CN103138855B - 一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在实验室构建无线网络信道模拟环境的方法和装置，该方法包括：采集无线网络中各个基站与各用户终端的信道衰落数据，并对各信道衰落数据进行分析，形成信道模拟时所需的信道参数；对一场景进行信道模拟时，根据模拟的场景接收对应基站天线发送的信号，并用该场景对应的参信道数对接收的信号进行信道化处理后从对应输出端口输出。采用本发明技术方案，既可以在基带对信号进行处理，也可以处理射频数据，既能够模拟外场信号的慢衰落，也可以模拟多径快衰落，而且能够提供网络级的信道模拟，并且用于模拟的信道脚本全部来源于真实的外场环境，这样可以更为真实的对实际的外场环境进行模拟，达到在实验室就能够实现外场测试的目的。

Description

一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟装置与方法

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及复杂的外场无线网络信道的模拟装置与方法。

背景技术

无线信道的电磁波传播特性和传播环境相关(地理特征、建筑物、电磁干扰、采用频段等)，一般的，我们认为无线信道具有大尺度衰落和小尺度衰落两种特征，其中大尺度衰落刻画了移动台经过较大距离移动而引起的平均接收信号功率的衰减或路径损耗，有两个影响因素：路径损耗和阴影衰落。路径损耗是指电波在空间上的传播损耗；阴影衰落是指电波在传播过程中遇到高大障碍物的阻隔会产生电磁场的阴影区域，移动台穿过阴影区时，会引发信号场强中值的变化；一般情况下，基站和移动台之间不存在直射信号，接收到的信号通常为发射信号经过若干次绕射、散射、反射、透射、折射后的叠加信号，这种信号经过不同传播路径达到接收端的现象称为多径传播。多径传播造成信号波形的展宽，产生频率选择性衰落；多普勒效应影响着信道的时变特性，因移动速度产生的多普勒频偏造成信号频谱在一定的范围内扩散，产生时间选择性衰落。这种小尺度衰落会造成信号几十dB的功率衰落。同时，无线网络信道还受到各种电磁干扰的影响和组网中同频干扰的影响。

无线网络信道的这种复杂性和时变性给无线网络规划和系统参数配置增加了难度，使得系统测试无法覆盖实际应用中的各种复杂场景。无线通讯设备(如基站、终端)在实验室研发阶段完成各项性能指标测试之后，需要在实际无线信道环境中进行网络测试，为了验证无线通讯设备的稳定性和成熟度，一般需要开辟较大规模的试验局，以验证网络规划和系统参数设置的合理性，充分暴露产品在实际应用中的缺陷。这种验证和测试方式开发周期较长，且投入较大，不利于对无线产品的商用能力进行快速的验证。

在现有技术中，其中之一提出了一种无线信道模拟方法及装置，可以对基带信号进行多径衰落处理，但是其不能处理信号的慢衰落，也不能在射频对信号进行处理；另一现有技术提出了一种移动通讯网络中移动终端的多径衰落测试系统及其测试方法，其特点在于测量无线网络信道，但是并不关心测量的信道特征；还有一现有技术提出了一种MIMO信道模拟装置，该装置同时考虑了时间和频率上的衰落以及空间选择性衰落，可以模拟多维空间参数，但是它仅仅是理论参数模拟计算，和真实的外场环境有比较大的差异。

综合现有技术，将无线信道的模拟分为软仿真和硬仿真两种。其中软仿真基于业界经典的信道模型，通过数学建模的方式对无线信道进行模拟近似，其缺陷在于这些信道模型仅仅是对经典应用场景的建模，无法真实的再现信道的多样性和复杂性；硬仿真基于无线信道模拟器，无线信道模拟器可以根据信道模型产生信道参数，也可以下载实际信道的采集数据，这种方式对点对点的无线信道模拟有较好的仿真效果，但是对无线网络信道的仿真能力较差，一般要采用多个无线信道模拟器级联来完成(如图1所示)，由于信道模拟器体积较大，加之信号之间的同步问题，即使级联也只能实现小范围的网络模拟。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种在实验室构建无线网络信道模拟环境的方法和装置，利用从实际信道环境中采集的数据，对实验室的基站、移动台群之间的信号进行模拟外场环境处理，通过对信道脚本的控制，可以灵活的实现单天线，多天线(MIMO：multipleinputmultipleoutput)信道以及复杂网络环境下的各种干扰模拟测试，最佳的匹配外场实际的信道环境，在实验室构建虚拟无线网络环境测试、评估系统产品的性能，起到规模实验局的测试功能。

本发明的目的在于，提出一种实验室内的无线网络信道模拟的方法和装置，通过对实际网络环境的信道数据采集，在实验室重构并反映实际外场无线网络的真实特性，构建虚拟无线网络环境测试、评估系统产品的性能。

本发明提供一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟方法，包括：

采集无线网络中各个基站与各用户终端的信道衰落数据，并对各信道衰落数据进行分析，形成信道模拟时所需的信道参数；对一场景进行信道模拟时，根据模拟的场景接收对应基站天线发送的信号，并用该场景对应的参信道数对接收的信号进行信道化处理后从对应输出端口输出。

进一步地，在对接收的信号进行信道化处理前，根据需模拟的场景生成对应的测试脚本，包括输入脚本、输出脚本及信道脚本；

所述输入脚本指当前场景下需要用到的基站号及天线号；

所述输出脚本是在当前场景下的一组终端及天线号；

所述信道脚本即信道参数，包括慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延。

进一步地，所述方法还包括：根据输入脚本接收对应基站天线发送的信号并天线排列顺序缓存接收的基带数据。

进一步地，若接收的基站天线发送的射频信号，则将所述射频信号转换为基带数据后缓存。

进一步地，所述对接收的信号进行信道化处理是指：

根据输入脚本读取缓存的信号以及对应的信道参数，然后按照以下方式进行运算：

用基带数据乘以慢衰值得到W1，然后用各径快衰值分别乘以W1，设有n个快衰值，则每个快衰值均与W1相乘得到W21、W22...W2n，接着，用各径快衰时延对相应的W2i做时延处理分别得到W31、W32...W3n，最后对W31、W32...W3n进行叠加处理；

所述1≤i≤n。

进一步地，所述将处理后的信号从对应输出端口输出是指：根据输出脚本，将处理后的信号从对应的终端端口输出。

本发明还提供一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟装置；

所述装置包括信道脚本管理控制后台、信道化处理模块、输入基带控制模块及输出基带控制模块；

所述信道脚本管理控制后台，用于对接收的外场采集的信道数据进行分析，得到信道模拟时所需的信道参数；

所述输入基带控制模块，用于接收基站天线发送的基带数据并缓存；

所述信道化处理模块，用于读取对应场景的基带数据以及对应的信道参数，根据所述信道参数对基带数据进行信道化处理后发送处理后的信号至输出基带控制模块；

所述输出基带控制模块，用于将处理后的信号输出至对应的终端端口。

进一步地，所述装置还包括信道数据分类下发模块，用于根据模拟的场景提取对应的信道参数并形成测试脚本；

所述测试脚本包括输入脚本、输出脚本及信道脚本；

所述输入脚本指当前场景下需要用到的基站号及天线号；

所述输出脚本是在当前场景下的一组终端及天线号；

所述信道脚本即信道参数，包括慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延；

所述信道数据分类下发模块还用于将输入脚本下发至输入基带控制模块，将输出脚本下发至输出脚本控制模块，以及将信道脚本下发至信道化处理模块。

进一步地，所述装置还包括射频处理模块，用于将接收的基站天线发送的射频信号转换为基带数据后发送至输入基带控制模块。

进一步地，所述输入基带控制模块接收基站天线发送的基带数据并缓存是指：输入基带控制模块根据输入脚本接收对应基站天线发送的信号，并根据天线排序顺序缓存接收的信号。

进一步地，所述信道化处理模块进行信道化处理是指：信道化模块读取缓存的基带数据以及对应的信道参数，用基带数据乘以慢衰值得到W1，然后用各径快衰值分别乘以W1，设有n个快衰值，则每个快衰值均与W1相乘得到W21、W22...W2n，接着，用各径快衰时延对相应的W2i做时延处理分别得到W31、W32...W3n，最后对W31、W32...W3n进行叠加处理；

所述1≤i≤n。

进一步地，所述输出基带控制模块将处理后的信号输出至对应的终端端口是指：输出基带控制模块根据输出脚本将处理结果从对应的终端端口输出。

与现有技术相比较，本发明提出的无线网络信道模拟装置具有如下优势：同时支持点对点的仿真(单输入单输出情况)和网络级仿真(多输入多输出情况)；既可以在基带对信号进行处理，也可以处理射频数据，既能够模拟外场信号的慢衰落，也可以同时模拟多径快衰落，而且能够提供网络级的信道模拟，并且用于模拟的信道脚本全部来源于真实的外场环境，这样可以更为真实的对实际的外场环境进行模拟，达到在实验室就能够实现外场测试的目的。

附图说明

图1为现有技术中信道模拟器搭建无线网络的示意图；

图2为本发明无线网络信道模拟装置的结构示意图；

图3为本发明方法实施例中网络信道模拟的流程图；

图4为本发明实施例中信道参数矩阵表示意图；

图5为本发明实施例中信道化处理结构图；

图6为本发明应用实例一及应用实例二中点对点的信道模拟示例图；

图7为本发明应用实例三中的无线网络结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟装置与方法，采集无线网络中各个基站与各用户终端的信道衰落数据，并对各信道衰落数据进行分析，形成信道模拟时所需的参数；对一场景进行信道模拟时，根据模拟的场景接收对应基站天线发送的信号，并用该场景对应的参数对接收的信号进行信道化处理后从对应输出端口输出。

装置实施例

本发明所述无线网络信道模拟装置的基本结构如图2所示，包括信道脚本管理控制后台、信道数据分类下发模块、信道化处理模块、输入基带控制模块、输出基带控制模块和射频处理模块组成，其中各部分的功能表述如下：

信道脚本管理控制后台(如电脑，服务器等)：用于分析外场信道数据采集系统采集的信道数据，确定多径信道的功率延迟分布、角度功率谱分布、信道空间相关性、大尺度衰落特征等，将外场实际信道网络抽象为具体的大尺度衰落参数及小尺度衰落参数组，大尺度衰落参数是对采集到的数据进行平滑处理，然后提取其幅度特性；小尺度衰落就是根据信号的频率等特性，分离出其信道多径分量，然后提取出来的功率及延迟信息。即产生出能够表征实际信道的快衰落及慢衰落参数的数据组合。

信道数据分类下发模块：将后台产生的数据根据当前信道处理的需要(即根据当前需要模拟的场景)生成测试脚本，包括输入脚本(即输入控制参数)、输出脚本(即输出控制参数)及信道脚本(即信道参数)；并将输入脚本、输出脚本及信道脚本分别下发至输入基带控制模块、输出基带控制模块及信道化处理模块；其中，输入脚本是当前场景下需要用到的基站号及天线号；输出脚本是在当前场景下的一组UE及天线号；信道脚本包括慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延等参数。

输入基带控制模块，用于根据缓存的输入脚本从接收的输入数据中提取所需的基站天线数据，并按照天线要求进行排列并缓存，即根据实际要模拟的场景，选择该场景所涉及基站中的天线发送的基带数据，将各天线发送的数据分别存储至不同的缓冲区中供信道处理模块使用，比如某场景涉及基站1、基站2以及基站4，而基站1包含天线1，基站2包含天线1和天线2，基站4包含天线3，输入基带控制模块将这4根天线发送的基带数据顺序排成1234。

信道化处理模块：根据输入控制参数实时读取相应缓冲区中对应天线的基带数据，同时读取当前场景对应的信道参数进行运算，并将运算结果发送至输出基带控制模块；

具体地，运算方式为：用基带数据乘以慢衰值得到W1，然后用各径快衰值分别乘以W1，如有n个快衰值，则每个快衰值均与W1相乘得到W21、W22...W2n，接着，用各径快衰时延对相应的W2i做时延处理分别得到W31、W32...W3n，最后对W31、W32...W3n进行叠加处理。

输出基带控制模块，用于输出时按照实际场景，将接收的运算结果输出到对应的UE的天线上，即将场景所涉及天线经过信道处理后的信号输出到对应的UE的天线上。

射频处理模块，用于当基站与UE存在射频部分需对射频信号进行处理时，将接收的基站天线发送的射频信号转换为基带信号后发送至输入基带控制模块；还用于发送时，将基带信号转换成射频信号送入UE。

如果基站和UE只有基带部分，那么本装置可以通过光纤直连，直接在基带部分和基站及UE通讯。

方法实施例

本发明所述无线网络信道模拟装置的实现步骤如图3所示，具体过程为：

步骤S1，采集实际无线网络中各个基站与各用户终端(或信道采集设备)的信道衰落数据，用户终端的运动路线要尽可能的覆盖整个无线网络环境，且采集时间要足够长；

步骤S2，对采集后的信道数据进行分析处理，得到信道处理时所需的各项信道参数。

针对每个信道数据，将外场实际信道数据抽象为理想的信道参数，得到慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延等参数；具体地，对于大尺度衰落特征，需要对数据进行平滑处理消除干扰噪声的影响，然后提取其幅度特性；对于小尺度衰落特征，根据信号的频率等特性，需要分离信道多径分量，提取功率延迟信息，最终制作成一张信道参数矩阵表，如图4所示。

步骤S3：根据当前需模拟的场景生成测试脚本，并将数据分类下发；

具体地，根据当前需模拟的场景，从后台提取对应的数据生成测试脚本，包括输入脚本(即输入控制参数)、输出脚本(即输出控制参数)及信道脚本(即信道参数)；并将输入脚本、输出脚本及信道脚本分别下发至输入基带控制模块、输出基带控制模块及信道化处理模块；其中，输入脚本是当前场景下需要用到的基站号及天线号；输出脚本是在当前场景下的一组UE及天线号；信道脚本包括慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延等参数。然后将输入脚本下发至输入基带控制模块，将输出脚本下发至输出基带控制模块，将信道脚本下发至信道化处理模块。

如图4所示，竖列基站右侧对应的编号即为输入端口号，横行UE下侧对应的编号即为输出端口号。表中间对应的H值指示相应输入输出映射关系下的信道值，每个H值均包括该信道数据的慢衰、多径快衰以及快衰对应的时延。最终该部分会将输入号，输出号，慢衰值，各径的快衰值，快衰时延分别存入不同的缓冲buffer，等待信道处理时读取。

步骤S4：根据输入脚本接收对应基站天线发来的信号并存储；具体地，根据输入脚本确定基站天线端口，然后接收该端口发送的信号，若接收的是射频信号，则先将射频信号转换为基带信号后存储，若接收的是基带信号则直接存储，存储时按照输入脚本规定的天线排列顺序存储。

步骤S5：信道化处理后输出处理后的信号。如图5所示，该部分为本装置的核心部分，具体步骤如下：

首先，读取缓冲区存储的输入数据，并读取对应的信道脚本(即信道参数)，然后根据信道参数对输入数据进行运算；运算方法为：用基带数据乘以慢衰值得到W1，然后用各径快衰值分别乘以W1，如有n个快衰值，则每个快衰值均与W1相乘得到W21、W22...W2n，接着，用各径快衰时延对相应的W2i做时延处理分别得到W31、W32...W3n，最后对W31、W32...W3n进行叠加处理；

最后，根据输出脚本，将信道化处理后的数据送入对应的输出端口。

进一步地，

若当前场景需要的测试脚本是实时变化的，则需要根据当前场景实时地生成测试脚本，并根据测试脚本接收对应的信号以及读取对应的信道参数对信号进行处理。

下面举几种实施方式来说明本发明的一些典型应用情况：

应用实例一：点对点的信道模拟。

如图6所示，在只有一个基站和一个UE的情况下，该基站的发射天线发送射频数据至空口，本设备的射频单元将接收到的射频数据转换成基带数据，送入输入基带控制模块；然后，根据测试的需要，选取对应场景下所需的基站天线端口及终端端口形成的H值，将该H值组成测试脚本从信道脚本管理控制后台，通过信道数据分类下发模块，分解成输入脚本，输出脚本以及信道脚本，并且分别送入输入基带控制模块，输出基带控制模块以及信道化处理模块；信道化处理模块根据前面提到的信道处理算法，将上述数据进行综合运算，然后输出给射频处理模块，最后发送到空口；最终，UE接收到了经过信道化处理过的数据。通过控制后台脚本的变化，可以模拟多种场景下的信道情况。

应用实例二：基带信号的信道模拟。

如图6所示，基站或UE在没有射频设备的时候，也可以通过本发明的无线网络信道模拟装置进行模拟测试；这时，本发明的射频单元可以被旁路，基站的基带信号和本发明的输入基带处理模块采取光纤直连的方式进行连接；同样输出基带处理模块和不带射频的UE也采用光纤直连的方式进行连接。同样的，也可以通过后台脚本变化模拟多种场景的信道变化情况。

应用实例三：三小区两UE情况下的无线网络模拟。

如图7所示，在三个基站和两个UE的情况下，这三个基站的发射天线发送射频数据至空口，本设备的射频单元将接收到的射频数据转换成基带数据，送入输入基带控制模块，基带控制模块对进入的基带数据按照一定的规则进行编号排序，基站1、基站2、基站3；然后，根据测试的需要，将某测试脚本从信道脚本管理控制后台，通过信道数据分类下发模块，分解成输入脚本，输出脚本以及信道脚本，并且分别送入输入基带控制模块，输出基带控制模块以及信道化处理模块；输入处理模块根据脚本的输入号的变化，在不同的时间将不同的基站信号组合输入到信道处理模块；信道化处理模块根据前面提到的信道处理算法，将上述数据进行综合运算，送入输出基带处理模块；输出基带处理模块根据脚本输出号将处理过的数据，经过射频处理模块，发送到对应的空口；最终，每个UE接收到了对应的一个基站或者几个基站经过信道化处理过的数据。通过控制后台脚本的变化，可以模拟两个UE在3个基站网络下的各种场景，包括小区切换，临区干扰变化，小区边缘增强的comp等。

最后要说明的是，本发明的上述针对较佳实施例的描述较为具体，并不能因此而认为是对本发明保护范围的限制，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟方法，包括：

采集无线网络中各个基站与各用户终端的信道衰落数据，并对各信道衰落数据进行分析，形成信道模拟时所需的信道参数；对一场景进行信道模拟时，根据模拟的场景接收对应基站天线发送的信号，并用该场景对应的信道参数对接收的信号进行信道化处理后从对应输出端口输出；

在对接收的信号进行信道化处理前，根据需模拟的场景生成对应的测试脚本，包括输入脚本、输出脚本及信道脚本；

所述输入脚本指当前场景下需要用到的基站号及天线号；

所述输出脚本是在当前场景下的一组终端及天线号；

所述信道脚本即信道参数，包括慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延；

所述方法还包括：接收基站天线发送的基带数据并缓存。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述方法还包括：根据输入脚本接收对应基站天线发送的信号并天线排列顺序缓存接收的基带数据。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若接收的基站天线发送的射频信号，则将所述射频信号转换为基带数据后缓存。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：

所述对接收的信号进行信道化处理是指：

根据输入脚本读取缓存的信号以及对应的信道参数，然后按照以下方式进行运算：

用基带数据乘以慢衰值得到W1，然后用各径快衰值分别乘以W1，设有n个快衰值，则每个快衰值均与W1相乘得到W21、W22…W2n，接着，用各径快衰时延对相应的W2i做时延处理分别得到W31、W32…W3n，最后对W31、W32…W3n进行叠加处理；

1≤i≤n。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：

将处理后的信号从对应输出端口输出是指：根据输出脚本，将处理后的信号从对应的终端端口输出。

6.一种基于外场实测数据的无线网络信道模拟装置，其特征在于：

所述装置包括信道脚本管理控制后台、信道化处理模块、输入基带控制模块及输出基带控制模块；

所述信道脚本管理控制后台，用于对接收的外场采集的信道数据进行分析，得到信道模拟时所需的信道参数；

所述输入基带控制模块，用于接收基站天线发送的基带数据并缓存；

所述信道化处理模块，用于读取对应场景的基带数据以及对应的信道参数，根据所述信道参数对基带数据进行信道化处理后发送处理后的信号至输出基带控制模块；

所述输出基带控制模块，用于将处理后的信号输出至对应的终端端口；

所述装置还包括信道数据分类下发模块，用于根据模拟的场景提取对应的信道参数并形成测试脚本；

所述测试脚本包括输入脚本、输出脚本及信道脚本；

所述输入脚本指当前场景下需要用到的基站号及天线号；

所述输出脚本是在当前场景下的一组终端及天线号；

所述信道脚本即信道参数，包括慢衰、各多径快衰、各快衰的相对时延。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述信道数据分类下发模块还用于将输入脚本下发至输入基带控制模块，将输出脚本下发至输出脚本控制模块，以及将信道脚本下发至信道化处理模块。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括射频处理模块，用于将接收的基站天线发送的射频信号转换为基带数据后发送至输入基带控制模块。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于：

所述输入基带控制模块接收基站天线发送的基带数据并缓存是指：输入基带控制模块根据输入脚本接收对应基站天线发送的信号，并根据天线排序顺序缓存接收的信号。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述信道化处理模块进行信道化处理是指：信道化模块读取缓存的基带数据以及对应的信道参数，用基带数据乘以慢衰值得到W1，然后用各径快衰值分别乘以W1，设有n个快衰值，则每个快衰值均与W1相乘得到W21、W22…W2n，接着，用各径快衰时延对相应的W2i做时延处理分别得到W31、W32…W3n，最后对W31、W32…W3n进行叠加处理；

1≤i≤n。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述输出基带控制模块将处理后的信号输出至对应的终端端口是指：输出基带控制模块根据输出脚本将处理结果从对应的终端端口输出。