基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法
技术领域
本发明涉及无线信道空间域
技术领域
，尤其涉及一种基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法。背景技术
无线信道测量是研究无线信道传播特性最直接的手段，信道测量的基本原理是发射机发送已知的激励信号，接收机分析无线信道对发射信号的影响。在信道探测中，可以观察不同时延的多径信号以及信号叠加后的幅度和相位变化，用于信道测量的发射机和接收机构成了信道测量系统(或信道探测仪)。信道探测仪发射并检测经信道传输的电磁波，确定信道冲激响应或信道频率响应。
对于无线通信系统来说，信道的空间域信息是其研究的重点，对其空间域参数特征进行分析可以为无线通信网络的部署等实际应用问题提供参考，而角度域是表征空间域信息的重要参数。在massive MIMO系统中，信道信息在原来的时域频域二维空间拓展到时域频域空域三维空间，因此，在大规模多天线通信系统的研究中，不仅要对无线信道的路损、时延等参数特性进行分析，还必须研究有关角度的统计特性，如离开角和到达角、角度功率谱等。电磁波在离开天线阵列时，传播方向与天线阵列方向会有一个夹角，称之为离开角。当电磁波到达接收端天线阵列时，传播方向与接收端天线阵列所构成的夹角称为到达角。
目前，信道空间域特征的研究多是采用定向机械旋转喇叭天线、大规模并行天线阵列、含切换单元的天线阵列或虚拟天线阵列等。以上几种方式存在的缺陷在于：定向机械旋转喇叭天线需要手动旋转，耗时耗力，效率低下；大规模并行天线阵列需保证所有天线同时收发信号(并行)，数据采集较复杂，硬件要求高，设备昂贵；含切换单元的天线阵列切换单元存在切换时间间隙；虚拟天线阵列需要移动天线位置且保持精准的空间结构。
因此，需要一种可以既能够达到较高的测量效率，又能够降低测量成本的角度功率谱测量方法。
发明内容
本发明提供了一种基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法，包括：
搭建基于相控阵的无线信道测量系统，并确定所述无线信道测量系统可测的多径动态范围；
通过所述无线信道测量系统发射和接收不同波束指向的探测信号；
对所述探测信号进行空包连续采集，提取定向信道冲激响应；
根据所述的定向信道冲激响应确定噪声分量门限，采用峰值检测法，提取噪声分量门限以上的多径分量MPCs；
对不同方向的MPCs进行时延域对齐，采用峰值检测法，确定不同方向的MPCs角度域峰值；
根据不同方向的MPCs角度域峰值对不同方向的MPCs设定旁瓣门限，提取主瓣方向的MPCs；
根据所述的多径动态范围，提取主瓣方向的MPCs中有效MPCs，获得多径时延角度功率谱。
优选地，基于相控阵的无线信道测量系统包括发射端和接收端；
所述发射端包括：射频信号源、发射相控阵天线和第一同步模块；所述接收端包括：接收相控阵天线、射频模块、数据采集模块、第二同步模块、存储模块和数据后处理模块；
所述射频信号源，用于发射射频信号；
所述发射相控阵天线，为可形成窄波束的大规模天线阵列，用于发射不同波束指向的探测信号；
所述第一同步模块，用于采用铷钟同步为所述射频信号源提供频率参考；
所述接收相控阵天线，为可形成窄波束的大规模天线阵列，用于接收不同波束指向的探测信号；
所述射频模块，用于将接收到的射频信号转换为中频信号，并对所述中频信号进行放大和滤波；
所述数据采集模块，用于通过模拟数字转换器实现放大和滤波后的中频信号的带通采样，完成中频数字信号的采集；
所述第二同步模块，用于采用铷钟同步为所述射频模块和数据采集模块提供频率参考；
所述存储模块，用于对采集的中频数字信号进行存储；
所述后处理模块，用于对中频数字信号进行离线处理，将中频信号下变频至基带，得到基带信号；对基带信号和已知激励信号进行符号同步，得到信道频率响应，然后通过傅里叶逆变换处理得到信道冲激响应。
优选地，无线信道测量系统可测的多径动态范围的确定方法包括：分别计算发射相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，接收相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，并将两者的差值求和来确定。
优选地，通过所述无线信道测量系统发射和接收不同波束指向的探测信号，包括：无线信道测量系统的发射和接收相控阵通过电子扫描结合机械旋转的方式发射和接收不同波束指向的探测信号，通过控制波束指向，水平转动改变相控阵朝向，实现全向波束扫描。
优选地，对所述探测信号进行空包连续采集，提取定向信道冲激响应，包括：对所述探测信号进行连续采集数据包，控制数据包的断续存储，非存储时刻空采数据包，每个包中的数据长度设置为发送序列长度的整数倍，提取包含发射端的离开角和接收端的到达角的角度信息的信道冲激响应。
优选地，根据所述的定向信道冲激响应确定噪声分量门限，包括：采用静态或动态门限法确定噪声分量门限。
优选地，对不同方向的MPCs进行时延域对齐，包括：通过完成接收信号的帧同步，寻找接收信号的帧头，以帧头为参考点，按照固定帧长度提取多个完整帧符号，将帧符号按照时间排列。
优选地，根据不同方向的MPCs角度域峰值对不同方向的MPCs设定旁瓣门限，提取主瓣方向的MPCs，包括：分别计算发射相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，接收相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，并根据两者的差值的最小值来确定旁瓣门限的设定值，旁瓣门限以下的多径作为旁瓣接收到的无效多径，提取主瓣方向的MPCs。
优选地，多径时延角度功率谱，包含：多径的时延、功率、离开角信息和到达角信息。
由上述本发明的基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法提供的技术方案可以看出，本发明的成本和复杂度较低，可适用于静态场景的多径时延角度功率谱的测量，对空间域信道特性分析与建模具有重要意义。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例提供的一种基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法流程图；
图2为本实施例的基于相控阵的无线信道测量系统原理图；
图3为实际测量时控制波束指向的操作流程示意图；
图4为算例一的10米法电波暗室场景测量结果示意图；
图5为算例二的实际室内环境场景测量结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
图1为本实施例提供的一种基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法流程图，参照图1，该方法包括：
S1搭建基于相控阵的无线信道测量系统，并确定所述无线信道测量系统可测的多径动态范围。
图2为本实施例的基于相控阵的无线信道测量系统原理图，参照图2，基于相控阵的无线信道测量系统包括发射端和接收端。
发射端包括：射频信号源、发射相控阵天线和第一同步模块；所述接收端包括：接收相控阵天线、射频模块、数据采集模块、第二同步模块、存储模块和数据后处理模块。
射频信号源，用于发射射频信号。
发射相控阵天线，为可形成窄波束的大规模天线阵列，用于发射不同波束指向的探测信号。
第一同步模块，用于采用铷钟同步为所述射频信号源提供频率参考。
接收相控阵天线，为可形成窄波束的大规模天线阵列，用于接收不同波束指向的探测信号。
射频模块，用于将接收到的射频信号转换为中频信号，并对所述中频信号进行放大和滤波。该射频模块采用固定增益模式而非自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)模式，可通过软件控制来调整增益大小。
射频模块通过低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、带通滤波器(Band-Pass Filter，BPF)与下变频器将射频信号转换为中频信号，并采用固定增益模式，然后数据采集模块通过ADC完成放大和滤波后的中频信号的带通采样，存储至硬盘。
数据采集模块，用于通过模拟数字转换器(Analog to Digital Converter，ADC)实现中频信号的带通采样，完成中频数字信号的采集。数据采集模块的采样率通过带通采样定理计算得到，需满足带通采样定理才能够无失真的完成信号恢复，根据带通采样定理，若采样率为fs，那么满足下式(1)：
其中，m为整数，且m小于或等于fL/(fH-fL)，N为整数，且N小于或等于fH/(fH-fL)，fH与fL分别为信号的最低频率与最高频率，则用满足式(1)的采样频率fs进行等间隔采样后，就能通过频谱搬移无失真的恢复原始信号。示意性地，对于中心频点为f0＝180MHz，带宽为B＝100MHz，中频信号，数据采集模块采样率取fs＝500MHz。
第二同步模块，用于采用铷钟同步为所述射频模块和数据采集模块提供频率参考。
存储模块，用于对采集的中频数字信号进行存储；需保证存储硬盘的最低存储速率大于数据采集模块采集数据的速率，以满足数据连续存储。
后处理模块，用于对中频数字信号进行离线处理，将中频信号下变频至基带，得到基带信号；对基带信号和已知激励信号进行符号同步，得到信道频率响应，然后通过傅里叶逆变换处理得到信道冲激响应。
通过DDC和LPF得到基带信号；对基带信号进行符号同步，寻找帧头，接收基带信号记为Y(f)，本地多载波激励信号记为X(f)，该激励信号的共轭记为X*(f)；通过下式(2)的接收基带信号与本地激励信号的共轭的频域计算得到信道频率响应：
相控阵为大规模天线阵列，利用阵元之间信号功率的相互叠加，相位的相互干涉，形成窄波束。
无线信道测量系统可测的多径动态范围的确定方法包括：分别计算发射相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，接收相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，并将两者的差值求和来确定。
S2通过所述无线信道测量系统发射和接收不同波束指向的探测信号。
无线信道测量系统的发射和接收相控阵通过电子扫描结合机械旋转的方式发射和接收不同波束指向的探测信号，通过控制波束指向，水平转动改变相控阵朝向，实现等间隔的全向波束扫描。能够直接覆盖90°扇区，且测量时通过将相控阵多次物理转向90°，可实现360°信道冲激响应的获取。实际测量时控制波束指向的操作流程如图3所示，每当90°扇区测量完成后，将相控阵物理转向90°，重复图3中的操作，直至完成360°的信道测量。
S3对所述探测信号进行空包连续采集，提取定向信道冲激响应。
通过对所述探测信号进行连续采集数据包，控制数据包的断续存储，非存储时刻空采数据包，每个包中的数据长度设置为发送序列长度的整数倍，提取包含发射端的离开角和接收端的到达角的角度信息的信道冲激响应。采集模式为空包连续采集，虚拟连续存储，即连续采集数据包，通过PC控制断续存储。
具体为，信道测量得到的定向信道冲激响应包含n个离开角方向和n个到达角方向，共计n×n个方向性信道冲激响应，其中，n取决于波束扫描间隔和测量扇区角度范围。
由上位机软件获取波束指向，则可计算方向性信道频率响应，如下式(3)所示：
信道冲激响应可由下式(4)的信道频率响应通过傅里叶逆变换处理获取。
h(φTX,φRX,τ)＝FFT-1(H(φTX,φRX,f)) (4)
其中，φTX表示发射相控阵波束指向，φRX表示接收相控阵波束指向，φTX,φRX∈[0,360°]，τ表示多径时延。
S4根据定向信道冲激响应确定噪声分量门限，采用峰值检测法，提取噪声分量门限以上的多径分量(MPCs,Multi-Path Components)。
采用静态或动态门限法确定噪声分量门限，记为滤除功率小于噪声分量门限的值。对功率大于噪声分量门限的值采用峰值检测法搜索其峰值，每个峰值定义为一径，保留峰值。
S5对不同方向的MPCs进行时延域对齐，采用峰值检测法，确定不同方向的MPCs角度域峰值。
通过完成接收信号的帧同步，寻找接收信号的帧头，以帧头为参考点，按照固定帧长度提取多个完整帧符号，将帧符号按照时间排列，完成对不同方向的MPCs进行时延域对齐。
S6根据不同方向的MPCs角度域峰值对不同方向的MPCs设定旁瓣门限，提取主瓣方向的MPCs。
为了后续消除旁瓣的影响，通过空包连续采集获取的定向信道冲激响应，均具有相同的参考时间，因此保证了定向信道冲激响应的时延域能够对齐，无需进一步校正。
在不同方向的MPCs时延域对齐后，对相同时延的MPCs进行峰值检测，即首先对不同离开角、相同到达角的相同时延MPCs进行峰值搜索，保留峰值，然后针对该峰值下的不同到达角、相同离开角的相同时延抽头再次进行峰值搜索，保留峰值，得到角度域峰值。
由于相控阵产生的窄波束既有主瓣，也有旁瓣，旁瓣接收到的多径被认为是无效的，即角度域峰值中包含无效的MPCs。分别计算发射相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，接收相控阵的主瓣增益与旁瓣增益的差值，并根据两者的差值的最小值来确定旁瓣门限的设定值，主瓣与旁瓣增益差值记为σdB。为消除旁瓣影响，将每个时延下的最强峰值记为旁瓣门限则为提取[Pi max-σ,Pi max]范围内主瓣方向的MPCs。
S7根据多径动态范围，提取主瓣方向的MPCs中有效MPCs，获得多径时延角度功率谱。
多径时延角度功率谱，包含：多径的时延、功率、离开角信息和到达角信息，经过处理可获取多径的功率时延谱、角度功率谱，从功率域、时延域和角度域三个维度反映了无线信道的特征。
提取的主瓣方向的MPCs求最强功率，记为Pmax。由于收发两端均采用了相控阵，由步骤S1得到系统可测的多径动态范围大小为2σdB，则将所有时延下MPCs功率在[Pmax-2σ,Pmax]范围内的MPCs保留为最终有效的MPCs，得到多径的时延角度功率谱，记为PADP(PowerAngular Delay Profile)。
当不考虑多径角度时，全向信道的功率时延分布(Power Delay Profile，PDP)可由下式(5)得到：
当不考虑多径时延时，角度功率谱计算如下式(6)所示：
为了验证上述的方法，本实施例采用该方法进行了如下的两个具体算例，实验具体参数如下：
相控阵使用16×4的大规模天线阵列，即四行十六列，相控阵发射/接收波束主瓣比旁瓣至少强σ＝10dB。测量信道中心频点为3.35GHz，带宽为100MHz，测量90°扇区，扫描间隔为5°，共计19×19＝361个方向的信道冲激响应。噪声门限采用静态门限法，取低于最高功率25dB的值。
算例一、10米法电波暗室测量验证
在10米法电波暗室中进行了特定场景的测量验证，为了突显场景的特殊性，在测量时布置了反射体，反射体和相控阵摆放位置如图4-(a)所示。图4-(b)为多径时延角度功率谱图，最终提取的有效多径，在离开角为20°，到达角为-35°时出现了直射径，在离开角为-5°，到达角为20°时出现了较强的反射径，时延为10ns，传播距离差为3m，该位置存在金属反射体，与场景反射体分布匹配。
算例二、实际室内环境场景测量
在实际室内环境中，相控阵摆放朝向如图5-(a)所示，当发射波束指向5°，接收波束指向-5°时，相控阵出现主波束直射的状态。如图5-(b)所示，在离开角为5°、到达角为-5°时出现直射径，该径的功率最强，并分别在离开角和到达角为[15°,-25°]、[10°,0°]、[-5°,-5°]、[5°,15°]、[40°,30°]时出现多径，最高时延达到20ns，即多径最大距离差为6m。
综上所述，上述两个实验验证了基于相控阵的多径时延角度功率谱测量方法的实际应用性，利用相控阵窄波束的优点，通过波束扫描，测量获取方向性信道冲激响应，消除噪声、波束重叠及旁瓣影响，获取多径时延角度功率谱。本方法具有方便性、准确性、高效性等，为无线通信的信道空间特性研究及信道建模提供了参考。
本领域技术人员应能理解上述应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
