移动通信衰落测试解决方案

移动通信衰落测试解决方案1.概述：移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约。收发系统之间的传播路径损耗非常复杂：视距、衰落、多径和随机变化是无线信道的基本特征。衰落信道作为移动通信中的环境条件，对通信系统的影响非常显著甚至是具有决定性的作用。因而对于不同衰落特性的仿真是在各种环境中评估系统性能的基本要求。为了满足移动通信系统的测试要求，实际测试中我们需要衰落模拟器来模拟真实的信道类型。2.移动通信的衰落理论及测试模型众所周知：在实际的移动通信中，电波传播方式除了通常的直射和地面反射外，还存在传播路径中各种障碍物引起辐射能量的散射、折射和绕射等。因此，发射信号往往经由多条不同路径，以不同的时间到达接收天线，这些到达波就是我们熟称的多径波。由于它们的强度、传播时间的不同，而使合成后的接收信号的幅值和相位，甚至波形有可能变化很大，引起我们所说的衰落现象。除此之外，移动台的速度、发射信号的带宽以及传输信道中物体的运动速度都会影响衰落特性。根据实际情况的不同，常用的衰落模型有如下几种：2.1恒定相位反射（ConstantPhase）ConstantPhaseFading是最基本的衰落分布模型，主要反应由于反射波的强度与相位偏移在接收机处引起的衰落特性。在ConstantPhaseFading衰落分布模型中，衰落造成的功率包络凹口主要由三个参数决定，分别为：路径损耗（pathloss）、延时（pathdelay）以及相移（phaseangle）。2.2多普勒效应（PureDoppler）当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，而这种由于接收机和发射台之间的相对运动而产生的频率偏移称为多普勒频移。主要的决定参数包括物体的运动速度、载波频率以及方位角等。多个多径分量经由不同的方向到达接收机，就会造成接收信号的多普勒扩展。同时，无线信道周围事物运动的速度也会造成时变的多普勒频移。2.3瑞利分布（RayleighFading）通过对多径信号的统计特性分析，当收发信机之间没有直达波通路而存在大量反射波，他们到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，在0～2π内均匀分布；同时各个反射波的幅度和相位都是统计独立的，此时接收信号包络的变化服从瑞利分布。在无线信道中，瑞利衰落分布是常见的用于描述平坦衰落信号或者独立多径分量接收中包络时变统计特性的一种衰落类型。瑞利分布主要适用于离基站较远的地区。瑞利分布参数设置中，物体的运动速度直接决定Doppler引起的频率展宽。2.4莱斯分布（RiceFading）在离基站较近的区域中，通常有较强的直达波，因此在瑞利分布中的假设通常不能成立，因为存在着占支配地位的直达波信号。由理论推导可知：存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布。在莱斯分布参数设置中，物体的运动速度决定Doppler引起的展宽，而功率比（Powerratio）和频率比（Freqratio）决定直达波信号的幅度和相应频偏。2.5对数正态分布（LognormalFading）以上对应的多种衰落模型对应于接收信号在空间的迅速扰动，常称之为快衰落。除此之外，电波在传播路径中遇到障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时会造成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，成为阴影衰落。由于这种衰落的的变化速率较慢，又称为慢衰落。对实测数据的统计分析表明，在慢衰落中，接收信号的局部均值近似服从对数正态分布。而对数正态分布也是慢衰落模型中最基本的表现形式，通常也用来近似表示大范围直射路径损耗2.6SuzukiFading在慢衰落模型中，除了对数正态分布，还有一种常见的分布特性为SuzukiFading分布。可以直接理解为接收信号的包络呈对数正态的瑞利分布。2.7BirthDeathPropagation移动通信除了以上基本的衰落模型外，由于在3GPP的规范中采取的是快速调制标准，因此，时延的变化(无论是突变还是缓慢变化)均是影响其信号质量的重要因素。所以，为了全面的考察接收机的性能，在3GPP的规范中又加入了两种传输条件，用以测试UE在该测试条件下的接收性能。BirthDeathPropagation用于仿真信号突然消失以及突然出现的动态传播环境，如用户突然走进建筑物的角落或者从该角落出来时的情景；用以测试Rake接收机对信号突然消失以及突然出现的抵抗能力。2.8MovingPropagationMovingPropagation可以模拟信号在延时过程中的缓慢变化，主要用于测试Rake接收机调整其在无线信道上延迟的能力。除以上介绍的基本衰落情况外，在3GPP测试规范中规定了许多测试示例及测试环境，SMU/AMU可以按照测试规范产生所需的各种测试模版，方便用户进行各种测试。3.用频谱仪观察衰落测试结果有时候我们需要观察经过衰落的信号。利用频谱仪，我们可以方便地观察移动通信各种衰落的变化情况：图1为ConstantPhase测试结果：测试时输入信号为DVB-T信号，带宽5MHz，红色谱线为未衰落结果，蓝色谱线为衰落后的幅频特性。图2为瑞利衰落包络，测试时输入信号为单音，衰落采用Rayleigh模型，载频1GHz，运动速度v=25m/s。图1DVB-TFading测试谱图图2Rayleigh测试谱图图3为莱斯衰落包络：测试时输入信号为单音1GHz，衰落采用Rice模型，速度v=25m/s，fre.ratio＝1，Power.ratio＝20。图4为双径衰落包络：测试时输入信号为单音1GHz，两路fadingpath，v=25m/s，path1loss＝0dB，path2loss＝10dB。图3Rice测试谱图图4双路衰落测试谱图图5为Birth-deathFading测试结果；图6为MovingPropagation测试结果。测试时信号源采用由ARB方式实现的脉冲信号，衰落设置采用两路Fading，path2delay为31.5us，pathloss为6dB，频谱仪通过FM-DEMOD（FSx-K7）选件观察功率包络变化情况。图4可以明确看到信号突然出现和消失的情况；图5可以清晰看到脉冲包络缓慢移动的情况。图5BirthDeathPropagation测试结果图6MovingPropagation测试结果以上观察的是瞬时衰落的接收信号的包络特性，除此之外，接收信号的相位特性可以由衰落过程的频域、时域和空域特性刻画，根据信号参数和信道参数之间的关系，不同的发射信号会发生不同类型的衰落，这些衰落分别统称为选择性衰落。图7和图8为测试的频率选择性衰落和时间选择性衰落。频率选择性衰落中，输入信号为多载波方式实现的宽带信号，两路静态Fading，路径时延为1us，频谱仪观察span需大于相关带宽；时间选择性衰落中，输入信号为单音，频谱仪通过zerospan功能观察(扫描时间大于相关时间)。图7频率选择性测试图8时间选择性测试4.衰落模拟器的实现方案根据衰落模拟在信号处理过程中的不同位置，我们可以将衰落模拟的实现方案分为射频衰落和基带衰落两种。由于衰落模拟是模拟射频信号在无线信道传播时的衰落情况，因而射频衰落对于衰落模拟测试更为科学。但是因为衰落模拟主要从数字域实现，因此在射频实现衰落模拟需要很高的采样率和高速的DSP阵列进行数据处理，因而在实现上具有非常高的难度。图9所示为实际中射频衰落模拟的实现框图。图9射频衰落模拟实现框图图9的左边是一个信号源，用于产生原始的通信信号。右边是射频衰落模拟器，以对该通信信号进行衰落模拟，输出的是经过衰落的通信信号。从图中可以看出，信号源首先将基带信号上变频调制到射频，然后直接和射频衰落模拟器相连。在射频衰落模拟中，首先通过将射频信号下变频回基带，然后在基带数字化后实现衰落模拟，最后上变频至射频输出，其衰落模拟实质上还是在基带完成的。这种衰落模拟之所以称为射频衰落仅仅是由于其接口处于射频段，并不是真正意义上的射频衰落，和基带衰落没有任何本质的区别。因此，为了简化设计结构，可以将射频衰落框图中的两个变频器去掉（一个是基带源里的上变频模块，另一个是衰落模拟中的前端下变频模块），取而代之的是在上变频之前加入衰落模拟环路，这就是我们所说的基带衰落模拟。图10所示为基带衰落模拟实现框图。图10基带衰落模拟实现方案对于基带衰落模拟而言，不但可以实现和射频衰落同样的准确度和性能，同时由于减少了两个变频器更可以降低系统中的噪声和杂散。射频衰落和基带衰落的优劣对比，如表1所示：表1基带衰落和普通射频衰落模拟器性能对比优点缺点基带衰落更高的信号质量；无需外部本振；信号频率和电平无限制…信号源内部实现衰落模拟射频衰落接口简单；易于替代；变频器导致信号质量变差（Noise，ACP…）需要高稳定的外部本振，进而决定信号质量频段和电平固定，如需扩展需外部模块…5.基带衰落模拟实现方案基带衰落模拟的代表是R&S公司的矢量信号发生器SMU200A或者基带源AMU200A的衰落模拟选件，这两者都可以通过实时的方式模拟无线信道中动态和静态的分布特性，同时可以灵活地对不同衰落路径的各种参数进行分别配置，并能进行AWGN模拟，以满足各种测试需求。此外，SMU/AMU200A独具的双通道性能可以进行分集的模拟设置，可方便地实现2×2的MIMO发射信号，适合在下一代移动通信标准中广泛使用。图11所示为带Fading选件的SMU的界面框图。图11带Fading选件的SMU/AMU的界面框图。SMU和AMU的差别是，前者基于矢量信号源，因此衰落模拟后的信号，既可以按射频信号直接输出，也可以输出基带信号。因此可以用于射频和基带测试；AMU基于基带源，只能输出衰落模拟后的基带信号，常用于基带测试。但也可以与其他仪器连接，用于射频器件的测试。6.射频衰落模拟实现方案由于被测设备接口的原因，有些客户提出了射频衰落模拟的要求。除了使用射频接口的衰落模拟器以外，也可以现有仪器搭建。前提是这些仪器具备相应选件，并有相关数字IQ输入输出接口。下面以R&S公司频谱仪B17选件结合信号源SMU为例，说明如何实现射频衰落方案。根据我们前面的分析，射频衰落的实现方式是将信号下变频至基带进行ADC采样，然后通过DSP实现所需的衰落模型。众所周知，频谱仪基本的工作原理就是超外差接收机，其实质也是经过多次混频至低中频后进行数字ADC采样，然后完成所需的后续处理。R&S频谱仪的B17选件可以将ADC采样后的数据直接输出，正好可以完成射频衰落所需的下变频和ADC采样功能（担任射频前端）。由于R&S的SMU具备的数字IQ输入功能，这样SMU把基带信号通过衰落选件进行我们所需的衰落模拟，最后再上变频调制输出，从而实现客户所需的射频衰落模拟。具体的实现框图如图12所示：图12.基于SMU/FSQ的射频衰落模拟实现框图从图12可以看出，这种射频衰落方案有两个明显的优势：1、工作频率和工作电频直接由担任射频前端的频谱仪的工作频率和电平决定。相比于市场上现有的射频衰落模拟器的优势很明显――没有工作频段和电平的限制，因而也无需为频率和电平扩展外接其他设备，可以更好的满足多方面的测试需求。2、信号源和频谱仪单独可以完成各自的测试任务，组合在一起又成为衰落模拟器，这种方法大大提高了仪表的使用效率。7.MIMO测试解决方案随着移动通信技术的发展，MIMO已经成为其中的必要组成部分。在MIMO系统中，为了从发射天线中区分信号，MIMO需要利用不同信道的衰落特性和编码方式。理想情况下，系统中每个MIMO天线发射的信号和其他天线发射的信号之间没有影响。但是在实际情况下，因为天线之间的距离太近而无法避免天线之间的干扰。因此，信道的衰落特性和幅度、时延、相位相关。所以，现实MIMO系统中的接收测试不仅需要每个发射天线产生与标准一致的发射信号，而且还需要衰落模拟。同时还要通过模拟多个衰落信道以及信道之间复杂的相关性才能得到真实有用的测试结果。由于R&SSMU200A矢量信号发生器具备两路独立的基带和射频通路，因此可以用一台仪表实现MIMO的接收测试。对于常见的2×2MIMO接收测试，可以产生两路标