謝建國，王浩文，桂云松

（1 上海理工大學，上海 201200；2 上海無線通信研究中心，上海 201200）

1 引言

毫米波通信因為其有大的可用性帶寬和允許多天線放置采用波束賦形方式補償路徑損耗引起了人們的興趣[1]。3GPP組織提出的的第五代移動通信（5G）技術(shù)標準，其中一個顯著特征是引入了毫米波的新頻段[2]。作為開展5G技術(shù)研究的基礎，需要對毫米波頻段的傳播特性的開展和建模進行深入研究。目前，5G移動通信技術(shù)仍處于標準化進程中，需要對毫米波頻段在多種自定義場景、高多普勒場景等情況下的傳播特性進行測量和分析。

傳統(tǒng)的信道測試儀，一般采用多天線陣列和高速射頻切換開關時分切換的方式來模擬MIMO信號，發(fā)射方和接收方在測量時按照特定時序切換高速射頻開關，實現(xiàn)對兩兩收發(fā)天線的信號抓取[3-8]。這個方法通過矢量網(wǎng)絡分析儀的兩個端口接上毫米波天線，把毫米波無線鏈路作為矢量網(wǎng)絡分析儀測試環(huán)路的一部分來測試毫米波鏈路的幅頻特性。由于必須與矢量網(wǎng)絡分析儀組成一個環(huán)路，所以這種方案無法與本文中描述的那樣收發(fā)端真正分開，更無法測試高速移動場景。而且主要運用的是S參數(shù)的測試方法，因此無法自行配置信道測試需要的發(fā)送序列，數(shù)據(jù)保存必須采用矢量網(wǎng)絡分析儀的指定格式。

針對上述問題，本文設計了一種用于毫米波信道測試與建模的并行信道測試儀。該測試儀基于模塊化儀表和毫米波上下變頻器組件開發(fā)，用來解決多天線場景下的快速時變信道的測量問題，實現(xiàn)了對毫米波頻段場景的測量需求。和矢量網(wǎng)絡分析儀方案相比，本文的毫米波信道測試儀具有以下優(yōu)勢：支持高速移動場景下的測試，可以自定義發(fā)送序列，可以配置發(fā)射端功放易擴展使用場景，支持原始數(shù)據(jù)和信道沖擊響應數(shù)據(jù)的存儲。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

信道探測儀采用并行架構(gòu)，與傳統(tǒng)信道測試儀的區(qū)別在于存在多個并行處理的收發(fā)通道。多條并行的發(fā)送通道同時發(fā)送時域序列，而多條并行的接收通道同時接收空口信號、同時存儲原始的IQ數(shù)據(jù)。此時，接收端能夠接收到發(fā)射端發(fā)出的全部信號。采用這種架構(gòu)能夠從根本上解決多天線場景下的快速時變信道的測量問題，從而提升了信道探測儀對高速場景信道測量的適用性。

2.1 難點

在這種框架下，為了使信道探測儀能夠達到測量需求，需要滿足以下幾點：

（1）多通道之間的同步達到皮秒級精度；（2）能夠?qū)崟r并行存儲多個原始信道測量數(shù)據(jù)；（3）能夠補償因為設備自身造成的誤差。

2.2 模塊

本文使用NI公司的PXIe-3647，PXIe-3647和其他PXI儀器作為核心組件，完成本次框架的搭建，具體包含模塊如下：

多通道任意波發(fā)射機與接收機；多通道間射頻同步模塊；多通道校準方案；收發(fā)間同步單元；中頻信號調(diào)理；高速數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換；基帶數(shù)字信號處理；多通道高速數(shù)據(jù)流盤；信道數(shù)據(jù)后處理分析。

如圖1所示，基帶數(shù)字信號處理模塊、高速數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊生成需要通過天線發(fā)送的模擬基帶信號。發(fā)射機、接收機、中頻信號調(diào)理模塊，上下變頻模塊實現(xiàn)將模擬基帶信號調(diào)制到71～76 GHz的毫米波頻段上并進行毫米波頻段通信。多通道間射頻同步和收發(fā)間同步單元模塊解決多通道之間的同步達到皮秒級精度的要求，多通道校準方案解決系統(tǒng)設備自身造成的誤差要求問題。多通道高速數(shù)據(jù)流盤和收發(fā)間同步單元用于存儲多個原始信道測量數(shù)據(jù)。信道數(shù)據(jù)后處理分析對采集數(shù)據(jù)進行離線分析處理。

圖1 信道探測儀系統(tǒng)框圖

3 關鍵技術(shù)

根據(jù)2.1節(jié)提出的難點，本文提出了對應的解決方案。

3.1 收發(fā)之間的多個射頻信道同步

為了能夠?qū)π诺捞匦赃M行精準測量，信道模擬器使用兩臺銣鐘作為時鐘信號源。每次測量之前，兩臺銣鐘進行對校工作，使兩臺銣鐘能夠同步工作。再將兩臺銣鐘分別作為發(fā)射端和接收端的時鐘信號源。這種情況下，發(fā)射端和接收端的同步誤差小于50 ns，滿足后處理使用要求。

3.2 數(shù)據(jù)實時存儲

信道測量時接收端需要實時存儲大量采集數(shù)據(jù)。信道模擬器使用DMA-FIFO（直接存儲訪問-先入先出）的方法，利用機箱背板總線的高帶寬減少操作系統(tǒng)產(chǎn)生的延遲，采用零拷貝技術(shù)避免多余的副本，以滿足使用要求。

3.3 多通道校準方案

為了減小因為系統(tǒng)啟動時造成的誤差，信道模擬器進行了多通道的高精度校準。本文設計了一個多輸入多輸出的毫米波組件，在每次測試信道前，發(fā)射信號通過該組件傳輸?shù)浇邮招盘枺邮招盘枌⒉杉阶鳛樾蕯?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包含毫米波組件和通信系統(tǒng)自身的系統(tǒng)響應。測量空口信道時，會得到作為實際信道的測量信號，它包含通信系統(tǒng)自身、天線和信道的系統(tǒng)響應。通過將測量信號中通信系統(tǒng)自身和天線的信道響應去除，就可以得到“純”的信道數(shù)據(jù)。

4 測量

圖2、圖3給出發(fā)射端和接收端設備圖。發(fā)射端將一段固定的正交PN序列通過QPSK調(diào)制為各個發(fā)射端的基帶信號，再通過上變頻到達毫米波頻段，通過天線發(fā)出。接收端接收到信號后，下變頻到基帶，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，完整地存儲到硬盤中。

圖2 信道探測儀發(fā)射端

圖3 信道探測儀接收端

實際測量時，發(fā)射端和接收端的銣鐘需要先進行對校，直到兩臺銣鐘同步完成后，將兩臺銣鐘分開，分別作為信道測試儀發(fā)射端和接收端的時鐘源。

將發(fā)射端、接收端和校準組件相連，啟動發(fā)射端和接收端的程序。發(fā)射端發(fā)射毫米波信號后，采集該數(shù)據(jù)作為校準數(shù)據(jù)。然后斷開校準組件，連接天線，發(fā)射信號通過天線傳輸，接收端采集經(jīng)過空口信道的數(shù)據(jù)作為測量數(shù)據(jù)。采集完成后通過基于SAGE算法的后處理軟件對這兩組數(shù)據(jù)進行校準好參數(shù)提取。

5 實驗結(jié)果

本文使用信道探測儀進行了兩組實驗，將發(fā)射端和接收端分別裝入兩輛測試車中，使兩車分別以20 km/h和40 km/h的速度相向?qū)﹂_（相對速度分別為40 km/h和80 km/h），發(fā)射端發(fā)射73 GHz頻段，3.072 GHz速率下4 096點的PN序列，測量該場景下的信道情況。

圖4 40km/h相對速度功率時延譜

圖5 80km/h相對速度功率時延譜

圖4和圖5分別是40 km/h相對速度和80 km/h相對速度下信道功率時延譜。為了簡便分析，這里每隔10 ms取4 096點作為一個cycle（周期），縱坐標為該cycle的功率時延譜。從圖中可以看到一條明顯的斜線，說明隨著兩車相向?qū)﹂_，從發(fā)射端發(fā)射信號到接收端接收的時延在不斷減小，且80 km/h相對速度下時延減小速度明顯快于40 km/h。以圖5作為說明，從第800到第1 000個cycle，現(xiàn)實時間為2 s，時延從1 350減小到1 150，減少了200個采樣點，換算為現(xiàn)實距離，則為200×3×108/(3.072×109)=19.5 m，與理論兩車行駛距離22 m相比，考慮到車速并不一定確定為20 km/h，該數(shù)值符合預期。

6 結(jié)論

本文設計的并行信道測試儀，為毫米波頻段信道的測量與建模提供了技術(shù)手段和方法。采用高精度同步、實時存儲、多通道校準等技術(shù)，增強了系統(tǒng)的精確度。采用了模塊化設計，能夠測量毫米波頻段，諸如71～76 GHz等多個頻段的信號數(shù)據(jù)。該信道測試儀對毫米波頻段信道的探索、分析和利用有著重要的意義。

[1] Roh, W. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results[J]. Communications Magazine IEEE, 2014,52(2):106-113.

[2] 3GPP, Technical specification group radio access network; channel model for frequency spectrum above 6 GHz (Release 14), 3rd Generation Partnership Project (3GPP), TR 38.900 V14.2.0, Dec. 2016.[Online]. Available: http://www.3gpp.org/DynaReport/38900.htm

[3] Rappaport T S. Wireless communications: principles and practice[M]. New Jersey: prentice hall PTR, 1996.

[4] Wen Z, Kong H, Wang Q, et al. mmWave channel sounder based on COTS instruments for 5G and indoor channel measurement[C]// Wireless Communications and NETWORKING Conference Workshops. IEEE,2016:37-43.

[5] Park J J, Liang J, Lee J, et al. Millimeter-wave channel model parameters for urban microcellular environment based on 28 and 38 GHz measurements[C]// IEEE, International Symposium on Personal,Indoor, and Mobile Radio Communications. IEEE, 2016:1-5.

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