基于LabWindows/CVI的3.5G頻段電波傳播測控技術(shù)

1 引言

　　隨著移動(dòng)用戶數(shù)日益增長，數(shù)據(jù)量的需求也呈海量增長，現(xiàn)有的移動(dòng)通信頻段已經(jīng)無法滿足日益增長的寬帶移動(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)營成本等多方面因素，3.5GHz頻段作為國際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于促進(jìn)我國無線通信自主技術(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)的場強(qiáng)覆蓋測量系統(tǒng)，完成測量場強(qiáng)功率等一系列參數(shù)。

　　因此，實(shí)際環(huán)境對無線信號(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，所以針對真實(shí)場景的無線傳播信號(hào)進(jìn)行測量和統(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電波傳播特性測控系統(tǒng)，為進(jìn)一步獲取了中國該類場景的電波傳播損耗實(shí)測模型提供了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，，以協(xié)助我國無線電頻譜管理權(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電波傳播測控技術(shù)的設(shè)計(jì)方法；第4節(jié)給出提取測控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，包括海量測量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)等；第5節(jié)測控系統(tǒng)運(yùn)行及測量數(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?；谝苿?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)，往往需對傳播環(huán)境進(jìn)行近似、簡化，從而使得理論模型誤差較大。而針對傳統(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)際的場強(qiáng)預(yù)測中，一般都以修正的Okumura-Hata 模型作為預(yù)測模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助預(yù)測，在一般測控技術(shù)規(guī)劃中，可以針對當(dāng)?shù)氐膶?shí)際無線環(huán)境作無線傳播特性測量后對上述公式進(jìn)行修正。

　　目前可商用的集成到測控規(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傳播環(huán)境進(jìn)行一定的近似和簡化，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。

　　而對于電波傳播測量過程中的關(guān)鍵——測量數(shù)據(jù)的獲取，通常是采用專用測量設(shè)備及與之嚴(yán)格配套的測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如對WCDMA系統(tǒng)在進(jìn)行電波傳播測量時(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，但是對于復(fù)雜的測量參數(shù)較多的場合，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。

　　虛擬儀器對測量儀器發(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，成為測量技術(shù)開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)，自動(dòng)測量環(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電波傳播測量的特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)并成功應(yīng)用了基于虛擬儀器技術(shù)的新型電波傳播測控系統(tǒng)3 4G電波傳播測量系統(tǒng)概述

3.1 測量系統(tǒng)架構(gòu)

　　測量系統(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測量信號(hào)，發(fā)射端的功率放大器用于擴(kuò)展測量范圍。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)測過程中，接收信號(hào)功率與地理信息的實(shí)時(shí)測量結(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，從而保障測量滿足李氏定理?xiàng)l件，并且提高了測量效率。

圖2 測量系統(tǒng)框圖

3.2 測量系統(tǒng)指標(biāo)

表 1 電波傳播系統(tǒng)指標(biāo)

3.3 硬件接口

1. 測量信號(hào)：

RF信號(hào)：測量設(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 測量環(huán)境

表2 測量環(huán)境概況

4 電波傳播測量系統(tǒng)的測控技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　電波傳播測量系統(tǒng)測控技術(shù)分為信息采集模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊兩部分。采集模塊運(yùn)行于采集端的工業(yè)測控計(jì)算機(jī)上，可以完成頻譜儀采樣頻點(diǎn)配置，頻點(diǎn)功率采集與數(shù)據(jù)讀取和GPS 經(jīng)緯度信息讀取與識(shí)別以及存儲(chǔ)等功能。統(tǒng)計(jì)模塊用于采集完成數(shù)據(jù)中場強(qiáng)數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的整合對應(yīng)，每個(gè)GPS點(diǎn)的場強(qiáng)均值計(jì)算，覆蓋圖繪制和整體場強(qiáng)直方圖分布統(tǒng)計(jì)等功能。

4.1 信息采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　采集系統(tǒng)包括頻譜分析儀配置，場強(qiáng)采集和GPS信息同步采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列流程。模塊程序流程圖如3所示：

圖3 信息采集模塊程序流程圖

　　信息采集軟件模塊由信息采集工程項(xiàng)目文件構(gòu)成的，該工程目錄中包括：

　　1) 工程項(xiàng)目文件：記錄了信息采集工程項(xiàng)目下的所有文件的信息。

　　2) 信息采集界面文件：包含了信息采集程序中測量顯示界面上的繪圖框，參數(shù)輸入框，測量結(jié)果輸出框，操作按鈕等部件。

　　3) 工程頭文件：用于信息采集程序中顯示界面文件中面板、輸入輸出控件定義的頭文件。

　　4) 工程源文件：用于信息采集程序中顯示界面文件中面板、控件的消息響應(yīng)的處理函數(shù)。

　　5) 儀器驅(qū)動(dòng)文件：頻譜分析儀的驅(qū)動(dòng)庫文件。

4.2 統(tǒng)計(jì)分析模塊

　　統(tǒng)計(jì)模塊主要功能時(shí)通過計(jì)算完成覆蓋圖繪制和整體場強(qiáng)直方圖分布統(tǒng)計(jì)等。程序模塊流程圖如下：

圖4 統(tǒng)計(jì)分析模塊程序流程圖

4.3 對GPIB總線的控制

　　Lab windows/CVI 提供GPIB/IEEE488.2 函數(shù)庫對GPIB 總線、GPIB 板和GPIB 儀器進(jìn)行控制[8]。GPIB/IEEE488.2 函數(shù)庫提供一組高層通信控制函數(shù)，不需了解訪問GPIB 儀器和控制GPIB 總線底層協(xié)議，直接調(diào)用這些控制函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)對GPIB總線的控制[9]。并可利用底層函數(shù)庫對GPIB 進(jìn)行基本操作，以實(shí)現(xiàn)本測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的特定功能。

4.4 GUI（Graphic User Interface）設(shè)計(jì)

　　為達(dá)到對測量設(shè)備的程控，在主控計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬面板（如圖5所示），以對頻譜儀參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、跟蹤和顯示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在具備儀器設(shè)備面板所有功能基礎(chǔ)上，增加分析和數(shù)據(jù)保存功能，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)資料。虛擬頻譜儀利用Labwindows/CVI 提供的系統(tǒng)函數(shù)讀取頻譜儀的測量數(shù)據(jù)，為滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，讀取速度在100ms 左右。為能及時(shí)顯示所讀到的測量數(shù)據(jù)，需要用到PlotY 和DeleteGraphPlot 函數(shù)，用于曲線的顯示。ArrayToFile 函數(shù)將讀到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)文件中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)后處理及建模奠定了基礎(chǔ)。

圖5 電波傳播測量軟件系統(tǒng)主界面
5 結(jié)論

　　本文首次運(yùn)用虛擬儀器開發(fā)技術(shù)，以Lab windows/CVI 為開發(fā)平臺(tái)，完成了4G移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz新型電波傳播測控系統(tǒng)，本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從根本上解決了原有傳統(tǒng)的電波測量系統(tǒng)的靈活性低、可擴(kuò)充性差等缺點(diǎn)，為后續(xù)的開發(fā)奠定了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　本測控技術(shù)通過GPIB 接口的PSA的控制，實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程啟動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)獲取及信息保存。其控制方式方便靈活，簡化系統(tǒng)操作，滿足測量系統(tǒng)需求，同時(shí)，在實(shí)際的測量中所獲得的大量真實(shí)而寶貴的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的后處理分析及建模奠定了重要的基礎(chǔ)。