CN114362857A - 一种基于gis的信道模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GIS的信道模拟装置及方法，属于无线信息传输技术领域，包括GIS组件、动态信道模型生成单元和硬件仿真平台；本发明基于GIS信息生成动态信道模型，信道模拟基于真实的地理环境数据建立，更加真实，同时用户交互更加直观；根据动态信道模参数数据，产生不同时刻的信道模拟数据，通过信道模拟平台实现信道模拟。
Description
技术领域
本发明属于无线信息传输技术领域，具体涉及一种基于GIS的信道模拟装置及方法。
背景技术
目前，主流的信道模拟器采用表单式的用户交互界面，即用户输入信道模拟的相关参数，信道模拟器通过一系列运算完成信道特征模拟。用户需要输入的信道模拟相关参数数量繁多，计算复杂，建模过程所使用数据大多源于科研人员的主观设计，不能与真实的地理环境建立联系，无法针对特定的地形环境进行更加准确的信道建模及信道模拟。近年来，GIS技术发展迅速。通过GIS可以轻松的获取特定位置下的地理地形数据，特定信号传播环境下的地形信息。通过获取的GIS信息数据可以更加准确的构建信道环境，完成信道模拟。
信道模拟器可以在实验室中模拟实际通信场景对无线信号传播的影响，广泛应用于通信设备的研发与测试。随着科学技术的高速发展，人们对无线通信的信道环境模拟的要求越来越高，要求通过信道模拟装置可以尽可能完整的复现真实的信道环境，完成对无线通信系统中的发射机和接收机的各项测试。无线信号传输过程中受周围传播环境的影响会产生多径效应，从而造成信号包络随机起伏，即产生多径衰落，一般服从瑞利、莱斯分布；此外，由于周围障碍物的遮挡使得接收信号平均功率随机起伏变化，即产生阴影衰落，一般服从对数正态分布。信道模拟装置中通过AD分别采集多通道数字基带信号，在FPGA中分别叠加信道衰落、噪声及干扰信号，然后经DA输出模拟信号，再对模拟信号进行信号调理，主要滤除信号镜像分量，对信号进行可控衰减，从而实现信道模拟。
在现有信道模拟设备中，伊莱比特公司的Propsim F8，它可以支持几何模型(SCM)、SCM扩展模型(SCME)等3GPP推荐的信道模型，可满足大部分场景下移动通信信道的模拟测试需求；AEROFLEX公司的宽带通道模拟器CS8007，可仿真多普勒频率和多普勒加速度，能够模拟通带幅度、相位畸变及各种衰落；思博伦公司的Vertex可针对具有多样性波束形成和MIMO的先进接收机，准确的仿真复杂的宽带无线信道特征，能够实现复杂的MIMO信道测试。然而大多数设备是将信道环境的参数进行人工的计算输入，无法通过GIS导入真实的地理环境数据，导致进行的信道模拟只能是实验室环境下的仿真，无法与真实的地理环境建立联系，导致信道模拟的过程不够准确，实用性稍差，用户使用不够直观。在本专利中，用户只需在GIS地图上标注无线接收机和发射机的位置，设定无线接收机的运行轨迹并根据信道模拟装置的用户向导设置高度信息及天气影响等参数，基于GIS的信道模拟装置就可以根据相关信息进行信道建模，生成信道数据，完成信道的动态模拟过程。
现有的信道模拟装置大多数是将信道环境的参数进行人工的计算输入，无法通过GIS导入真实的地理环境数据，导致进行的信道模拟无法与真实的地理环境建立联系，导致信道模拟的过程无法准确的模拟地形地貌及运动对信道模型的影响，同时用户使用复杂，不够直观。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于GIS的信道模拟装置及方法，目的是基于GIS信息生成动态信道模型，信道模拟基于真实的地理环境数据建立，更加真实，同时用户交互更加直观，根据动态信道模参数数据，产生不同时刻的信道模拟数据，通过信道模拟平台实现信道模拟，满足动态信道模拟的要求，具有操作简单，成本低等优点；设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于GIS的信道模拟装置，包括GIS组件、动态信道模型生成单元和硬件仿真平台；
GIS组件，被配置为用于显示地图，提取地形数据
动态信道模型生成单元，被配置为用于生成每一个仿真时刻的时延、多普勒、特征衰落谱、功率损耗及多径信息
硬件仿真平台，包括信号采集单元、信号回放单元及信道模拟单元；
信号采集单元，被配置为用于将射频信号下变频为低中频调制信号，经过高速ADC采集产生数字中频信号，该信号通过高速数据线传输到FPGA进行数字信号处理
信号回放单元，被配置为用于将FPGA处理完成的数字信号通过DAC转变为数字中频信号，通过上变频处理为射频信号
信道模拟单元，被配置为用于根据动态信道模型生成单元生成的信道系数产生时变的冲激响应
此外，本发明还提到一种基于GIS的信道模拟方法，该方法采用如上所述的基于GIS的信道模拟装置，具体包括如下步骤：
步骤1：用户在GIS地图上标注接收机和发射机的位置、运动轨迹、工作频段、运动速度及天气影响参数等相关参数；
步骤2：通过GIS地图的计算功能，获取每个时刻接收机和发射机的距离，仿真的速度为每秒50个时刻；
步骤3：根据发射机和GIS地图，进行地形数据的提取，获取对应于每个时刻所处的地理环境信息，包括接收机的三维位置信息、发射机的三维位置信息及信号传播路径的遮挡信息；
步骤4：根据用户设置的接收机所处位置的天气信息以及雨衰模型，计算对应的信号衰减；
步骤5：根据获取的地理位置信息、相对运动信息、传播路径的地形信息，通过动态信道模型生成单元，计算每个仿真时刻的时延、多普勒、特征衰落谱、功率损耗及多径信息；
步骤6：将各径衰落数据通过数据总线发送给硬件仿真平台，硬件仿真平台开始仿真后通过信号采集单元、信道模拟单元及信号回放单元，完成经过信道模拟的仿真信号。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明基于GIS信息生成动态信道模型，信道模拟基于真实的地理环境数据建立，更加真实，同时用户交互更加直观；
根据动态信道模参数数据，产生不同时刻的信道模拟数据，通过信道模拟平台实现信道模拟。
附图说明
图1为基于GIS的信道模拟装置框图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
该信道模拟装置工作时，首先用户在GIS地图上标注无线接收机和发射机的位置，设定发射机和接收机的运动轨迹并根据信道模拟装置的用户向导设置天气影响等参数，然后利用动态信道模型生成单元，计算信道参数，完成仿真过程中每一个时刻接收机所处环境的信道参数，包括时延、多普勒、特征衰落谱、功率损耗及多径信息。上位机把动态信道模型生成单元计算的数据通过数据总线发送到与FPGA连接的高速存储模块中。FPGA对高速ADC采集的数字基带信号分别进行实时的信号处理，根据计算得到的每个时刻的参数，主要包括多径时延、损耗、衰落以及叠加噪声，最后通过DAC输出模拟信号，如图1所示。
本发明基于GIS信息生成动态信道模型，计算完成后通过数据总线将每个时刻的信道数据发送给硬件平台，硬件平台基于软件无线电技术实现。信道模拟装置包括PC机中GIS组件、动态信道模型生成软件和硬件仿真平台组成。硬件仿真平台主要包括信号采集单元、信号回放单元及信道模拟单元。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明还提到一种基于GIS的信道模拟方法，具体包括如下步骤：
步骤1：用户在GIS地图上标注接收机和发射机的位置、运动轨迹、工作频段、运动速度及天气影响参数等相关参数；
步骤2：通过GIS地图的计算功能，获取每个时刻接收机和发射机的距离，仿真的速度为每秒50个时刻；
步骤3：根据发射机和GIS地图，进行地形数据的提取，获取对应于每个时刻所处的地理环境信息，包括接收机的三维位置信息、发射机的三维位置信息及信号传播路径的遮挡信息；
步骤4：根据用户设置的接收机所处位置的天气信息以及雨衰模型，计算对应的信号衰减；
步骤5：根据获取的地理位置信息、相对运动信息、传播路径的地形信息，通过动态信道模型生成单元，计算每个仿真时刻的时延、多普勒、特征衰落谱、功率损耗及多径信息；
步骤6：将各径衰落数据通过数据总线发送给硬件仿真平台，硬件仿真平台开始仿真后通过信号采集单元、信道模拟单元及信号回放单元，完成经过信道模拟的仿真信号。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于GIS的信道模拟装置，其特征在于：包括上位机和硬件仿真平台；上位机和硬件仿真平台通过数据总线通信；
上位机包括GIS组件和动态信道模型生成单元；
GIS组件，被配置为用于显示地图，提取地形数据；
动态信道模型生成单元，被配置为用于生成每一个仿真时刻的时延、多普勒、特征衰落谱、功率损耗及多径信息；
硬件仿真平台，包括信号采集单元、信号回放单元及信道模拟单元；
信号采集单元，被配置为用于将射频信号下变频为低中频调制信号，经过高速ADC采集产生数字中频信号，该信号通过高速数据线传输到FPGA进行数字信号处理；
信号回放单元，被配置为用于将FPGA处理完成的数字信号通过DAC转变为数字中频信号，通过上变频处理为射频信号；
信道模拟单元，被配置为用于根据动态信道模型生成单元生成的信道系数产生时变的冲激响应。
2.一种基于GIS的信道模拟方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于GIS的信道模拟装置，具体包括如下步骤：
步骤1：用户在GIS地图上标注接收机和发射机的位置、运动轨迹、工作频段、运动速度及天气影响参数等相关参数；
步骤2：通过GIS地图的计算功能，获取每个时刻接收机和发射机的距离，仿真的速度为每秒50个时刻；
步骤3：根据发射机和GIS地图，进行地形数据的提取，获取对应于每个时刻所处的地理环境信息，包括接收机的三维位置信息、发射机的三维位置信息及信号传播路径的遮挡信息；
步骤4：根据用户设置的接收机所处位置的天气信息以及雨衰模型，计算对应的信号衰减；
步骤5：根据获取的地理位置信息、相对运动信息、传播路径的地形信息，通过动态信道模型生成单元，计算每个仿真时刻的时延、多普勒、特征衰落谱、功率损耗及多径信息；
步骤6：将各径衰落数据通过数据总线发送给硬件仿真平台，硬件仿真平台开始仿真后通过信号采集单元、信道模拟单元及信号回放单元，完成经过信道模拟的仿真信号。
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