基于LabWindows/CVI的3.5G頻段電波傳播測(cè)控技術(shù)

1 引言

隨著移動(dòng)用戶數(shù)日益增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量的需求也呈海量增長(zhǎng)，現(xiàn)有的移動(dòng)通信頻段已經(jīng)無法滿足日益增長(zhǎng)的寬帶移動(dòng)通信需求[1]。因此，從系統(tǒng)的角度尋找新的、適用于無線通信的頻段變得日益迫切�？紤]到頻段資源、技術(shù)設(shè)備、運(yùn)營(yíng)成本等多方面因素，3.5GHz頻段作為國(guó)際ITU頻譜大會(huì)上第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced侯選頻段之一，成為了研究的熱點(diǎn)頻段[2]，基于侯選頻段傳播模型的研究也提到非常重要的高度，積極推進(jìn)未來移動(dòng)通信候選頻段研究對(duì)于促進(jìn)我國(guó)無線通信自主技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展意義重大。

通常，無線傳播模型只是客觀上反映了進(jìn)行模型校正地區(qū)的電波傳播的衰落規(guī)律，而事實(shí)上，由于各個(gè)地區(qū)的地形地貌千差萬別，利用單一的傳播模型已經(jīng)無法進(jìn)行統(tǒng)一的覆蓋計(jì)算，這就決定了當(dāng)要把一個(gè)模型應(yīng)用到其他地區(qū)時(shí)，必須對(duì)模型的一些參數(shù)進(jìn)行修正，也就是傳播模型校正。同時(shí)，要完成蜂窩式移動(dòng)通信系統(tǒng)小區(qū)規(guī)劃和優(yōu)化，需要有一套相適應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)量系統(tǒng)，完成測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)功率等一系列參數(shù)。

因此，實(shí)際環(huán)境對(duì)無線信號(hào)的覆蓋情況有重要影響，無線信號(hào)的衰落與多徑分布情況將直接影響到寬帶無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)算和系統(tǒng)性能，所以針對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的無線傳播信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)就尤為重要。這將為后續(xù)的系統(tǒng)小區(qū)規(guī)劃、鏈路預(yù)算和算法設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[3]。

對(duì)此，我們結(jié)合IMT-Advanced侯選頻段的無線電波環(huán)境特征，開展新一代無線通信系統(tǒng)電波傳播特性測(cè)量和建模研究。該研究將促進(jìn)寬帶移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)際環(huán)境下的組網(wǎng)應(yīng)用。

目前，我國(guó)4G移動(dòng)通信研究FuTURE計(jì)劃（863計(jì)劃）已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了3.5GHz頻段的寬帶移動(dòng)通信現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[4]。此次試驗(yàn)采用了基于分布式無線電技術(shù)有效地克服了電波傳播衰落對(duì)寬帶系統(tǒng)性能的影響。本文在此基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI，針對(duì)未來寬帶無線移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了3.5GHz電波傳播特性測(cè)控系統(tǒng)，為進(jìn)一步獲取了中國(guó)該類場(chǎng)景的電波傳播損耗實(shí)測(cè)模型提供了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，，以協(xié)助我國(guó)無線電頻譜管理權(quán)威部門開展新一代移動(dòng)通信頻譜技術(shù)研究。

本文第2節(jié)首先介紹了虛擬儀器技術(shù)以及2G、3G的電波傳播測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法；第3節(jié)提出了4G移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz電波傳播測(cè)控技術(shù)的設(shè)計(jì)方法；第4節(jié)給出提取測(cè)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，包括海量測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)等；第5節(jié)測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行及測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果；最后給出研究結(jié)論。

2 傳統(tǒng)電波傳播測(cè)量與虛擬儀器開發(fā)技術(shù)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于移動(dòng)臺(tái)不斷運(yùn)動(dòng)， 傳播信道不僅受到多普勒效應(yīng)的影響，而且還受地形、地物的影響，另外移動(dòng)系統(tǒng)本身的干擾和外界干擾也不能忽視�；�于移動(dòng)通信系統(tǒng)的上述特性，嚴(yán)格的理論分析很難實(shí)現(xiàn)，往往需對(duì)傳播環(huán)境進(jìn)行近似、簡(jiǎn)化，從而使得理論模型誤差較大。而針對(duì)傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)最著名的統(tǒng)計(jì)模型是Okumura模型，它是Okumura以其在日本的大量測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)出的以曲線圖表示的傳播模型。在Okumura 模型的基礎(chǔ)上，利用回歸方法擬合出便于計(jì)算機(jī)計(jì)算的解析經(jīng)驗(yàn)公式。這些經(jīng)驗(yàn)公式有適用于GSM900 宏蜂窩的Okumura-Hata公式、適用于GSM1800宏蜂窩的Hata擴(kuò)展公式。另外還有適用于微蜂窩的Walfisch公式及室內(nèi)傳播環(huán)境使用的Keenan-Motley 公式。這些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算繁瑣并且與實(shí)際環(huán)境之間存在著或大或小的誤差。因此在實(shí)際的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)中，一般都以修正的Okumura-Hata 模型作為預(yù)測(cè)模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助預(yù)測(cè)，在一般測(cè)控技術(shù)規(guī)劃中，可以針對(duì)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際無線環(huán)境作無線傳播特性測(cè)量后對(duì)上述公式進(jìn)行修正。

目前可商用的集成到測(cè)控規(guī)劃中的射線跟蹤模型如Volcano 模型，WaveSight 模型以及WinProp 模型等就是通過理論分析方法來研究傳播模型的代表，但此類模型需要高精度（至少5m精度）含3D 建筑物信息的數(shù)字地圖，模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和數(shù)字地圖的精度和準(zhǔn)確性密切相關(guān)，對(duì)于移動(dòng)的車輛等影響無線信號(hào)傳播的因素在目前的理論分析方法中也都是無法考慮的，而且一般的理論分析方法都需要對(duì)傳播環(huán)境進(jìn)行一定的近似和簡(jiǎn)化，從而也引入了一定的誤差，目前基于理論分析方法的傳播模型并沒有獲得大規(guī)模的應(yīng)用。

而對(duì)于電波傳播測(cè)量過程中的關(guān)鍵——測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取，通常是采用專用測(cè)量設(shè)備及與之嚴(yán)格配套的測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)WCDMA系統(tǒng)在進(jìn)行電波傳播測(cè)量時(shí)，采用的就是Agilent公司生產(chǎn)的E7476A設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1 基于E7478A路測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從上圖中，不難看到傳統(tǒng)儀器的功能都是由儀器生產(chǎn)廠家來定義和制造的硬件及軟件來實(shí)現(xiàn)，在決定了系統(tǒng)功能的同時(shí)，也決定了用戶無法改變。盡管傳統(tǒng)儀器的精度、功能和性能隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，但是對(duì)于復(fù)雜的測(cè)量參數(shù)較多的場(chǎng)合，使用起來很不方便，局限性愈發(fā)明顯。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，把計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)完美結(jié)合起來，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能。同時(shí)，虛擬儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、研制周期短、系統(tǒng)可擴(kuò)展、維護(hù)方便、性能價(jià)格比好等特點(diǎn)。同時(shí)，它與網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)的連接相當(dāng)方便，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和信息的共享。

虛擬儀器對(duì)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的深刻意義在于，其功能可以由用戶根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)軟件來定義和擴(kuò)展，而不是像傳統(tǒng)儀器那樣，功能只能由廠家事先定義并且固定不可變更[5]。這樣，用戶不必購(gòu)買多臺(tái)不同功能或者昂貴的集多種功能于一身的傳統(tǒng)儀器，也不必不斷購(gòu)買新的儀器。因?yàn)樘摂M儀器技術(shù)可以與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他外部設(shè)備互連，用戶只需根據(jù)需要改變軟件程序就可以不斷賦予或者擴(kuò)展增強(qiáng)它的功能，
虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI是美國(guó)NI公司開發(fā)的Measurement Studio軟件組中的一員。它是32位的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬一起軟件開發(fā)平臺(tái)，可以在多操作系統(tǒng)（如Windows 98/NT/2000 /XP、Mac OS和Unix等）下運(yùn)行[6]。

LabWindows/CVI以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活、應(yīng)用廣泛的C語言與測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，分析和顯示。另外，它的集成化開發(fā)平臺(tái)，交互式編程方法，豐富的控件和庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，使LabWindows/CVI自身功能更加強(qiáng)大，應(yīng)用更加方便，成為測(cè)量技術(shù)開發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)量環(huán)境，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，過程監(jiān)控系統(tǒng)等首選的開發(fā)環(huán)境[7]。

因此，考慮4G移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz電波傳播測(cè)量的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)并成功應(yīng)用了基于虛擬儀器技術(shù)的新型電波傳播測(cè)控系統(tǒng)3 4G電波傳播測(cè)量系統(tǒng)概述

3.1 測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩部分，如圖2所示。發(fā)射端由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射天線組成。Agilent ESG信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生3.5GHz CW測(cè)量信號(hào)，發(fā)射端的功率放大器用于擴(kuò)展測(cè)量范圍。接收端由頻譜分析儀、控制計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)系統(tǒng)組成。Agilent PSA頻譜分析儀具有低噪聲、高采樣率的特點(diǎn)，GPS接收機(jī)采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)。

實(shí)測(cè)過程中，接收信號(hào)功率與地理信息的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果通過控制計(jì)算機(jī)上開發(fā)的虛擬儀器技術(shù)獲得采集同步和自動(dòng)儲(chǔ)存，從而保障測(cè)量滿足李氏定理?xiàng)l件，并且提高了測(cè)量效率。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框圖

3.2 測(cè)量系統(tǒng)指標(biāo)

表 1 電波傳播系統(tǒng)指標(biāo)

3.3 硬件接口

1. 測(cè)量信號(hào)：

RF信號(hào)：測(cè)量設(shè)備天線前端——頻譜儀輸入端
RS232輸出：GPS接收機(jī)輸出實(shí)時(shí)GPS信息

2. 控制信號(hào)：

GPIB總線：用于控制頻譜儀和功率計(jì)

3.4 測(cè)量環(huán)境

表2 測(cè)量環(huán)境概況