自動化毫米波信道測量與建模技術(shù)

段開源，劉成國+，張博涵，胡文韜，熊得安，周鴻錕

(1.武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 湖北省射頻微波應用工程技術(shù) 研究中心，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070)

0 引 言

為了解決5G通信中室內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的擁塞[1-3]，實現(xiàn)高速率、低時延要求，頻譜資源更豐富、可利用頻帶寬的毫米波，被作為關(guān)鍵技術(shù)引入5G通信。我國5G商業(yè)預留了26.5 GHz～29.5 GHz毫米波段作為推進5G后續(xù)建設(shè)的重點頻段[4]，5G涵蓋的各種物聯(lián)網(wǎng)場景頻率達到78 GHz～90 GHz[4,5]。這都需要5G毫米波信道特性的自動化測量和智能建模技術(shù)支撐[6-8]。

5G中要使用MIMO天線和波束成型技術(shù)，毫米波頻段測量建模的參數(shù)既需要傳統(tǒng)的路徑損耗，還引入角度擴展等新的信道參數(shù)。要求在傳統(tǒng)測量技術(shù)中增加各個方向的測量，使測量方式和建模技術(shù)變得更復雜，時間大幅延長[9-12]。利用先進計算機技術(shù)、商用編程儀器等，研發(fā)自動化測量和智能信道建模技術(shù)，成為移動通信新無線技術(shù)的一個重要研究方面[13-16]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成方案

信道測量是獲得無線信道特性的最直接有效方法，即通過大量的實際測量對實際電波環(huán)境中電磁信號傳播進行統(tǒng)計性信道建模[13,17]。常用信道測量系統(tǒng)一般分為頻域信道測量系統(tǒng)和時域信道測量系統(tǒng)，前者在信號的發(fā)射和接收上主要使用發(fā)射機和接收機一體的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，后者則使用矢量信號發(fā)生器和和頻譜儀進行信號的產(chǎn)生和采集。本文根據(jù)5G通信毫米波信道傳播損耗、角度參數(shù)的測量要求，選取時域測量技術(shù)實現(xiàn)控制5G不同頻段毫米波在各傳播方向上的自動化測量，形成基于測量數(shù)據(jù)的智能信道特性建模和自適應選出最優(yōu)信道模型的方法及其技術(shù)。

為實現(xiàn)這些功能，本文構(gòu)建的技術(shù)方案如圖1所示，共4個部分。第一部分是毫米波收發(fā)設(shè)備，選用具有程控功能的通用設(shè)備構(gòu)建，用于不同頻率毫米波信號的產(chǎn)生和接收。第二部分是可編程轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)不同角度路徑損耗的自動化測量。第三部分是上位機伺服系統(tǒng)，運行系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺的控制、接收數(shù)據(jù)的存儲記錄。第四部分是系統(tǒng)控制處理軟件，要求可對收發(fā)機的頻率、幅度和系統(tǒng)工作參數(shù)進行設(shè)置，能合理對系統(tǒng)各部分進行資源分配和實時調(diào)度，并根據(jù)計算機伺服系統(tǒng)中記錄存儲數(shù)據(jù)使用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagating arti-ficial neural network)進行智能建模，實現(xiàn)信道特性的自動分類建模，并輸出最優(yōu)模型參數(shù)，完成數(shù)據(jù)后處理。

圖1 技術(shù)方案

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本文選用是德科技信號發(fā)生器、頻譜分析儀和自主設(shè)計高精度天線轉(zhuǎn)臺，配置毫米波擴展部件，形成毫米波信道自動化測量和智能化建模技術(shù)的硬件系統(tǒng)，基本系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

2.1 毫米波收發(fā)設(shè)備

如圖2所示，本文選用是德科技E8267D矢量信號發(fā)生器、N9010A頻譜分析儀及其擴展部件作為收發(fā)設(shè)備。收發(fā)設(shè)備使用上位計算機控制，通過GPIB轉(zhuǎn)USB接口使用SPCI儀器指令對信號發(fā)生器和頻譜分析儀進行遠程控制，信號發(fā)生器產(chǎn)生線性頻率信號并由發(fā)射天線輻射后經(jīng)過相應傳播環(huán)境，最后由接收天線接收并由頻譜分析儀采樣存儲。系統(tǒng)基礎(chǔ)發(fā)收設(shè)備的輸出頻率為31.8 GHz、接收頻率為44 GHz，外部擴展組件為達到90 GHz的配置。

系統(tǒng)可配置至90 GHz的不同分段收發(fā)天線。本系統(tǒng)基礎(chǔ)配置為400 MHz～60 GHz的三分段喇叭天線3組。本文給出了使用18 GHz～40 GHz的一組天線的測試研究結(jié)果。該組天線和系統(tǒng)線纜在24 GHz和28 GHz的相應參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

2.2 天線轉(zhuǎn)臺

在使用方向天線進行信道測量的過程中，為了更好的對毫米波信道中到達角、角度擴展和多徑等小尺度參數(shù)進行測量，本文在C++平臺通過串口對設(shè)計的天線轉(zhuǎn)臺進行控制，以實現(xiàn)自動化控制測量過程中角度參數(shù)的控制與獲取。在機械結(jié)構(gòu)上為了減少金屬表面對電磁波的反射現(xiàn)象，轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)和固定螺絲使用光敏樹脂材料進行3D打印。使用微處理器、步進電機和自行設(shè)計的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)研發(fā)了如圖3所示的雙軸天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。

圖3 天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)框架

該天線轉(zhuǎn)臺使用STM32單片機為控制芯片，電機驅(qū)動使用三洋半導體公司PWM恒流控制雙極性步進電機驅(qū)動芯片LV8729V，步進電機使用扭矩為0.6 N*m、步進精度為1.8°的42步進電機。步進電機驅(qū)動電路如圖4所示，圖中芯片外圍供電電壓均由外部穩(wěn)壓芯片提供，第6、13、14引腳(ST/FR/STP)為外部邏輯輸入引腳，通過光耦隔離器與MCU相連接。MA1、MB1、MA2、MB2為電機驅(qū)動輸出端，輸出端電流大小可以通過21引腳(Vref)端的輸入電壓確定，計算公式如式(1)所示

(1)

本文驅(qū)動電路中R3阻值為0.2 Ω，所選擇42步進電機額定電流的大小為1.6 A，固選擇輸入電壓Vref=1.4 V，以確保步進電機正常工作。

圖4 步進電機驅(qū)動電路

在電機轉(zhuǎn)動過程中可以通過細分方法有規(guī)律的對步進電機A，B線圈中的電流進行正弦變化控制，實現(xiàn)對電機整步位移的分解，從而達到對步進電機更精確的控制。通過對LV8729V芯片7、8、9引腳的輸入電平控制可實現(xiàn)步進電機細分功能，本文根據(jù)系統(tǒng)測量時間，選擇步進電機細分方式為1/2細分。

如圖3所示，MCU控制端通過輸出PWM脈沖信號到電機驅(qū)動電路，最終驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。通過步進電機1實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺方位角的旋轉(zhuǎn)，步進電機2實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺仰角的旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)全方位全自動的測量。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件結(jié)合Qt在C++平臺上使用SCPI儀器指令對是德科技信號源E8267D、頻譜儀N9010A和自主設(shè)計天線轉(zhuǎn)臺進行整體系統(tǒng)控制，完成系統(tǒng)自動化測量，并在數(shù)據(jù)后處理中使用Matlab完成信道模型建模和最優(yōu)模型輸出。

3.1 SCPI收發(fā)設(shè)備控制軟件

3.1.1 控制語言

為了規(guī)范和方便不同的制造商的程控儀器的使用，電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)在上世紀90年代提出了可編程儀器標準命令SCPI(standard commands for programmable instruments)。該儀器控制指令在自動化測試設(shè)備的設(shè)計中具有很好的兼容性，在物理層電氣的連接上支持GPIB、RS232串口、以太網(wǎng)(LAN)、VXIbus等硬件總線；在軟件層面該儀器編程指令更是支持如C/C++、JAVA、FORTAN等多種編程語言，易于各種商用程控儀器測試程序的移植。其縮短了自動測試設(shè)備程序的開發(fā)時間，使得各式各樣的可編程自動化測試系統(tǒng)被廣泛應用到工業(yè)和社會生活的各個領(lǐng)域，極大地促進了電子測量系統(tǒng)的發(fā)展[18]。

3.1.2 程序流程和功能

系統(tǒng)整體控制流程如圖5所示。系統(tǒng)由電腦主機輸入各設(shè)備的接口信息、所需要測試的頻率、掃描方式、轉(zhuǎn)臺步進角度等系統(tǒng)參數(shù)和測量方式控制參數(shù)。測量中電腦主機首先對信號發(fā)生器進行設(shè)置，然后控制頻譜分析儀進行預采樣，驗證采樣信號的頻率與設(shè)置的頻率是否一致，并對50次采樣信號的平穩(wěn)度進行相應計算，若連續(xù)50次的預采樣存在較大的波動則直接反饋相應的信號并結(jié)束程序。當確定采樣信號為有效信號后，使用3.2節(jié)轉(zhuǎn)臺控制流程對轉(zhuǎn)臺進行旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)完成后系統(tǒng)控制信號發(fā)生器和頻譜分析儀完成相應測量頻段采樣，并將接收端得到的信號頻率和強度等信息存儲到電腦中。在完成所有測量工作后系統(tǒng)恢復原位置并停止。

圖5 系統(tǒng)流程

3.2 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)

天線轉(zhuǎn)臺控制的流程如圖6所示。由圖6可知微處理器MCU在接收到電腦主機發(fā)送的信號后，對信號按相應的字符進行讀取和分析，確定旋轉(zhuǎn)電機、旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度后，通過電機驅(qū)動對轉(zhuǎn)臺進行相應轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺完成轉(zhuǎn)

表2 天線轉(zhuǎn)臺串口通信信號格式

動后將通過串口向電腦主機回復相應的信號，電機轉(zhuǎn)動期間電腦主機不進行任何操作，在接收到MCU轉(zhuǎn)動成功的信號后電腦主機將通過SCPI儀器指令控制信號源產(chǎn)生相應頻段毫米波信號，并同時使用頻譜儀記錄此時的測量數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺角度，若轉(zhuǎn)動異常則直接結(jié)束程序的運行停止測量。

3.3 信道模型及智能建模流程

不同環(huán)境中毫米波傳播特性往往不同，對毫米波信道測量結(jié)果進行分析和提取是信道建模中的重要問題。國內(nèi)外各研究機構(gòu)在對毫米波大尺度路徑損耗的建模中使用自由空間鄰近參考距離模型(close-in free space reference distance path loss model，CI)或滑動截距模型(floating-intercept path loss model，F(xiàn)I)對室內(nèi)外環(huán)境路徑損耗進行建模，其中CI模型和FI模型表達式如式(2)和式(3)所示[5,6,17]

(2)

(3)

在使用CI模型或FI模型對典型環(huán)境中毫米波信道進行建模的過程中，往往只能對單一可視區(qū)域(line of sight，LOS)或非可視區(qū)域(non line of sight，NLOS)環(huán)境進行建模，而在LOS區(qū)域和NLOS區(qū)域共存的復雜室內(nèi)環(huán)境建模過程中其適用性往往較差。在復雜環(huán)境中為了對毫米波在LOS區(qū)域和NLOS區(qū)域傳播特性進行充分考慮，通常使用式(4)給出的分段模型進行建模

(4)

在實際信道建模過程中往往通過人為對實際信道測量結(jié)果進行判斷后才選取相對應的路徑損耗模型建模。本文在對毫米波大尺度損耗建模上，在Matlab數(shù)學處理軟件上使用誤差反向傳播的前饋BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對各種測量環(huán)境中大尺度信道模型路徑損耗因子進行特征提取，并實現(xiàn)對多類信道環(huán)境進行分類，最后根據(jù)分類結(jié)果選取合適信道模型對測量結(jié)果進行建模，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑損耗建模流程如圖7所示。

圖7 路徑損耗模型建模流程

由于不同類型的環(huán)境中接收天線的到達角往往不同，并且在只有LOS區(qū)域存在的傳播環(huán)境和LOS與NLOS共存的復雜傳播環(huán)境中建模模型的路徑損耗因子和陰影衰落往往也各具差異。將這類具有非線性特征的信道參數(shù)供BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學習，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效對不同類型環(huán)境進行分別。系統(tǒng)在建模過程中會根據(jù)發(fā)射天線的離開角和接收天線到達角判斷該系統(tǒng)中的主要傳播環(huán)境機制，并根據(jù)利用大量實測數(shù)據(jù)構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實測數(shù)據(jù)進行分類，在確定環(huán)境類別后使用相應的模型對該路徑損耗進行建模，最后輸出與測量結(jié)果相適應的路徑損耗模型。

4 性能分析

本文成功研發(fā)上述軟硬件，集成為整體系統(tǒng)，聯(lián)機調(diào)試成功。為分析本文提出技術(shù)和實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。將系統(tǒng)在微波暗室和商用系統(tǒng)進行了天線方向圖測試比對說明方向測量性能，在實際走廊環(huán)境中對22 GHz～29 GHz毫米波信號進行了信道的測量和建模，驗證信道參數(shù)自動測量性能和智能建模的效果。

4.1 方向測量性能

方向測量使用天線轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)，為說明其性能，設(shè)計了對比實驗測試。使用該天線轉(zhuǎn)臺在微波暗室中對標準喇叭天線的天線方向圖進行相應測量，然后與商用DAMS7000天線轉(zhuǎn)臺的相同測量作對比。

在微波暗室中對18 GHz～40 GHz標準喇叭天線做了天線方向圖對比測量。圖8繪出了28 GHz的方向圖測量結(jié)果。圖中虛線為商用轉(zhuǎn)臺測量結(jié)果，實線為本文設(shè)計轉(zhuǎn)臺測量結(jié)果，圖8(a)和圖8(b)分別為28 GHz喇叭天線E面和H面歸一化方向圖測量結(jié)果。

圖8 28 GHz天線方向圖實際測量結(jié)果

由圖8中可以看出本文使用的標準喇叭天線具有較好的方向性。表3給出了方向圖歸一化后、本文轉(zhuǎn)臺與商用轉(zhuǎn)臺之間不同步進間隔下24 GHz和28 GHz的平均測量誤差，可以看出在主瓣方向-30°～30°范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)臺步進精度為9°時的測量誤差約在-0.0249～-0.0506，步進精度為4.5°時的測量誤差約在-0.0235～-0.0208?？梢娫撓到y(tǒng)用于實際信道環(huán)境測量中，可以獲得較高的方向精度。

4.2 BP智能建模

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳播的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以通過輸出層與實際數(shù)據(jù)之間的誤差對網(wǎng)絡(luò)中隱含層權(quán)值和閾值進行調(diào)整，最終實現(xiàn)期望輸出的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法[19]。針對毫米波在LOS與NLOS共存環(huán)境中應用，各區(qū)域中路徑損耗具有不同路徑損耗因子的建模困難，本文對多種該類環(huán)境中毫米波路徑損耗建模結(jié)果使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學習，構(gòu)建了可以區(qū)分LOS區(qū)域與NLOS區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)。

表3 本文轉(zhuǎn)臺與商用轉(zhuǎn)臺的測量平均誤差

建模技術(shù)中構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含6個輸入?yún)?shù)，9個隱含神經(jīng)元，1個輸出參數(shù)。輸入層參數(shù)包含根據(jù)路徑損耗實測值所提取的路徑損耗因子n和損耗系數(shù)β。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練中，訓練數(shù)據(jù)集對所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著直接影響，但實際信道測量數(shù)據(jù)往往有限，由于無線信道中陰影衰落可以表示在一定范圍或時間內(nèi)信道大尺度損耗的波動，所以在測量數(shù)據(jù)不足時可利用陰影衰落對所測量的路徑損耗進行數(shù)據(jù)擴展，故使用LOS與NLOS區(qū)域共存環(huán)境中路徑損耗實測結(jié)果和文獻[5-7]中的部分測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擴充后形成200組訓練樣本對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練。并使用文獻[20-24]中的實測數(shù)據(jù)對已訓練完畢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行驗證，圖9為本文建模技術(shù)中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對驗證數(shù)據(jù)集的區(qū)分結(jié)果。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型測試數(shù)據(jù)集預測結(jié)果

圖9中縱坐標為預測類型，當預測值接近1時為僅存在LOS的傳播環(huán)境，預測值等于2時為LOS與NLOS共存的復雜環(huán)境，橫坐標為文獻[20-24]實測路徑損耗結(jié)果所構(gòu)成的樣本(共8組)。其中第6組和第8組樣本為LOS與NLOS區(qū)域共存?zhèn)鞑キh(huán)境中的路徑損耗測量數(shù)據(jù)(文獻[23,24]中數(shù)據(jù))。其余為僅存在LOS區(qū)域的傳播環(huán)境，可以看出本文所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效區(qū)分部分典型毫米波傳播環(huán)境，能針對不同環(huán)境的特征使用特定信道模型進行建模。

4.3 實際走廊環(huán)境測試

使用該系統(tǒng)對走廊環(huán)境進行了自動化測量。測量中計算機控制收發(fā)設(shè)備在22 GHz～29 GHz毫米波頻段進行線性掃頻、控制天線轉(zhuǎn)臺驅(qū)動窄波束喇叭天線間隔18°進行轉(zhuǎn)動。測量實際環(huán)境如圖10所示(圖中嵌入的是控制軟件的控制界面)，接收天線以等距離d=1.1 m為間隔進行測量，每個測量位置接收天線在各方向均采樣100次。

圖10 實際測試環(huán)境

測量完成后使用Matlab對測量環(huán)境中不同頻點測量數(shù)據(jù)的離開角、平均到達角、角度擴展等信道參數(shù)進行分析提取。本文選取其中24 GHz和28 GHz兩個頻率的結(jié)果作以說明。平均到達角和角擴展見表4，可以看出走廊環(huán)境中傳播主要以視距傳播為主，平均到達角均接近0°方向，即指向發(fā)射天線、角度擴展分別為54.45°和58.84°。

在大尺度路徑損耗建模結(jié)果中，系統(tǒng)自動對走廊環(huán)境中所測量的路徑損耗結(jié)果進行處理，并根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智

表4 走廊環(huán)境信道平均到達角和角度擴展

能建模結(jié)果得到了如表5所示的視距環(huán)境下路徑損耗CI模型、FI模型、多頻率ABG模型的建模結(jié)果?？梢钥闯鱿到y(tǒng)輸出的模型為單斜率模型。24 GHz的CI模型和FI模型的路徑損耗因子分別為1.352和1.182，而28 GHz的CI模型和FI模型的路徑損耗因子分別在1.442和1.334，均較自由空間中的路徑損耗n=2小，符合走廊環(huán)境中四周封閉的類波導結(jié)構(gòu)物理機制。由于CI模型具有實際物理意義，在自適應建模過程中結(jié)合各模型所設(shè)置閾值，系統(tǒng)最終輸出模型為CI模型。

表5 走廊環(huán)境路徑損耗建模結(jié)果對比

為了驗證該系統(tǒng)自適應建模適用性，使用該自適應建模單元對其它文獻中的路徑損耗測量結(jié)果進行了建模，建模結(jié)果見表6。

表6 其它文獻中路徑損耗自適應建模結(jié)果

由表6中建模結(jié)果和實際測量結(jié)果可以看出，在LOS傳播環(huán)境中系統(tǒng)自適應輸出模型為單斜率FI模型，與原文獻[20,22]中建模結(jié)果相符，在LOS-NLOS復雜室外傳播環(huán)境中，由于NLOS區(qū)域的存在導致在該區(qū)域路徑損耗急劇增加，自適應單元也選擇了合適的分段FI模型進行建模，并輸出了路徑損耗變化的斷點約在距離發(fā)射天線76.9 m處，與實際結(jié)果基本相符。

上述結(jié)果說明，本系統(tǒng)可以在典型毫米波傳播環(huán)境中進行多頻段信道自動化測量，獲得相應信道角度參數(shù)，并且可通過角度擴展、路徑損耗因子、陰影衰落等信道參數(shù)對建模結(jié)果進行判別并輸出最終優(yōu)選模型，對實際信道測量具有實際價值。

5 結(jié)束語

本文研究了5G毫米波信道特性自動化測量和智能建模技術(shù)，形成了一種方案并構(gòu)建了原型系統(tǒng)。本系統(tǒng)由信號發(fā)生器、頻譜分析儀和天線轉(zhuǎn)臺構(gòu)成，解決了系統(tǒng)整體控制、高精度控制轉(zhuǎn)臺和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能建模技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)調(diào)試和整體性能驗證表明，該系統(tǒng)可對毫米波信道路徑損耗、平均到達角、角度擴展等參數(shù)進行測量，能給出多種模型的建模結(jié)果，具有在給定判據(jù)特征情況下自適應輸出最優(yōu)模型及其參數(shù)的能力。表明可以在未來5G毫米波典型應用場景進行信道測量。

本文仍然可以使用SCPI儀器對系統(tǒng)信號實現(xiàn)多種方式的調(diào)制，在未來研究中對信號的時延特性和多普勒頻移等小尺度參數(shù)進行進一步研究。