基于虚拟仪器技术实现电波传播测量系统的设计

1 引言

随着移动用户数日益增长，数据量的需求也呈海量增长，现有的移动通信频段已经无法满足日益增长的宽带移动通信需求。因此，从系统的角度寻找新的、适用于无线通信的频段变得日益迫切。考虑到频段资源、技术设备、运营成本等多方面因素，3.5GHz频段作为国际ITU频谱大会上第四代（4G）移动通信系统IMT-Advanced侯选频段之一，成为了研究的热点频段，基于侯选频段传播模型的研究也提到非常重要的高度，积极推进未来移动通信候选频段研究对于促进我国无线通信自主技术的演进与发展意义重大。

通常，无线传播模型只是客观上反映了进行模型校正地区的电波传播的衰落规律，而事实上，由于各个地区的地形地貌千差万别，利用单一的传播模型已经无法进行统一的覆盖计算，这就决定了当要把一个模型应用到其他地区时，必须对模型的一些参数进行修正，也就是传播模型校正。同时，要完成蜂窝式移动通信系统小区规划和优化，需要有一套相适应的场强覆盖测量系统，完成测量场强功率等一系列参数。

因此，实际环境对无线信号的覆盖情况有重要影响，无线信号的衰落与多径分布情况将直接影响到宽带无线移动通信系统的链路预算和系统性能，所以针对真实场景的无线传播信号进行测量和统计就尤为重要。这将为后续的系统小区规划、链路预算和算法设计的重要参数。

对此，我们结合IMT-Advanced侯选频段的无线电波环境特征，开展新一代无线通信系统电波传播特性测量和建模研究。该研究将促进宽带移动通信关键技术在实际环境下的组网应用。

目前，我国4G移动通信研究FuTURE计划（863计划）已经成功实现了3.5GHz频段的宽带移动通信现场试验。此次试验采用了基于分布式无线电技术有效地克服了电波传播衰落对宽带系统性能的影响。本文在此基础上，通过先进的虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI，针对未来宽带无线移动系统设计并实现了3.5GHz电波传播特性测控系统，为进一步获取了中国该类场景的电波传播损耗实测模型提供了大量的实测数据，，以协助我国无线电频谱管理权威部门开展新一代移动通信频谱技术研究。

本文第2节首先介绍了虚拟仪器技术以及2G、3G的电波传播测量系统的实现方法；第3节提出了4G移动通信系统IMT-Advanced侯选频段3.5GHz电波传播测控技术的设计方法；第4节给出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；最后给出研究结论。

2 传统电波传播测量与虚拟仪器开发技术

在移动通信系统中，由于移动台不断运动， 传播信道不仅受到多普勒效应的影响，而且还受地形、地物的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也不能忽视。基于移动通信系统的上述特性，严格的理论分析很难实现，往往需对传播环境进行近似、简化，从而使得理论模型误差较大。而针对传统的移动通信系统最著名的统计模型是Okumura模型，它是Okumura以其在日本的大量测量数据为基础统计出的以曲线图表示的传播模型。在Okumura 模型的基础上，利用回归方法拟合出便于计算机计算的解析经验公式。这些经验公式有适用于GSM900 宏蜂窝的Okumura-Hata公式、适用于GSM1800宏蜂窝的Hata扩展公式。另外还有适用于微蜂窝的Walfisch公式及室内传播环境使用的Keenan-Motley 公式。这些经验公式计算繁琐并且与实际环境之间存在着或大或小的误差。因此在实际的场强预测中，一般都以修正的Okumura-Hata 模型作为预测模型，利用计算机进行辅助预测，在一般测控技术规划中，可以针对当地的实际无线环境作无线传播特性测量后对上述公式进行修正。

目前可商用的集成到测控规划中的射线跟踪模型如Volcano 模型，WaveSight 模型以及WinProp 模型等就是通过理论分析方法来研究传播模型的代表，但此类模型需要高精度（至少5m精度）含3D 建筑物信息的数字地图，模型预测的准确性和数字地图的精度和准确性密切相关，对于移动的车辆等影响无线信号传播的因素在目前的理论分析方法中也都是无法考虑的，而且一般的理论分析方法都需要对传播环境进行一定的近似和简化，从而也引入了一定的误差，目前基于理论分析方法的传播模型并没有获得大规模的应用。

而对于电波传播测量过程中的关键——测量数据的获取，通常是采用专用测量设备及与之严格配套的测量技术实现，例如对WCDMA系统在进行电波传播测量时，采用的就是Agilent公司生产的E7476A设备实现的。系统结构如下图：

图1 基于E7478A路测系统结构图

从上图中，不难看到传统仪器的功能都是由仪器生产厂家来定义和制造的硬件及软件来实现，在决定了系统功能的同时，也决定了用户无法改变。尽管传统仪器的精度、功能和性能随着微电子技术的发展而不断提高，但是对于复杂的测量参数较多的场合，使用起来很不方便，局限性愈发明显。随着虚拟仪器技术的出现，把计算机技术和仪器技术完美结合起来，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、研制周期短、系统可扩展、维护方便、性能价格比好等特点。同时，它与网络和外设的连接相当方便，有利于实现数据的处理和信息的共享。

虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义在于，其功能可以由用户根据需要自行设计软件来定义和扩展，而不是像传统仪器那样，功能只能由厂家事先定义并且固定不可变更［5］。这样，用户不必购买多台不同功能或者昂贵的集多种功能于一身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器技术可以与计算机同步发展，与网络及其他外部设备互连，用户只需根据需要改变软件程序就可以不断赋予或者扩展增强它的功能，

虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI是美国NI公司开发的Measurement Studio软件组中的一员。它是32位的面向计算机测控领域的虚拟一起软件开发平台，可以在多操作系统（如Windows 98/NT/2000 /XP、Mac OS和Unix等）下运行［6］。

LabWindows/CVI以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活、应用广泛的C语言与测控专业工具有机地结合起来，实现了数据的采集，分析和显示。另外，它的集成化开发平台，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自身功能更加强大，应用更加方便，成为测量技术开发人员建立检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等首选的开发环境［7］。

因此，考虑4G移动通信系统IMT-Advanced侯选频段3.5GHz电波传播测量的特点，我们设计并成功应用了基于虚拟仪器技术的新型电波传播测控系统3 4G电波传播测量系统概述

3.1 测量系统架构

测量系统包括发射端和接收端两部分，如图2所示。发射端由信号发生器、功率放大器和发射天线组成。Agilent ESG信号发生器产生3.5GHz CW测量信号，发射端的功率放大器用于扩展测量范围。接收端由频谱分析仪、控制计算机和GPS接收机系统组成。Agilent PSA频谱分析仪具有低噪声、高采样率的特点，GPS接收机采样点的地理坐标。

实测过程中，接收信号功率与地理信息的实时测量结果通过控制计算机上开发的虚拟仪器技术获得采集同步和自动储存，从而保障测量满足李氏定理条件，并且提高了测量效率。

图2 测量系统框图

3.2 测量系统指标

表 1 电波传播系统指标

3.3 硬件接口

1. 测量信号：

RF信号：测量设备天线前端——频谱仪输入端

RS232输出：GPS接收机输出实时GPS信息

2. 控制信号：

GPIB总线：用于控制频谱仪和功率计

3.4 测量环境

表2 测量环境概况

4 电波传播测量系统的测控技术实现

电波传播测量系统测控技术分为信息采集模块和统计分析模块两部分。采集模块运行于采集端的工业测控计算机上，可以完成频谱仪采样频点配置，频点功率采集与数据读取和GPS 经纬度信息读取与识别以及存储等功能。统计模块用于采集完成数据中场强数据与GPS数据的整合对应，每个GPS点的场强均值计算，覆盖图绘制和整体场强直方图分布统计等功能。

4.1 信息采集模块的设计与实现

采集系统包括频谱分析仪配置，场强采集和GPS信息同步采集与数据存储等一系列流程。模块程序流程图如3所示：

图3 信息采集模块程序流程图

信息采集软件模块由信息采集工程项目文件构成的，该工程目录中包括：

1） 工程项目文件：记录了信息采集工程项目下的所有文件的信息。

2） 信息采集界面文件：包含了信息采集程序中测量显示界面上的绘图框，参数输入框，测量结果输出框，操作按钮等部件。

3） 工程头文件：用于信息采集程序中显示界面文件中面板、输入输出控件定义的头文件。

4） 工程源文件：用于信息采集程序中显示界面文件中面板、控件的消息响应的处理函数。

5） 仪器驱动文件：频谱分析仪的驱动库文件。

4.2 统计分析模块

统计模块主要功能时通过计算完成覆盖图绘制和整体场强直方图分布统计等。程序模块流程图如下：

图4 统计分析模块程序流程图

4.3 对GPIB总线的控制

Lab windows/CVI 提供GPIB/IEEE488.2 函数库对GPIB 总线、GPIB 板和GPIB 仪器进行控制。GPIB/IEEE488.2 函数库提供一组高层通信控制函数，不需了解访问GPIB 仪器和控制GPIB 总线底层协议，直接调用这些控制函数就可实现对GPIB总线的控制［9］。并可利用底层函数库对GPIB 进行基本操作，以实现本测量系统设计中的特定功能。

4.4 GUI（Graphic User Interface）设计

为达到对测量设备的程控，在主控计算机上设计实现虚拟面板（如图5所示），以对频谱仪参数进行设置、跟踪和显示，并对数据进行保存，在具备仪器设备面板所有功能基础上，增加分析和数据保存功能，为后续工作提供数据资料。虚拟频谱仪利用Labwindows/CVI 提供的系统函数读取频谱仪的测量数据，为满足数据存储要求，读取速度在100ms 左右。为能及时显示所读到的测量数据，需要用到PlotY 和DeleteGraphPlot 函数，用于曲线的显示。ArrayToFile 函数将读到的数据存储到指定的数据文件中，为后续的数据后处理及建模奠定了基础。

图5 电波传播测量软件系统主界面

5 结论

本文首次运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侯选频段3.5GHz新型电波传播测控系统，本系统的实现从根本上解决了原有传统的电波测量系统的灵活性低、可扩充性差等缺点，为后续的开发奠定了有力的技术基础。

本测控技术通过GPIB 接口的PSA的控制，实现仪器的远程启动、参数设置、数据获取及信息保存。其控制方式方便灵活，简化系统操作，满足测量系统需求，同时，在实际的测量中所获得的大量真实而宝贵的数据，为数据的后处理分析及建模奠定了重要的基础。

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