基于虚拟仪器技术的波传播测量系统的设计

1简介

随着移动用户数量的增加，对数据量的需求也呈现出巨大的增长，而现有的移动通信频段已不能满足日益增长的对宽带移动通信的需求. 因此，从系统角度出发，寻找适合于无线通信的新频带变得越来越紧迫. 考虑到各种因素，例如频带资源，技术设备，运营成本等，3.5 GHz频带作为国际电联第四代（4G）移动通信系统IMT-Advanced的候选频带之一频谱会议，已经成为研究的热门频段. 对候选频带的传播模型的研究也提到了一个非常重要的高度. 积极推进未来移动通信候选频段的研究，对于促进我国自主无线通信技术的发展具有重要意义.

通常，无线传播模型仅客观地反映了在修正模型的区域中波传播的衰落规律. 实际上，由于每个区域的地形差异很大，因此不再可能使用单个传播模型执行统一的覆盖范围计算. 决定当将模型应用于其他区域时，必须校正模型的某些参数，即传播模型校正. 同时，要完成蜂窝移动通信系统的小区规划和优化，必须有一个合适的场强覆盖测量系统来完成一系列的参数，例如场强和功率测量.

因此，实际环境对无线信号的覆盖范围有重要影响. 无线信号的衰落和多径分布将直接影响宽带无线移动通信系统的链路预算和系统性能，因此实际情况下的无线传播信号测量和统计尤为重要. 这将是后续系统单元规划，链路预算和算法设计的重要参数.

在这方面，我们结合了IMT-Advanced候选频段的波环境特性，对新一代无线通信系统的波传播特性进行了测量和建模. 该研究将促进关键宽带移动通信技术在实际环境中的网络应用.

目前，我国的4G移动通信研究FuTURE项目（863项目）已成功实施了3.5GHz频段宽带移动通信的现场测试. 该测试使用分布式技术来有效克服波传播衰减对宽带系统性能的影响. 在此基础上，本文采用先进的虚拟仪器编程语言LabWindows / CVI为未来的宽带无线移动系统设计并实现了3.5GHz的波传播特性测控系统，为进一步获取波的传播损耗提供了条件. 中国这种类型的场景的实测模型. 大量的实测数据被用来协助中国的频谱管理机构进行新一代移动通信频谱技术的研究.

本文的第2部分首先介绍了虚拟仪器技术以及2G和3G波传播测量系统的实现；第三节提出了4G移动通信系统IMT-Advanced候选频段3.5GHz波传播测控技术的设计方法;第4节介绍了提取测控系统的功能结构，包括海量测量数据的存储技术等. 第5节测控系统运行及测量数据结果；最后给出了研究结论.

2传统波传播测量和虚拟仪器开发技术

在移动通信系统中，由于移动台的连续运动，传播信道不仅受到多普勒效应的影响，而且还受到地形和地面特征的影响. 另外，不能忽略移动系统本身的干扰和外部干扰. 基于移动通信系统的上述特征，难以进行严格的理论分析，并且经常需要近似和简化传播环境，这使得理论模型误差更大. 传统移动通信系统最著名的统计模型是Okumura模型，它是一种基于日本Okumura在大量测量基础上以图形表示的传播模型. 基于Okumura模型，使用回归方法来拟合便于计算机计算的分析经验公式. 这些经验公式包括适用于GSM900宏蜂窝的Okumura-Hata公式，以及适用于GSM1800宏蜂窝的Hata扩展公式. 此外，还有用于微蜂窝的Walfisch公式和用于室内传播环境的Keenan-Motley公式. 这些经验公式计算起来很复杂，并且与实际环境存在较大或较小的误差. 因此，在实际的场强预测中，通常将改进的Okumura-Hata模型用作预测模型，并将计算机用于辅助预测. 在总体测控技术规划中，对上述公式进行修正后，即可测量出本地实际无线环境的无线传播特性.

当前集成到测量和控制计划中的商用射线追踪模型（例如Volcano模型，WaveSight模型和WinProp模型）是通过理论分析方法研究传播模型的代表，但是此类模型需要高精度（至少5m精度）对于包含3D建筑信息的数字地图，模型预测的准确性与数字地图的准确性和准确性密切相关. 当前的理论分析方法不能考虑影响无线信号传播的因素，例如移动的车辆. 此外，一般的理论分析方法要求对传播环境进行一定的近似和简化，这也引入了一定的误差. 目前，基于理论分析方法的传播模型尚未得到广泛应用.

对于波传播测量的关键-测量数据的获取，通常是通过使用专用的测量设备和严格匹配的测量技术来实现的. 例如，当测量WCDMA系统的波传播时，该公司生产的E7476A设备将使用Agilent实现. 系统结构如下:

图1基于E7478A的路测系统

从上图不难看出传统仪器的功能是由仪器制造商定义和制造的硬件和软件实现的. 在确定系统功能时，它还确定用户无法更改它. 尽管随着微电子技术的发展，传统仪器的准确性，功能和性能一直在不断提高，但是使用起来非常不便，并且当有许多复杂的测量参数时，限制变得更加明显. 随着虚拟仪器技术的兴起，计算机技术和仪器技术完美地结合在一起，充分利用计算机技术来实现或增强传统仪器的功能. 同时，虚拟仪器具有结构简单，开发周期短，系统可扩展，维护方便，性价比高的特点. 同时，连接网络和设备非常方便，有利于数据处理和信息共享.

虚拟仪器对测量仪器开发的深远意义在于，用户可以根据自己的需求通过设计软件来定义和扩展其功能，而不是只能由制造商和制造商预先定义的传统仪器. 无法更改[5]. 这样，用户不必购买多个不同功能或集成了多个功能的昂贵的传统乐器，也不必不断购买新乐器. 由于虚拟仪器技术可以与计算机同步开发，并且可以与网络和其他外部设备互连，因此用户只需要根据需要更改软件程序即可连续提供或扩展其功能，

LabWindows / CVI是一种用于虚拟仪器的编程语言，是National Instruments开发的Measurement Studio软件组的成员. 它是面向计算机测量和控制领域的32位虚拟软件开发平台，可以在多种操作系统（例如Windows 98 / NT / 2000 / XP，Mac OS和Unix等）下运行. [6]

LabWindows / CVI以ANSI C为核心，将强大，灵活且广泛使用的C语言与的测量和控制工具有机地结合在一起，以实现数据收集，分析和显示. 此外，其集成的开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，使LabWindows / CVI更加强大和易于使用，并成为测量技术开发商建立检测系统. 自动测量环境，数据采集系统，过程监视系统等的首选开发环境. [7].

因此，考虑到4G移动通信系统IMT-Advanced候选频段中3.5GHz波传播测量的特性，我们设计并成功应用了基于虚拟仪器技术的新型波传播测量和控制系统. 3 4G波传播测量系统概述

3.1测量系统架构

测量系统包括发射器和两部分，如图2所示. 发射端包括信号发生器，功率放大器和发射天线. 安捷伦ESG信号发生器产生3.5GHz连续波测量信号，发射器处的功率放大器用于扩展测量范围. 接收端由频谱，控制计算机和GPS系统组成. Agilent PSA频谱具有噪声低，采样率高以及GPS采样点的地理坐标的特点.

在实际测量过程中，通过控制计算机上开发的虚拟仪器技术，将接收到的信号功率和地理信息的实时测量结果同步并自动存储，以确保测量满足以下条件: 李定理和提高测量效率.

图2测量系统框图

3.2测量系统指标

表1波传播系统指标

3.3硬件接口

1. 测量信号:

RF信号: 测量设备天线的前端-频谱的输入

RS232输出: GPS输出实时GPS信息

2. 控制信号:

GPIB总线: 用于控制频谱和功率计

3.4测量环境

表2测量环境概述

4波传播测量系统测控技术的实现

波传播测量系统的测控技术分为两部分: 信息获取模块和统计分析模块. 采集模块在采集端的工业测控计算机上运行，​​可以完成频谱的采样频率配置，频点功率采集和数据读取以及GPS纬度信息的读取和识别以及存储. 统计模块用于收集并完成场强数据和GPS数据的集成，计算每个GPS点的平均场强，绘制覆盖图和总体场强直方图分布统计信息.

4.1信息收集模块的设计与实现

采集系统包括一系列过程，例如频谱配置，场强采集以及GPS信息同步采集和数据存储. 模块程序流程图如图3所示:

图3信息收集模块程序流程图

信息收集软件模块由信息收集项目文件组成，项目目录包括:

1）项目文件: 记录信息收集项目下所有文件的信息.

2）信息采集界面文件: 在信息采集程序的测量显示界面上，包含绘图框，参数输入框，测量结果输出框，操作按钮等组件.

3）项目头文件: 用于在信息收集程序的显示界面文件中定义面板以及输入和输出控件的头文件.

4）项目源文件: 信息收集程序中显示界面文件中面板和控件的消息响应的处理功能.

5）仪器驱动程序文件: 频谱的驱动程序库文件.

4.2统计分析模块

统计模块的主要功能是通过计算完成覆盖图绘制和整体场强直方图分布统计. 程序模块流程图如下:

图4统计分析模块程序流程图

4.3 GPIB总线的控制

实验室窗口/ CVI提供GPIB / IEEE488.2功能库，用于控制GPIB总线，GPIB板和GPIB仪器. GPIB / IEEE488.2函数库提供了一组高级通信控制功能. 您无需了解对GPIB仪器的访问权限，也无需控制GPIB总线的底层协议. 您可以直接调用这些控制功能来控制GPIB总线[9]. 并可以使用基础功能库对GPIB执行基本操作，以实现测量系统设计中的特定功能.

4.4 GUI（图形用户界面）设计

为了实现对测量设备的程序控制，在主控制计算机上设计并实现了一个虚拟面板（如图5所示），以设置，跟踪和显示频谱的参数，并保存数据. 在面板的所有功能的基础上，添加了分析和数据保存功能，以为后续工作提供数据. 虚拟频谱使用Labwindows / CVI提供的系统功能来读取频谱的测量数据. 为了满足数据存储要求，读取速度约为100ms. 为了及时显示读取的测量数据，曲线显示需要PlotY和DeleteGraphPlot函数. ArrayToFile函数将读取的数据存储在指定的数据文件中，为后续的数据后处理和建模奠定基础.

图5波传播测量软件系统的主界面

5结论

本文首次使用虚拟仪器开发技术，以Lab windows / CVI为开发平台，完成了4G移动通信系统IMT-Advanced候选频段3.5GHz新型波传播测控系统. 该系统的实现从根本上解决了这个问题. 传统的波测量系统具有灵活性低，可扩展性差等缺点，为后续的开发奠定了坚实的技术基础.

这种测控技术通过GPIB接口对PSA的控制，实现了仪器的远程启动，参数设置，数据采集和信息存储. 它的控制方法方便灵活，简化了系统操作，满足了测量系统的需求. 同时，在实际测量中获得的大量真实有价值的数据为数据后处理分析和建模奠定了重要基础.

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