TWI412237B - 資料收集器、電腦可讀取媒體、資料收集方法、及進行模擬的方法 - Google Patents

Description

資料收集器、電腦可讀取媒體、資料收集方法、及進行模擬的方法

本發明關於無線電信號之資料收集及模擬。

無線電裝置可在一真實環境中或在一模擬真實環境的模擬器中針對一無線電頻道作測試。一典型實際測量當在一既有無線電系統中移動時以例如約每秒一次取得一期望頻帶之樣本。實際測量係為了多種理由而行，譬如使系統最佳化及除錯、測試設備及應用程式、驗證服務品質及收集信號上的資料。但是，在一真實無線電系統中進行的測試係不合期望且困難的，因為在戶外進行的測試舉例來說會受到隨時改變的天氣和季節影響。此外，在一環境(城市A)中進行的測試並不完全適用於一對應第二環境(城市B)。再者，一環境中之兩次相繼測試不會完全一樣。通常也不可能在一真實環境中測試一預定情勢。有一些有趣的現象在現實中發生的機會也可能少到連測試一次都有困難，更不用說重複地測試。

再說到一模擬一無線電頻道的裝置，有可能非常自由地模擬一期望類型之無線電頻道。在一數位式無線電頻道模擬器中，頻道可為由一FIR(有限脈衝響應)濾波器塑造，該濾波器以一對於經不同延遲量延遲之資料用頻道係數(亦即抽頭係數)加權並加總經加權資料分量的方式形成一頻道之一估計脈衝響應與期望射頻信號間之一捲積。該等頻道係數可改變以反映一實際頻道之行為。

但這兩種測試都有相關問題。真實環境中的測試例如因為快速衰減而太不準確且未將設計頻帶以外的干擾和信號納入考量。利用一裝置模擬一無線電頻道，脈衝響應模型及電磁環境係預先定義的。選定的環境可能是例如一〝典型都市〞區域，且對於巴黎和倫敦來說都一樣，但這些城市事 實上是不同的。此外，模擬器僅能對頻道產生人造噪訊和干擾，其本質上與無線電系統之真實噪訊和干擾不同。因此在模擬方面需要更進一步的發展。

本發明之一目的係提供改良。依據本發明之一觀點，提出一種收集至少一無線電系統之資料以作模擬的方法，該方法包括：接收至少一無線電頻帶；分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關之一信號空間及該至少一接收頻帶中與干擾和噪訊有關之一背景空間；且基於該背景空間儲存該至少一無線電系統之環境資料。

依據本發明之另一觀點，提出一種執行一無線電系統之模擬的方法，該方法包括利用基於一真實無線電系統之一背景空間儲存的環境資料執行一模擬，該背景空間係與該真實無線電系統之一信號空間分離。

依據本發明之另一觀點，提出一種用於至少一無線電系統之模擬的資料收集器，該資料收集器包括：一接收器、一信號處理器及一記憶體；該接收器經構形用以接收至少一無線電頻帶；該信號處理器經構形用以分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關之一信號空間及該至少一無線電頻帶中與干擾和噪訊有關之一背景空間；且該記憶體經構形用以在該信號處理器之控制下基於該背景空間儲存該至少一無線電系統之環境資料。

依據本發明之另一觀點，提出一種電腦可讀取媒體，其上實施可由電腦執行的電腦程式指令以收集至少一無線電系統之資料以供模擬，且在被電腦執行時執行以下功能：接收至少一無線電頻帶；分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關之一信號空間及該至少一無線電頻帶中與干擾和噪訊有關之一背景空間；及基於該背景空間儲存該至少一無線電系統之環 境資料。

本發明提出許多優點。實際的無線電環境被記錄且無線電系統中之真實擾動可基於此被模擬。

100、322‧‧‧天線

102、320‧‧‧混合器

RF‧‧‧射頻

104‧‧‧處理器

106‧‧‧記憶體

108‧‧‧定位器

GPS‧‧‧全球定位系統

110‧‧‧加速度感測器

112‧‧‧高度感測器

114‧‧‧溫度感測器

200‧‧‧緩衝器

202‧‧‧接收器元件

204‧‧‧發射器元件

206‧‧‧差分元件

208‧‧‧類比-數位轉換器

318‧‧‧組合器

300、302、312、316‧‧‧濾波器

304、306、310、314‧‧‧轉換器

308、FPGA‧‧‧現場可程式閘門陣列引擎

400‧‧‧發射器

402‧‧‧模擬器

404‧‧‧接收器

406‧‧‧頻道元件

408‧‧‧加法器

500‧‧‧延遲元件

502‧‧‧加權係數塊

504‧‧‧求和器

以下參照實施例及隨附圖式更詳細地說明本發明，圖式中：第1圖示出一資料收集器；第2圖例示一用於分離一信號空間和一背景空間的組態；第3圖例示一向量卡；第4圖例示一模擬器；第5圖例示一FIR濾波器；且第6圖呈現資料收集方法之一流程圖。

在一虛擬驅動測試中，從一場域收集資料並予處理，然後在實驗室條件下盡可能準確地重複測量作業。測量作業係在一既有無線電系統中進行，或者利用人造發射器當作基地台。虛擬驅動測試係一種用於無線電系統分析的離線解決方案。

參照第1圖，檢驗一資料收集器之實例，該資料收集器包括一天線100、一混合器102、一信號處理器104及一記憶體106。天線100可包括單一組件或者其可包括天線元件之一陣列或矩陣。一電磁輻射頻帶從天線行進至混合器102，在此一期望頻帶向下混頻成一基帶。亦有可能接收複數個期望頻帶而非一個頻帶。在混合器102之後，該基帶可被轉換成一數位格式且在一信號處理器104至少部分地以一數位格式接受處理。信號處理104分離該至少一 頻帶中與至少一信號有關之一信號空間及該或該等接收頻帶中與干擾和噪訊有關之一背景空間。記憶體106在信號處理器104的控制下基於背景資料儲存無線電系統之環境資料。記憶體106舉例來說可藉由一USB(通用串列匯流排)埠耦接至一電腦或類似物。

環境資料係指包括噪訊和干擾的電磁輻射，其可包含人為的揮發性或非揮發性輻射及來自天然來源(來自天體或其運行或是來自地球現象譬如閃電)的輻射。

第2圖呈現一種在信號處理器104中分離信號空間和背景的可行方式。整體而言，可能有許多種方法可以分離。儘管以下說明係關於一頻帶，此分離作業可能適用於複數個頻帶。一接收頻帶可被分入二個支路內。第一支路可有一緩衝器200，用於相對於第二支路適度地延遲該接收頻帶。在第二支路之一接收器元件202中，可進行多項作業。該頻帶可被向下混頻，基帶中之資料可被轉換成數位格式且該頻帶中一信號之頻道之一脈衝響應可以該信號中之一已知資料為基礎形成。由於該信號中之資料已知為預定符號，其與實測符號的比較可被用來判定一頻道之失真且用來評估一脈衝響應。該等符號可包括位元。在一DSSS(直接序列擴展頻譜)系統中脈衝響應評估可為從一匹配濾波器之輸出獲得，且在一OFDM(正交分頻調變)系統中脈衝響應評估可以振幅響應之一反函數獲得。

以至少一脈衝響應估計及帶有已知資料之RF信號為基礎，一發射器元件204可在一期望RF(射頻)頻帶中形成至少一再生信號。舉例來說，信號之再生可為基於習知方法之一適當信號模型譬如SAGE(空間交錯廣義期望值最大化)。發射器元件204可首先將再生基帶信號向上混頻成一期望無線 電頻率。然後，可藉由該至少一脈衝響應與具有已知資料之對應RF信號之間的捲積運算將一頻道的作用納入考量。然後可在一差分元件206內形成來自緩衝器200之已接收信號與該再生信號之間的差。差分元件206可為一減法器，該已接收信號在該差分元件內同步地被該再生信號減。該等信號之間的差可在一類比-數位轉換器208內被轉換成一數位格式。此差沒有該信號但包含背景噪訊和干擾且因此定義無線電系統之環境資料。該環境資料可被儲存在記憶體106內。

環境資料可被重複地形成及儲存在記憶體106內以進行適當播放。在不同時刻形成的環境資料可以一時間先後順序儲存藉以同樣用該順序檢索。否則，在不同時刻形成的環境資料可與一生成時刻或一信號之接收建立關連或被加上此類印記。環境資料可被重複地形成及儲存每秒超過100次。在一實施例中，環境資料可被重複地形成及儲存每秒約1000次或數千次。環境資料可由資料收集器非常準確地瞬時記錄，因為環境資料之更新速率如此地高。藉由如此高頻率之環境資料更新，舉例來說，衰減之作用可被納入資料及模擬的考量中。在一實施例中，環境資料之兩次相繼更新之間的時間長度可能短於一接收頻帶中一信號之延遲偏離度。

該接收頻帶可為寬於無線電系統中信號之設計帶寬。依一類似方式，環境資料可為用一寬於無線電系統中信號之設計帶寬的帶寬形成及儲存。這允許潛在干擾情況會被注意到。舉例來說，若被接收的信號之帶寬是10 kHz，舉例來說接收及環境之帶寬可為20 kHz。用於接收及環境資料的帶寬可為寬於約10 MHz。在一UMTS無線電系統(通用行動電信系統)中，接收及環境的帶寬舉例來說可為50 MHz或100 MHz。

若資料收集器需為操作者指定的，其有可能包含一SIM(用戶識別模組)卡及SIM卡授權。一寬於操作者所需的帶寬可被記錄。

第1圖亦包含用於接收環境之更多資訊的一些潛在實施例。一定位器108譬如衛星定位系統之接收器可耦接於信號處理器104。定位器108在資料收集器於無線電系統中移動之時隨之移動。定位器108基於在資料收集器接收期望頻帶期間複數個時刻來自衛星的信號判定其在無線電系統中的位置。該衛星定位系統舉例來說可為GPS(全球定位系統)。信號處理器104可將每一時刻之環境資料與同時判定的位置建立關連且利用相關位置資料控制環境資料之儲存。若高度資訊無法取得，該相關資料可為二維的。然高度資料可從一地圖獲得使該相關資料為三維的。

虛擬測試驅動可為一3D(三維)驅動，其中基地台可為虛擬安置。有可能在模擬環境中驅動一虛擬路由以測試虛擬無線電系統如何工作。亦有可能驅動通過幾個胞元且監測一MAC(媒體存取控制)層及RRM(無線電資源管理)功能。因此，有可能模擬信號切換(handover)。

一加速度感測器110可耦接於信號處理器104。感測器110將其遭受的力轉變成電信號，該等電信號可在信號處理器104中或之前被轉換成一數位格式。信號處理器104可藉由取加速度之積分而判定每一時刻該資料收集器之速度且利用該相關速度資料控制環境資料之儲存。知曉資料收集器之速度會使得判定一相干時間成為可能。在一實施例中，在相干時間中取樣作業係進行至少兩次。可使用一衛星定位系統譬如GPS。儘管取樣率可能不同，任何時刻可被線性地內插。

一高度感測器112可耦接於信號處理器104。感測器112之操作可為基於 對於大氣壓力之敏感度。感測器112將大氣壓力轉變成一電信號，該電信號可在信號處理器104中或之前被轉換成一數位格式。信號處理器104可將每一時刻之環境資料與同時判定的高度建立關連且利用相關高度資料控制環境資料之儲存。若可取得在地球上的位置，信號處理器104可將每一時刻之環境資料與同時判定的三維位置建立關連且利用該相關三維位置資料控制環境資料之儲存。整體而言位置資料不一定要三維的，二維或甚至一維的位置資料可能也適用。網路不一定在一特定地理區域工作且其區域可能與無線電頻道有關。

此外，一溫度感測器114可耦接於信號處理器104。感測器114將溫度轉變成一電信號，該電信號可在信號處理器104中或之前被轉換成一數位格式。信號處理器104可將每一時刻之環境資料與同時判定的高度資料建立關連且更常見地利用相關溫度資料控制環境資料之儲存。此關連性使一實施例能夠將不同天氣和季節納入考量。

第3圖呈現一向量卡，其可被用作信號處理器104。接收的信號可已利用I/Q調變(同相/正交)調變且該格式之信號可在濾波器300、302中被接收。然後類比信號可在轉換器304、306中被轉換成一數位格式。然後數位信號可在一FPGA引擎308(現場可程式閘門陣列)中行進。一般而言在一FPGA引擎中可有一或多個FPGA。FPGA引擎308可為可重複構形且處理快速。在UMTS中，FPGA引擎308舉例來說可解碼公共先導信號以便形成一頻道之一脈衝響應的估計。此外，FPGA引擎308可在將背景儲存於記憶體106中之前分離信號空間與背景。但在資料收集期間，接收頻帶可連同脈衝響應估計被儲存到記憶體106中。接收頻帶舉例來說可藉由儲存I和Q樣本(有噪訊和 干擾)而被記錄。然後，當所有必要資料已被收集時，可利用已儲存的脈衝響應估計使信號空間與背景彼此分離且可將背景儲存到記憶體106中。

若有複數個向量卡被並聯地耦接即可接收多股資料串流。一個向量卡可接收及處理一來自一3G無線電系統(第三代)的頻帶，且另一向量卡可接收及處理一來自一2G無線電系統(第二代)的頻帶。對應地，多個向量卡可接收及處理複數個頻帶，每一頻帶包含MIMO頻道(多進多出)之一頻道。當作運算引擎的信號處理器104可為可重新構形以支援各種標準。

第3圖之資料收集器亦可當作發射器之一部分。若無線電網路不存在或尚未運作，有可能將一具有向量卡及記憶體的裝置放到基地台所在處。要當作發射器，D/A轉換器310、314可用於來自FPGA引擎308之I/Q已調變信號。I/Q已調變信號可在濾波器312、316中被過濾。此外，一用於將I/Q已調變符號組合成一基帶信號的組合器318、一用於將基帶信號向上混頻的混合器320及一天線322可能是發射器所需。發射的符號可被儲存在記憶體106中且FPGA引擎308可經構形以I/Q格式調變該等符號。由於FPGA引擎308係可程式的，其可在例如從一接收器改成一發射器或反之從發射器改成接收器的每次操作目的變更時被重新程式化。

第4圖例示一模擬器。一發射器400發出一信號通過一模擬器402到一接收器404。模擬器402可包含一頻道元件406，該元件執行一頻道之一脈衝響應之一估計與該RF信號之間的捲積。模擬器402亦包含一記憶體106，該記憶體容納環境資料。此外，該模擬器包括一加法器408，該加法器在頻道元件406之後將環境資料加到該RF信號。在一接收器404接收的信號包含由頻道元件406及記錄在一真實無線電系統中之噪訊和干擾造成的合成偏差。

在記錄環境資料時，資料收集器可在無線電系統中以一特定速度或某些速度行動。但在一可能是虛擬測試驅動的模擬中，環境資料可被以一或多種不同速度播放，這些速度對應於一接收器在模擬中之運動。此外，環境資料的振幅可被改變不同於記錄位準。

第5圖呈現一頻道元件406，其可為一FIR濾波器。該FIR濾波器包括經設置作為一移位暫存器的延遲元件500、加權係數塊502及一求和器504。一輸入信號x(n)在每一延遲元件500中被延遲，該等延遲元件的延遲可具有相同或不同的時間長度，且經延遲的信號在加權係數塊502中被期望加權係數h(i)加權，其中i=〔0,…,N〕。加權係數h=〔h(0),…,h(n)〕為無線電頻道之頻道估計，亦稱為FIR濾波器之抽頭係數。加權係數依與一真實無線電頻道之特性被認為改變之方式相同的方式改變。通常加權係數在短程中係相當安定的，但相較於信號之變動率為緩慢地改變。經延遲及加權的信號在一求和器504中加總。

一般而言，加權係數可為實數或複數。需要複數加權係數係因為例如GSM(全球行動通訊系統)或CDMA無線電系統(分碼多向近接)之無線電頻道採用正交調變，其中一信號被劃分成二個部分。實數信號部分I(同相)被乘以一無相移的載波，且虛數信號部分Q(正交)被乘以一經相移的載波。因此信號x可以x=I+jQ的形式表示，其中I是實數信號部分、Q是虛數信號部分且j是一虛數單位。

在一數學格式中，FIR濾波器之輸出信號y(n)可被表示成一包括經延遲信號與加權係數之乘積之和的捲積：

其中*代表一捲積運算且n代表一信號元素之指數。信號x和y及頻道脈衝響應h可以一已知方式依向量形式或矩陣形式被處理成一純量。

第6圖呈現一方法流程圖。在步驟600中，接收至少一無線電頻帶。在步驟602中，分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關的信號空間及該至少一無線電頻帶中與干擾和噪訊有關的背景空間。在步驟604中，儲存該至少一無線電系統基於該背景空間之環境資料。

這些實施例舉例來說可用ASIC或VLSI電路(特殊應用積體電路，超大型積體電路)實行。另一選擇或除此之外，該等實施例可被實行為電腦程式，其包括用於執行至少一無線電系統之收集資料之電腦程序以供模擬的指令。

該電腦程式可被儲存在一可由電腦或處理器讀取的電腦程式散佈媒體上。該電腦程式媒體舉例來說可為但不限於：電的、磁的、光的、紅外線或半導體系統、裝置或傳輸媒體。該電腦程式媒體可包含下列媒體之至少一者：電腦可讀取媒體，程式儲存媒體，記錄媒體，電腦可讀取記憶體，隨機存取記憶體，可抹除可程式唯讀記憶體，電腦可讀取軟體散佈包，電腦可讀取信號，電腦可讀取電信信號，電腦可讀取印刷物，及電腦可讀取壓縮軟體包。

即便以上已參照依據隨附圖式之實例說明本發明，明顯可知本發明不侷限於此，且其可在隨附申請專利範圍項之範圍內以多種方式修改。

100‧‧‧天線

102‧‧‧混合器

RF‧‧‧射頻

104‧‧‧處理器

106‧‧‧記憶體

108‧‧‧定位器

GPS‧‧‧全球定位系統

110‧‧‧加速度感測器

112‧‧‧高度感測器

114‧‧‧溫度感測器

Claims (27)

1. 一種收集至少一無線電系統之資料以供模擬的方法，該方法包括：接收至少一無線電頻帶；分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關的一信號空間及該至少一接收頻帶中與干擾和噪訊有關的一背景空間；且基於該背景空間儲存與該至少一無線電系統有關之環境資料，該環境資料包括電磁輻射，該電磁輻射包括該噪訊和該干擾。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括藉由以具有已知資料之該至少一信號為基礎形成至少一脈衝響應估計而進行分離；以該至少一脈衝響應估計和該已知資料為基礎形成至少一再生信號；及將環境資料形成為一已接收信號與一再生信號間之差。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括每秒超過100次重複地儲存環境資料。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括每秒約1000次重複地儲存環境資料。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括用寬於該至少一無線電系統之信號之設計帶寬的一帶寬接收該至少一無線電頻帶及儲存該環境資料。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括用寬於約10 MHz的一帶寬接收該至少一無線電頻帶、形成該環境資料及儲存該環境資料。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括判定該至少一無 線電頻帶之一接收時間；且將該環境資料關連於該經判定的時間。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括判定在該至少一無線電系統中該至少一無線電頻帶之一接收位置；且將該環境資料關連於該經判定的位置。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括判定該至少一無線電頻帶之接收的加速度；且將該環境資料關連於該經判定的加速度。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括判定該至少一無線電頻帶之接收期間的溫度；且將該環境資料關連於該經判定的溫度。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括接收至少二個無線電頻帶，該至少二個無線電頻帶包含不同多進多出頻道之信號。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，該方法進一步包括接收至少二個無線電頻帶，該至少二個無線電頻帶包含不同無線電系統之信號。
13. 一種進行無線電系統之模擬的方法，該方法包括：基於一真實無線電系統之一背景空間利用儲存的環境資料進行一模擬，該背景空間係與該真實無線電系統之一信號空間分離，該環境資料包括電磁輻射，該電磁輻射包括噪訊和干擾。
14. 一種用於至少一無線電系統之模擬的資料收集器，該資料收集器包括：一接收器；一信號處理器；及一記憶體，該接收器經構形以接收至少一無線電頻帶，該信號處理器經構形以分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關 的一信號空間及該至少一無線電頻帶中與干擾和噪訊有關的一背景空間，且該記憶體經構形以在該信號處理器之控制下基於該背景空間儲存與該至少一無線電系統有關之環境資料，該環境資料包括電磁輻射，該電磁輻射包括該噪訊和該干擾。
15. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中為了分離該信號空間和該背景，該信號處理器經構形以基於具有已知資料的該至少一信號而形成至少一脈衝響應估計，以該至少一脈衝響應估計和該已知資料為基礎形成至少一再生信號，及將環境資料形成為一已接收信號與一再生信號間之差。
16. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器經構形以每秒超過100次重複地提供及儲存該環境資料。
17. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器經構形以每秒約1000次重複地提供及儲存該環境資料。
18. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器經構形以用寬於該至少一無線電系統之信號之設計帶寬的一帶寬接收該至少一信號及儲存該環境資料。
19. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器經構形以用寬於約10 MHz的一帶寬接收該至少一信號、形成該環境資料及儲存該環境資料。
20. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器包括一定位器，該定位器經構形以判定在該至少一無線電系統中該至少一信號之一接收位置；且該信號處理器經構形以將該環境資料關 連於該經判定的位置。
21. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器包括一時鐘，該時鐘經構形以判定該至少一無線電頻帶之一接收時間；且該信號處理器經構形以將該環境資料關連於該經判定的時間。
22. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器包括一感測器，該感測器經構形以判定該至少一無線電頻帶之接收的加速度；且該信號處理器經構形以將該環境資料關連於該經判定的加速度。
23. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器包括一溫度計，該溫度計經構形以判定該至少一無線電頻帶之接收期間的溫度；且該信號處理器經構形以將該環境資料關連於該經判定的溫度。
24. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器經構形以接收至少二個無線電頻帶，該至少二個無線電頻帶包含不同多進多出頻道之信號。
25. 如申請專利範圍第14項之資料收集器，其中該資料收集器經構形以接收至少二個無線電頻帶，該等頻帶包含不同無線電系統之信號。
26. 一種電腦可讀取媒體，該電腦可讀取媒體實施其上可由一電腦執行的電腦程式指令，以收集使模擬的至少一無線電系統之資料以供模擬，且在被該電腦執行時執行以下功能：接收至少一無線電頻帶；分離該至少一無線電頻帶中與至少一信號有關之一信號空間及該至少一接收頻帶中與干擾和噪訊有關之一背景空間；及 基於該背景空間儲存與該至少一無線電系統有關之環境資料，該環境資料包括電磁輻射，該電磁輻射包括該噪訊和該干擾。
27. 如申請專利範圍第26項之電腦可讀取媒體，該媒體包含下列媒體之至少一者：程式儲存媒體，記錄媒體，電腦可讀取記憶體，電腦可讀取軟體散佈包，電腦可讀取信號，電腦可讀取電信信號，及電腦可讀取壓縮軟體包。