为轨道交通、高速公路等场景下窄波束信道测量数据库的构建提供有效支撑。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例的一种高速移动场景下窄波束信道测量系统结构示意图；
图2为实测PDP结果示意图；
图3为实测PL结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
图1为实施例的一种高速移动场景下窄波束信道测量系统结构示意图，参照图1，该系统，包括：应用于移动端的探测信号生成模块和GPS记录器；应用于基站端的接收相控阵天线、波束控制模块和信道数据采集模块。
探测信号生成模块，用于生成信道探测的激励信号，并通过全向天线向外辐射，激励信号为伪随机序列、正交频分复用或Chirp信号。
GPS记录器，用于记录移动端的GPS信息；接收相控阵天线，用于接收移动端发出的激励信号。GPS记录器与信道数据采集模块同时开始工作，GPS记录器用于固定时间间隔地记录GPS信息。
波束控制模块，用于控制接收相控阵天线的波束宽度和指向，进而实现波束扫描和跟踪；波束控制模块包括检幅器、第一上位机和控制器。
检幅器，以接收中频模拟信号信号幅度最强为目标依据，确定移动目标所在方位，将方位信息反馈到控制器；第一上位机，用于设置接收相控阵天线的波束指向和宽度，并向控制器发送控制指令；控制器，根据检幅器反馈和第一上位机的指令，控制各阵元的输入相位和衰减，从而改变天线波束指向和波束宽度，其中，对于一个水平方向阵元数量为N，间距为d，波束指向为θ0的线性相控阵天线的半功率波束宽度如下式(1)所示，通过控制实时工作的天线阵元数量来实现不同的波束宽度：
Figure BDA0003252690340000071
其中，θBW为波束宽度，λ为激励信号波长，k为波束因子，3dB波束宽度k为0.866。
信道数据采集模块，用于对接收的激励信号进行放大和滤波，并转换为中频模拟信号，将中频模拟信号转换为中频数字信号并存储以及处理得到窄波束信道的冲激响应。
信道数据采集模块，包括射频模块、模/数转换器、第二上位机、存储模块和后处理模块。
射频模块，用于对接收信号进行放大和滤波，并将其转换为中频模拟信号；射频模块包括低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、带通滤波器(Band-Pass Filter，BPF)与下变频器，LNA对信号进行放大，BPF用于滤除噪声，保留激励信号，避免噪声对检幅器造成影响，最后由下变频器将滤除噪声后的信号转换为中频模拟信号。
模/数转换器，用于将中频模拟信号转换为中频数字信号；第二上位机，用于发出采集指令，并将所述中频数字信号传输至存储模块和后处理模块。
带通采样的采样率可通过带通采样定理计算得到，根据带通采样定理，采样率如下式所示：
Figure BDA0003252690340000081
其中，fH与fL分别为信号的最低频率与最高频率，n为满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原信号。
存储模块，用于存储第二上位机传输来的中频数字信号。存储模块中的存储速率大于采集速率。
后处理模块，用于对第二上位机传输来的中频数字信号进行处理，通过数字下变频器(Digital Down Converter，DDC)和低通滤波器(Low-Pass Filter，LPF)得到基带信号，经过同步、信道估计、系统响应消除处理获取窄波束信道的冲激响应。
示意性地，采用OFDM信号作为信道探测信号，接收信号通过滑动相关获取信道冲激响应，再对实测信道测量数据进行参数提取，获得信道统计参数。OFDM符号基站信号x(t)可以表示为：
Figure BDA0003252690340000082
式中：S(f)为多载波信号的复符号，M为子载波数，Ts为采样周期，m表示子载波序号，j为虚数单位。
则接收信号y(t)为：
Figure BDA0003252690340000083
式中：fc、
Figure BDA0003252690340000084
和/>
Figure BDA0003252690340000085
分别为发送端和接收端的载波频率与相位，n(t)为噪声。
在发端信号已知且同步的条件下，采用频域测量法，通过对收发信号频域处理，获取频域系统响应：
Figure BDA0003252690340000091
式中：Y(f)表示频域接收信号，X(f)表示频域发送信号。
得到的H(f)再通过逆傅里叶变换，即可得到信道冲激响应：
Figure BDA0003252690340000092
式中：ai表示第i条路径的幅度衰减，θi表示第i条路径的相位偏移，τi表示第i条路径的时间延迟，L代表传播的总路径数，δ(τ)为狄利克雷脉冲函数。小尺度信道建模时，对CIR幅度的平方求均值获取功率延迟分布：
Figure BDA0003252690340000093
本实施例还提供了一种应用上述系统的高速移动场景下窄波束信道测量方法，包括如下步骤：
S1：通过移动端的全向天线发射信道探测的激励信号；
S2：在基站端，设置合适的接收相控阵天线波束宽度，令波束指向在移动端预定路线的起点等待，当检测到目标信号后，开始信号采集，同时移动端GPS记录器开始记录GPS信息。
具体包括：设定接收信号强度门限，当接收信号强度小于门限时接收相控阵天线保持等待，此时接收信号为噪声，当信号强度满足阈值时，检测到目标信号，开始信号采集。
S3：通过基站端的射频模块将接收信号转换为中频模拟信号，分两路分别输出到检幅器和模/数转换器。
通过射频模块的低噪声放大器对接收信号进行放大，再由带通滤波器获得纯净的激励信号，避免噪声对检幅器产生干扰，最后下变频器将所述激励信号转换为中频模拟信号，分两路分别输出到检幅器和模/数转换器。
S4：通过波束控制模块中的控制器以检幅器收到的中频模拟信号为参考控制接收相控阵天线进行波束跟踪。
具体包括：波束指向首先在已知的移动目标出现方向进行等待，接收到激励信号后，波束指向沿移动端预定路线变化，以二分之一波束宽度的微扰角度，在波束指向的当前和下一个波位进行微扰，以确保跟踪准确，检幅器以接收信标信号幅度最强为依据，确定移动目标所在方位，将方位信息反馈到控制器，控制器根据方位信息周期性地微调波束指向，以实现对移动目标的准确跟踪。
令天线波束的扫描范围为±θm、扫描波位数为K、波位间隔为Δθ、每个波位停留时间为Δt、基站距离目标运动路线的最短距离为D，若移动目标在N·Δt搜索周期内，相对接收相控阵天线的运动角度大于Δθ，则认为目标超出搜索能力。因此，可支持的移动目标最大运动速度由下式(9)计算得到：
Figure BDA0003252690340000101
S5：模/数转换器将接收到的中频模拟信号转换为中频数字信号。
S6：将中频数字信号存储以及对中频数字信号进行处理得到窄波束信道冲激响应。
转换后的中频数字信号传输至第二上位机，第二上位机再将信号传输至存储模块和后处理模块进行中频数字信号的存储以及处理。存储模块将所述中频数字信号存储至固态硬盘；后处理模块对中频数字信号进行处理得到窄波束信道冲激响应。
以下为应用上述的高速移动场景下的窄波束信道探测系统与方法的具体算例，应用背景在高速公路开展50km/h运行速度场景下的实测，采用3.35GHz、带宽100MHz的OFDM信号作为信道探测的激励信号，发射功率28dBm，发射天线和接收天线高度分别为6.67m和1.5m，接收相控阵天线波束宽度为6°，移动端距离范围为250m-750m。
接收相控阵天线的波束的扫描范围为±60°、扫描波位数为3、波位间隔为3°、每个波位停留时间为100ms，根据公式(9)，则移动目标的最大运动速度为576km/h，可以满足跟踪需求。在基站距离目标运动路线450米处存在加油站，由于加油站的遮挡，可以以450米为界限，450米以内为LOS场景，以外为NLOS场景。
图2为实测PDP结果示意图，如图2所示，可以看到：随着距离的缩小，第一径的传播时延不断减小，功率不断增大；450米以外为NLOS场景，多径分量比450米以内丰富，且主径功率较弱。图3为实测PL结果示意图，如图3所示，对路径损耗进行拟合，可以得到路径损耗模型，路径损耗因子为4.5，实际路径损耗大于自由空间损耗，变化也更剧烈。
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
本领域技术人员应能理解，上述所举的根据用户信息决定调用策略仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何根据用户属性来决定调用策略的方法，均包含在本发明实施例的范围内。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种高速移动场景下窄波束信道测量系统，其特征在于，包括：应用于移动端的探测信号生成模块和GPS记录器；应用于基站端的接收相控阵天线、波束控制模块和信道数据采集模块；
所述探测信号生成模块，用于生成信道探测的激励信号，并通过全向天线向外辐射；
所述GPS记录器，用于记录移动端的GPS信息；所述GPS记录器与信道数据采集模块同时开始工作，GPS记录器用于固定时间间隔地记录GPS信息；
所述接收相控阵天线，用于接收移动端发出的激励信号；
所述波束控制模块，用于控制接收相控阵天线的波束宽度和指向，进而实现波束扫描和跟踪；
所述信道数据采集模块，用于对接收的激励信号进行放大和滤波，并转换为中频模拟信号，进一步将所述中频模拟信号转换为中频数字信号并存储以及处理得到窄波束信道的冲激响应；具体包括包括射频模块、模/数转换器、第二上位机、存储模块和后处理模块；
射频模块，用于对接收信号进行放大和滤波，并将其转换为中频模拟信号；
模/数转换器，用于将所述中频模拟信号转换为中频数字信号；
第二上位机，用于发出采集指令，以及将所述中频数字信号传输至存储模块和后处理模块；
存储模块，用于存储第二上位机传输来的中频数字信号；
后处理模块，用于对第二上位机传输来的中频数字信号进行处理，通过数字下变频器和低通滤波器得到基带信号，经过同步、信道估计、系统响应消除处理获取窄波束信道的冲激响应；
所述波束控制模块包括检幅器、第一上位机和控制器；
所述检幅器，以中频模拟信号幅度最强为目标依据，确定移动目标所在方位，将方位信息反馈到所述控制器；
所述第一上位机，用于设置接收相控阵天线的波束指向和宽度，并向控制器发送控制指令；
所述控制器，根据所述检幅器反馈和第一上位机的指令，控制各阵元的输入相位和衰减，从而改变天线波束指向和波束宽度，其中，对于一个水平方向阵元数量为N，间距为d，波束指向为θ0的线性相控阵天线的半功率波束宽度如下式(1)所示，通过控制实时工作的天线阵元数量来实现不同的波束宽度：
Figure FDA0004026739280000021
其中，θBW为波束宽度，λ为激励信号波长，k为波束因子，3dB波束宽度k为0.866。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频模块包括低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF与下变频器，LNA对信号进行放大，BPF用于滤除噪声，最后由下变频器将滤除噪声后的信号转换为中频模拟信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激励信号为伪随机序列、正交频分复用或Chirp信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述存储模块中的存储速率大于采集速率。
5.一种应用于权利要求1-4任一权项的系统的高速移动场景下窄波束信道测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过移动端的全向天线发射信道探测的激励信号；
S2：在基站端，设置合适的接收相控阵天线波束宽度，令波束指向在移动端预定路线的起点等待，当检测到目标信号后，开始信号采集，同时移动端GPS记录器开始记录GPS信息；
S3：通过基站端的射频模块将接收信号转换为中频模拟信号，分两路分别输出到检幅器和模/数转换器；
S4：波束控制模块中的控制器以检幅器收到的中频模拟信号为参考控制接收相控阵天线进行波束跟踪；
S5：模/数转换器将接收到的中频模拟信号转换为中频数字信号；
S6：将中频数字信号存储以及对所述中频数字信号进行处理得到窄波束信道冲激响应；
所述S2中的令波束指向在移动端预定路线的起点等待，当检测到目标信号后，开始信号采集，具体包括：设定接收信号强度门限，当接收信号强度小于门限时接收相控阵天线保持等待，此时接收信号为噪声，当信号强度满足阈值时，检测到目标信号，开始信号采集。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S4具体包括：波束指向首先在已知的移动目标出现方向进行等待，接收到激励信号后，波束指向沿移动端预定路线变化，以二分之一波束宽度的微扰角度，在波束指向的当前和下一个波位进行微扰，以确保跟踪准确，检幅器以所述中频模拟信号幅度最强为依据，确定移动目标所在方位，将方位信息反馈到控制器，控制器根据方位信息周期性地微调波束指向，以实现对移动目标的准确跟踪。
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