CN114978384B - 一种超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法，包括：构建测量系统，收发双方使用单天线，采用频域测量法测量室内办公室超高频段无线信道的信道特性，该信道特性包括信道的S参数；依次对信道的频率响应数据进行加窗、实数带通傅里叶反变换和去噪处理，得到实数的时域脉冲响应序列，为时域脉冲响应序列设置时间零点，得到被测信道的脉冲响应；提取信道的功率延迟分布，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展；通过对测量数据进行计算，拟合得到均方根时延扩展与收发天线之间距离的数学模型。本发明可用于建模不同室内超高频频段通信环境，对于小型室内办公室超高频频段通信信道，可以保证较高的模型准确性。

Description

一种超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法

技术领域

本发明属于信道建模技术领域，尤其涉及一种超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法。

背景技术

随着无线通信技术的日益发展，通信的频谱资源也日益紧缺。当前，低频段(6GHz以下)频谱日益拥塞，连续的宽带频谱逐渐短缺，而高频段的频谱资源相对空闲，对高频段(6GHz以上)频谱资源进行研究逐渐成为业界的共识。而高频段信道由于其频率原因，为了得到更为精确的模型，所以在研究信道的衰落特性的时候要进行精确的测量。小尺度衰落是信道特性中的一个显著表现，包含多径效应和时变特性。由于室内信道时变效应不显著，所以着重研究由多径效应带来的小尺度衰落。

信道测量是当前信道建模的主要方式。通过对某个环境下的信道进行实地测量得出数据然后对其建模，可以获得精确的信道参数信息，由此通过计算机编程运算即可得到精确的信道衰落特性信息。信道测量方法可以分为时域测量方法(脉冲测量法和相关测量法)和频域测量方法(基于矢量网络分析仪的测量法)。时域测量法是直接测量信道的脉冲响应，频域测量方法主要是通过矢量网络分析仪测量无线信道的S参数，由计算机编程进行数据处理得到信道特性。

当前对于由多径效应造成的室内高频段信道小尺度衰落建模大致是从信道的脉冲响应、功率延时分布以及均方根时延扩展几个参数着手开展研究。信道的冲激响应和功率延时分布属于经典多径传播模型，均方根时延扩展属于时间色散传播模型。信道的脉冲响应反映了信道的基本特性，功率延迟分布则反映了信道的多径特性与时延的关系。均方根时延扩展衡量的是一个信道的多径衰落程度，一般将其建模为一个随机变量。

目前的信道小尺度参数建模方法需要多次采用传统的计算方法计算均方根时延扩展，数据处理速度慢，难以快速针对新场景进行建模。

发明内容

解决的技术问题：本发明针对超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模问题，提供一种基于测量的室内办公室环境下超高频频段无线信道小尺度参数建模的方法。本发明可用于建模不同室内超高频频段通信环境，对于小型室内办公室超高频频段通信信道，可以保证较高的模型准确性。

技术方案：。

一种超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法，所述建模方法包括以下步骤：

S1，构建测量系统，收发双方使用单天线，采用频域测量法测量室内办公室超高频段无线信道的信道特性，该信道特性包括信道的S参数；

S2，依次对信道的频率响应数据进行加窗、实数带通傅里叶反变换和去噪处理，得到实数的时域脉冲响应序列，为时域脉冲响应序列设置时间零点，得到被测信道的脉冲响应；

S3，提取信道的功率延迟分布，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展；通过对测量数据进行计算，拟合得到均方根时延扩展与收发天线之间距离的数学模型。

进一步地，步骤S1中，采用频域测量法测量室内办公室超高频段无线信道的信道特性的过程包括以下步骤：

S11，构建测量系统，收发双方使用单天线；

S12，采用矢量网络分析仪在一段测量带宽内逐个扫描频点，以预定的功率发送信号，该信号通过传输电缆传输到发送天线处进行发送，经过无线信道传输后的信号被接收天线接收，再通过另一根传输电缆回传到矢量网络分析仪中，提取信道的S参数；

S13，再从信道的S参数中提取得到被测信道的复频率响应数据，将被测信道的复频率响应数据通过通用接口总线传输并存储至指定设备中。

进一步地，步骤S2中，依次对信道的频率响应数据进行加窗、实数带通傅里叶反变换和去噪处理，得到实数的时域脉冲响应序列，为时域脉冲响应序列设置时间零点，得到被测信道的脉冲响应的过程包括以下步骤：

S21，对频域数据加窗，增加时域脉冲的主辩宽度，同时减弱旁瓣；

S22，对加窗处理后的频域数据进行实数带通傅里叶反变换和去噪，在相应的带通信号前补零使其成为一个低通频谱，再在频域上以零为中心对其作共轭对称处理，得到负半轴上的共轭对称频谱，将正负半轴上的频谱共同组成一个低通频谱，再对组成的低通频谱进行傅里叶反变换得到实数的时域脉冲响应序列；

S23在NLOS环境中，将幅度大于峰值多径十分之一的且第一条到达的多径所在的时间设置为时域零点，并将此分量之前的数据平移到最后，得到被测信道的脉冲响应。

进一步地，步骤S3中，提取信道的功率延迟分布，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展；通过对测量数据进行计算，拟合得到均方根时延扩展与收发天线之间距离的数学模型的过程包括以下步骤：

S31，基于时域冲激响应的功率延迟分布计算法，将被测信道的脉冲响应数据平方以获得信道的功率延迟分布函数；

S32，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展，均方根时延扩展的数值为功率延迟分布的二阶矩的平方根；

S33，构建均方根时延扩展的数学模型，设τ为均方根时延扩展，d为收发天线之间的距离，f(·)为均方根时延扩展和收发天线之间距离的数学模型，则：

τ＝f(d)；

S34，对测量的数据进行计算，对均方根时延扩展和收发天线之间距离的相关性关系进行分析，将τ与d之间建模为：

τ＝a×lg(d)+b；

式中，a和b是拟合参数。

进一步地，所述建模方法还包括以下步骤：

S4，对比实际测量的数据和通过模型计算得到的数据，对模型准确度进行验证，计算得到模型的相对误差。

有益效果：

本发明公开了一种基于测量的超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法，该方法以信道的S参数为研究对象，通过对信道的频率响应数据进行处理，提取信道的相关数据构建最终的信道小尺度特性模型。与传统的计算方法相比，本发明的建模方法通过一次测量及建模，能够快速估算特定的室内办公室环境下超高频段无线信道小尺度参数均方根时延扩展，从而避免多次采用传统的计算方法计算均方根时延扩展，有效的提高了数据处理的速度。

附图说明

图1是本发明实施例的信道测量系统框图。

图2是本发明实施例的信道数据处理框图。

图3是本发明实施例的均方根时延扩展与距离或其函数之间的相关关系图。

图4是本发明实施例的小尺度特性的建模效果示意图。

图5是本发明实施例的模型与实测数据间的相对误差效果示意图。

图6是本发明实施例的超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法流程图。

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

图6是本发明实施例的超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法流程图。参见图6，该建模方法包括以下步骤：

步骤一，采用频域测量法测量室内办公室超高频段无线信道的信道特性：构建测量系统，采用矢量网络分析仪作为主要测量工具，收发双方使用单天线，提取信道的S参数即可得到被测信道的复频率响应(包括幅度和相位)，这些数据通过通用接口总线(GPIB，General-Purpose Interface Bus)传输并存储于一台计算机中。

步骤二，对信道的频率响应数据进行处理：利用所得的信道频率响应，首先对频域数据加窗，加窗可以有效增加时域脉冲的主辩宽度，同时还能减弱旁瓣，然后对其进行实数通带傅里叶反变换(IDFT)和去噪，实数通带傅里叶反变换，是需要在该带通信号前补零使其成为一个低通频谱，然后在频域上以零为中心对其作共轭对称处理，得到负半轴上的共轭对称频谱，正负半轴上的频谱共同组成一个低通频谱，根据傅里叶反变换的性质，通过对这个频谱进行傅里叶反变换就可以得到实数的时域脉冲响应序列，然后为其设置时间零点，从而得到被测信道的脉冲响应。

步骤三，提取信道的相关数据构建信道小尺度特性模型：采用基于时域冲激响应的功率延迟分布计算法将信道的功率延迟分布函数计算出来，之后通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展，然后通过对测量数据进行相关性分析，得到均方根时延扩展与收发天线之间的距离及其函数存在着较强的相关关系，本发明通过数据分析对均方根时延扩展与收发天线之间的距离及其函数(主要是一次函数和对数函数)之间进行数学建模，从而构建了二者之间的数学模型。

为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明做进一步阐述。本发明按以下步骤具体实现：

步骤一，进行信道测量。

本发明采用频域测量法测量超高频频段室内办公室无线信道的信道特性。首先采用矢量网络分析仪作为主要测量工具，收发双方使用单天线。矢量网络分析仪在一段测量带宽内逐个扫描频点，以确定的功率发送信号，该信号通过损耗较低的传输电缆传输到发送天线处进行发送，经过无线信道传输后的信号被接收天线接收，再通过另一根损耗较低的传输电缆回传到矢量网络分析仪中。接着，通过提取信道的S参数即可得到被测信道的复频率响应(包括幅度和相位)，这些数据通过通用接口总线(GPIB，General-PurposeInterface Bus)传输并存储于一台计算机中。图1是本测量系统的框图。

步骤二，对信道的频率响应数据进行处理。

(1)频域数据加窗。S参数中的S21参数即为被测信道的幅度和相位响应。由于在测量时矢量网络分析仪设置了频率的扫频范围，故而得到的频率响应在频谱上反映为一个带通的带限频谱。对于这样一个频谱数据，其在频率范围上两端的数据会出现明显的跳变。为了避免这个问题给后续结果带来影响，我们首先采用加窗处理，对数据加窗不但能够增加时域脉冲的主辩宽度，同时还能减弱旁瓣。

(2)傅里叶反变换(IDFT)及去除噪声。上一步得到的S21参数(包含幅度与相位)是一个带通频谱，需要对其进行傅里叶反变换才能对其进行进一步分析。从频域数据中获得时域冲激响应，最为重要的步骤就是对其进行傅里叶反变换。一般而言，其傅里叶反变换有两种方法：复数基带的傅里叶反变换和实数通带傅里叶反变换。复数基带傅里叶反变换，是直接把该带通信号当成低通信号处理，而通过复数基带傅里叶反变换，其时域数据是一组复数序列，对于后期数据处理来说难度大大增加。而实数通带傅里叶反变换，是需要在该带通信号前补零使其成为一个低通频谱，然后在频域上以零为中心对其作共轭对称处理，得到负半轴上的共轭对称频谱，正负半轴上的频谱共同组成一个低通频谱，根据傅里叶反变换的性质，通过对这个频谱进行傅里叶反变换就可以得到实数的时域脉冲响应序列。实数通带傅里叶反变换结果是一组实数序列，所以该方法使用得最频繁。本发明采用的是实数通带傅里叶反变换。

无线信道因其开放性，所以其中存在着许多杂乱无章的噪声，这些噪声会影响信道建模的准确性，由此会影响小尺度特性的建模，所以对其进行去噪是很有必要的。

(3)设置时间零点。根据傅里叶反变换的性质可知，通过傅里叶反变换得到的变换后的数据是周期性的，所以调整时域数据的时间零点是有必要的。在LOS环境中，将到达的幅度显著的首个多径分量到达的时间设置为时域零点，并将此分量前数据平移到最后。在NLOS环境中，将幅度大于峰值多径十分之一的且第一条到达的多径所在的时间设置为时域零点，并将此分量之前的数据平移到最后。

(4)得到信道的脉冲响应。在前述步骤完成后，即可得到被测信道的脉冲响应。

图2是信道数据处理过程的具体步骤。

步骤三，提取信道的相关数据构建信道小尺度特性模型。

(1)提取信道的功率延迟分布。功率延迟分布是一个以附加时延为自变量的函数。基于频域数据的功率延迟分布计算法具体步骤是将到达的多径分量按频率分辨率分为多段，然后通过计算各个分段的平均接收功率从而可以获得功率延迟分布函数。基于时域冲激响应的功率延迟分布计算法是直接将脉冲响应数据平方。本发明采取的是基于时域冲激响应的功率延迟分布计算法。

(2)提取信道的均方根时延扩展。均方根时延扩展是与无线信道的多径效应相联系的一个参数，均方根时延扩展衡量的是一个信道的多径衰落程度，它可以反映出信道时延扩展的弥散程度，其数值越大，信道的畸变程度也就越大。均方根时延扩展的数值为功率延迟分布的二阶矩的平方根。

(3)构建均方根时延扩展的数学模型。通过对测量数据相关性分析发现，均方根时延扩展与收发天线之间的距离及其函数存在着较强的相关关系。设τ为均方根时延扩展，d为收发天线之间的距离，f(·)为均方根时延扩展和收发天线之间距离的数学模型，则：

τ＝f(d)

通过对测量的数据进行计算，可以建模出二者之间的关系，τ与lg(d)之间的相关性最强，其次是τ与d之间的相关性。即τ与d之间可建模为：

τ＝a×lg(d)+b

图3是τ与d或其函数之间的相关关系图

步骤四，验证小尺度特性的模型准确率

(1)测试时，将矢量网络分析仪的数据输入计算机并按照上述步骤处理可以得到均方根时延扩展τ与收发天线之间的距离d之间的相关性和拟合模型。

(2)本发明将实际测量的数据和通过模型计算得到的数据进行了对比。图4是对模型准确度的验证，图5是模型的相对误差。

Claims (2)

1.一种超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤：

S1，构建测量系统，收发双方使用单天线，采用频域测量法测量室内办公室超高频段无线信道的信道特性，该信道特性包括信道的S参数；

S2，依次对信道的频率响应数据进行加窗、实数带通傅里叶反变换和去噪处理，得到实数的时域脉冲响应序列，为时域脉冲响应序列设置时间零点，得到被测信道的脉冲响应；

S3，提取信道的功率延迟分布，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展；通过对测量数据进行计算，拟合得到均方根时延扩展与收发天线之间距离的数学模型；

步骤S1中，采用频域测量法测量室内办公室超高频段无线信道的信道特性的过程包括以下步骤：

S11，构建测量系统，收发双方使用单天线；

S12，采用矢量网络分析仪在一段测量带宽内逐个扫描频点，以预定的功率发送信号，该信号通过传输电缆传输到发送天线处进行发送，经过无线信道传输后的信号被接收天线接收，再通过另一根传输电缆回传到矢量网络分析仪中，提取信道的S参数；

S13，再从信道的S参数中提取得到被测信道的复频率响应数据，将被测信道的复频率响应数据通过通用接口总线传输并存储至指定设备中；

步骤S2中，依次对信道的频率响应数据进行加窗、实数带通傅里叶反变换和去噪处理，得到实数的时域脉冲响应序列，为时域脉冲响应序列设置时间零点，得到被测信道的脉冲响应的过程包括以下步骤：

S21，对频域数据加窗，增加时域脉冲的主辩宽度，同时减弱旁瓣；

S22，对加窗处理后的频域数据进行实数带通傅里叶反变换和去噪，在相应的带通信号前补零使其成为一个低通频谱，再在频域上以零为中心对其作共轭对称处理，得到负半轴上的共轭对称频谱，将正负半轴上的频谱共同组成一个低通频谱，再对组成的低通频谱进行傅里叶反变换得到实数的时域脉冲响应序列；

S23在NLOS环境中，将幅度大于峰值多径十分之一的且第一条到达的多径所在的时间设置为时域零点，并将此分量之前的数据平移到最后，得到被测信道的脉冲响应；

步骤S3中，提取信道的功率延迟分布，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展；通过对测量数据进行计算，拟合得到均方根时延扩展与收发天线之间距离的数学模型的过程包括以下步骤：

S31，基于时域冲激响应的功率延迟分布计算法，将被测信道的脉冲响应数据平方以获得信道的功率延迟分布函数；

S32，通过信道的功率延迟分布计算得到均方根时延扩展，均方根时延扩展的数值为功率延迟分布的二阶矩的平方根；

S33，构建均方根时延扩展的数学模型，设τ为均方根时延扩展，d为收发天线之间的距离，f(·)为均方根时延扩展和收发天线之间距离的数学模型，则：

τ＝f(d)；

S34，对测量的数据进行计算，对均方根时延扩展和收发天线之间距离的相关性关系进行分析，将τ与d之间建模为：

τ＝a×lg(d)+b；

式中，a和b是拟合参数。

2.根据权利要求1所述的超高频频段室内办公室无线信道小尺度参数建模方法，其特征在于，所述建模方法还包括以下步骤：

S4，对比实际测量的数据和通过模型计算得到的数据，对模型准确度进行验证，计算得到模型的相对误差。

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