UWB信道测量技术及实测应用

UWB信道测量技术及实测应用
曹诗南;钟硕朋;李周;刘云;岳雨巍;阮雪
【摘要】UWB信道测量方法的研究及信道特征数据的实际采集,是UWB信道传输特征研究和信道模型建立的基础,可以加深人们对无线信道特征的理解,有助于UWB系统设计和其他宽带系统的研究和设计。

按照子课题的室内/室外无线信道评测模型建模方案完成了测量方法的调研、测量计划的制定并实地测量,给出了原始测量结果的比较图,验证了UWB信道的传输特征。

%The research on UWB channel propagation characteristic and channel modeling is based on the methods of UWB channel measurement and collection channel character data.Based on the project of indoor/outdoor channel modeling,the article describes the process of researching on measurement technologies,making and executing the testing plans.The article gives the testing results and validates UWB propagation characteristic.
【期刊名称】《现代电信科技》
【年(卷),期】2011(041)009
【总页数】7页(P24-30)
【关键词】UWB;传输特性;信道测量;测量方法
【作者】曹诗南;钟硕朋;李周;刘云;岳雨巍;阮雪
【作者单位】工业和信息化部电信研究院泰尔实验室;工业和信息化部电信研究院泰尔实验室;工业和信息化部电信研究院泰尔实验室;工业和信息化部电信研究院泰
尔实验室;工业和信息化部电信研究院泰尔实验室;工业和信息化部电信研究院泰尔
实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN949.29
超宽带（UWB）信道传输特征的研究和信道模型的建立是超宽带系统设计的基础，可以加深人们对无线信道特征的理解，也有助于其他宽带系统的研究和设计。

国家科技重大专项新一代宽带无线移动通信网专项项目“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”的课题“超宽带设备的技术规范和性能评测”的子课题“信道评测模型”通过对采集的大量数据进行统计分析，形成了适合中国居住特点的超宽带信道模型，体现了不同环境超宽带信号传输的差异性，为我国频谱管理和规划以及标准的制定提供了强有力的依据。

测量样本数据库可以形成和相关开发企业共享的数据平台，有利于有兴趣的相关人士使用标准数据辅助系统设计[1]。

1 UWB信道特征及建模方案
1.1 UWB信道特征
UWB信道的特征主要表现在以下几方面。

（1）传统无线通信系统一般采用Rayleigh分布来描述单个多径分量幅度的统计
特征，前提是每个分量可以视为多个同时到达的路径合成。

不同于一般的无线衰落信道，UWB信号可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，使得其信道上的多径分量呈现成簇到达的特征，每个多径分量包含的路径数量可能只有2-3条，
从而不符合Rayleigh分布的条件。

（2）由于UWB常用于室内热点场景进行通信，使得其信道环境常表现为密集多
径环境，造成接收波形的时延扩展很大。

该特点反映到频域，则可以看到由于信号
分量横跨了数GHz的频率范围，使得频率选择性衰落的特征极为明显。

1.2 研究技术路线
根据上述“新一代宽带无线移动通信网”重大专项课题的《超宽带设备的技术规范和性能评测》子课题“信道评测模型”的要求，其室内/室外无线信道评测模型建
模方案如图1所示。

图1中阴影框部分为本文主要研究内容。

图1 室内/室外无线信道评测模型建模方案
2 UWB信道测量需求及方法
2.1 信道测量需求
无线信道的测量分为窄带信道测量和宽带信道测量，其测量需求项如表1所示。

无线信道的测量主要包括以下几种。

（1）空间或大尺度测量：固定一个终端，移动另一个终端至不同位置，距离至少是几个波长的测量。

表1 测量量需求表测量需求项窄带信道测量宽带信道测量测量量单一频率的信
道响应冲激响应测量量提取的信息同路径到达信号的功率变化多径时延传输（2）局部或小尺度测量：在特定的位置周围，移动接收机或发射机，收集测量量。

（3）时间测量：固定发射机和接收机，通过终端间的移动通信量进行测量。

（4）分段测量：不同墙体对被测信道特征的影响，把总的测量区域分段，测量和比较分段区域的信道特征和参数。

（5）频率依赖测量：比较在不同频率下信道特征的测量。

（6）达到角度测量：从不同角度达到接收天线的多径成分特征的测量。

（7）直射路径测量：发射机和接收机之间的直射路径到达时间（TOA）的测量，适用于基于TOA的定位系统。

针对UWB信道的特征，需要采集信道的冲激响应作为测量量进行分析研究，提取多径延时传输等特征参数。

具体测量采用大尺度测量和小尺度测量相结合的方案。

2.2 信道测量方法
2.2.1 时域测量方法
UWB信道时域测量是直接信道测量方法（直接得到时域接收信号），它用一个极短脉冲作为激励信号，并通过对接收波形取样直接记录其冲激响应，能够充分反映信号经信道传输后的时域特征，信道的冲激响应可以直接通过接收信号与发射脉冲卷积得到。

此外，该方法还适合分析脉冲传输过程中的瞬态特征，是研究UWB脉冲信号传输的理想方法。

该方法的缺点是系统时间分辨率由发射脉冲宽度决定，提高系统分辨率必须减小脉冲宽度，同时提高抽样示波器采样率，因此具有高分辨率的UWB时域测量系统结构将十分复杂且成本较高。

另外由于很难获得非常短的脉冲，无线信道中发射的非理想脉冲容易使观察到的冲激响应产生失真。

2.2.2 频域测量方法
UWB信道频域测量采用的是间接信道测量方法（得到的是信道的频域响应），使用矢量网络分析仪对一定频率范围内的信道响应进行扫频测量，接收信号近似为其传输函数，通过傅立叶反变换可得到信道的冲激响应。

冲激响应的分辨率是与激励信道所取的频率范围相关的函数，在大多数情况下网络分析仪被用作收发机，网络分析仪的灵敏度高，通过增加网络分析仪的测量带宽，可以相对容易地提高测量系统分辨率，是相对高效的信道测量方法。

然而网络分析仪与收发天线间需要电缆连接，而传输电缆的使用会带来以下一系列问题。

首先，随着测量距离的增加，由电缆带来的噪声也增加，提高发射信号功率的办法很难消除这种噪声的影响。

其次，增加电缆长度会增加信号在电缆中的传输时延，长传输时延会导致网络分析仪无法正常工作。

因此利用网络分析仪进行信道测量的收发天线最大距离通常不超过30 m。

时域信道测量中，电缆是用来传输触发信号的，只需要简单的计算就可
以设置触发时间以满足传输距离长的要求，所以时域方法适用各种传输距离条件。

[2]
2.2.3 两种信道测量方法的比较
上述两种信道测量方法的比较如表2所示。

综合考虑测量系统结构复杂度、测量成本、测量距离、测量结果后期处理等因素，采用频域测量方法，通过对UWB信道环境采集数据的后处理和参数估计，得到信道特征参数。

3 .UWB信道测量环境
3.1 测量设备的要求
3.1.1 设备信号源的要求
UWB信号传输带宽很宽，所以需要设备的信号源产生的信号带宽宽、动态范围大。

表2 信道测量方法比较测量域时域频域直接测量结果信号冲激响应 S参数信道
冲激响应的获得方法直接通过接收信号与发射脉冲卷积得到通过傅立叶反变换系
统分辨率由发射脉冲宽度决定由网分仪的测量带宽决定对仪表的要求脉冲发射器产生的脉冲宽度要小；数字示波器的采样率要高网分仪的灵敏度要高测量系统结构复杂度复杂简单测量成本高适中测量距离适合各种传输距离条件一般最大测量
距离不超过30 m
3.1.2 设备接收机的要求
（1）设备底噪对测量结果的影响：UWB是噪声级的信号，设备底噪越接近热噪
声（即-174 dBm），对测量结果影响越小。

（2）中频带宽的设置：中频带宽，即测量带宽。

中频带宽越小，接收机伴随有用信号接收到的宽带噪声就越少，即较窄的中频带宽能够扩大测量的动态范围。

但另一方面，中频带宽过窄会延长扫描时间；中频带宽过大，可能会丢失测量中的某些细节信息。

因此，中频带宽应小于信道频率选择性的几个数量级。

[3]
（3）收发同步，使S参数准确可靠。

（4）提供多种分析方法：UWB频域测量是通过直接测量信道的频率响应来实现。

理论上，使用傅立叶变换，时域和频域响应可得到同一结果，最终得到信道的冲激响应进行分析。

设备应具备实时频转换功能。

（5）存储文件的要求
·易于计算机处理；
·可对测量结果进行重放分析。

综上所述，本测量选用微波矢量网络分析仪PNA-XN5242A，其性能指标如下：·测量频率范围：10 MHz-26.5 GHz；
·测量端口数：4个；
·动态范围：127 dB；
·通道：32个；
·单次扫描测量数据点32001个；
·中频带宽范围：1 Hz-5 MHz；
·最大输出功率：30 dBm；
·具有时频转换。

存储文件类型包括：易于计算机处理的EXECL可读文件.csv格式；网络分析仪用
于数据重放分析的自定义文件格式.csa。

3.2 测量天线的要求
2008年12月6日，工信部无[2008]354号《关于发布超宽带（UWB）技术频率使用规定的通知》规定UWB技术的使用频段为4.2 GHz-4.8 GHz和6 GHz-9 GHz，所以要求天线在上述两个频段上参数特征良好。

本测量选用的天线为定制的2.3 GHz-18 GHz，0 dB增益的全向天线。

校准报告
显示天线在2.3 GHz-12 GHz的参数特征良好，满足测量需要。

3.3 馈线损耗对测量结果的影响
图2 传输线缆频响
图2中曲线1表示网络分析仪用罗森博格LA2-C125-6000低损耗的线缆作为馈线在暗室中测量的S21参数随频率的变化。

曲线2表示在同样条件下，网络分析仪用市场低价购置的线缆作为馈线在暗室中测量的S21参数随频率的变化。

罗森博格线缆在3 GHz-11GHz频段内随频率变化较小，而市场低价购置的线缆随频率变化很大。

线缆的损耗对测量结果的影响很大，所以选择损耗低的线缆对测量结果的准确性起到很重要的作用。

本测量选用的线缆为罗森博格低损耗射频电缆
LA2-C125-6000，阻抗为 50 Ω，带宽为 18 GHz，驻波比≤1.3，收发电缆长度为6 m。

4 UWB信道实测
本论文为完成“新一代宽带无线移动通信网”重大专项课题《超宽带设备的技术规范和性能评测》信道模型评测课题组的任务，测量超宽带信号在不同环境中的传输特征，收集大量的测量数据。

4.1 测量计划
测量计划具体内容包括如下部分。

（1）测量目的；
（2）测量依据；
（3）测量内容，包括：
·测量方法，具体有测量环境搭建，测量设备选择及设置，测量辅助工具清单；·测量场景，具体有布点原则，测量场景平面图；
·测量时间估算及人员任务分配原则。

（4）测量步骤；
（5）测量数据记录表。

4.2 测量环境搭建
测量环境由一对已校准的全向天线、矢量网络分析仪N5242A、传输电缆罗森博
格低损耗射频电缆LA2-C125-6000和远程控制终端IBM X301（Vista操作系统、2G内存、128 G硬盘）组成，具体连接如图3所示。

图3 测量环境搭建图
4.3 矢量网络分析仪参数设定
根据测量需求，确定测量设备参数，具体设置如表3所示。

表3 矢量网络分析仪参数参数设定值扫描方式频率扫描发射信号频率范围 2.3 G H z～11G H z发射信号功率 10 dBm扫频点数 5600个中频带宽 10 kH z是否进行时域转换是测量次数 10次测量量 S21参数文件存储格式 .CSA/.CSV
4.4 矢量网络分析仪校准
校准的目的是消除测量环境对测量结果引起的误差。

在测量中，采用电子校准件进行自动校准。

需要注意的是，校准时的设置测量状态应与实际测量状态相同。

这些测量状态包括：发射信号频率范围、发射信号功率、扫频点数、中频带宽等。

如校准后改变测量参数设置，将会使测量精度降低或等同于没有校准。

完成校准，保存校准文件，每次测量时，导入校准文件即可。

校准不只消除了网分仪的系统误差，也消除了外围测量传输电缆引入到测量系统中的误差。

校准数据保存格式为.CSA格式，文件保存了仪表的设置状态参数值。

4.5 测量场景
根据重大专项2009ZX03006-009《超宽带设备的技术规范和性能评测》信道评测子课题的任务要求，设计了如表4所示的测量场景。

表4 测量场景实验距离（m）自由空间暗室视距 2.3-111、2、4.7室内居住三
室一厅一卫视距/非视距 2.3-111-8应用场景实测环境实验条件频率范围（G H z）室内办公开间大办公室视距 2.3-111-6开间小办公室视距 2.3-111-5闭间办
公室视距 2.3-111-5大会议室视距 2.3-111-7小会议室视距 2.3-111-3穿透非视距 2.3-113-8实验区视距/非视距 2.3-111-10走廊视距/非视距 2.3-111-10
室外开阔地视距/非视距 2.3-111-8行业环境车厢视距/非视距 2.3-111-7地下
车库视距/非视距 2.3-111-10
4.6 测量过程
测量时，固定发射天线位置，不断移动接收天线改变发射、接收的传输距离。

由于测量的是静态信道，所有测量场景均在无人、无移动物体的条件下进行。

下面以暗室场景和走廊场景为例阐述测量过程。

4.6.1 暗室场景
暗室测量使用的暗室是5 m法全电波暗室。

本场景测量时间1天，测量人员16人。

测量过程：发射天线固定在旋转台，接收天线分别在1 m、2 m和4.7 m处进行
测量。

4.7 m处，旋转台每旋转10度测量一次，共36个测量点；2 m处，旋转
台每旋转20度测量一次，旋转了180度，共10个测量点；1 m处1个测量点。

具体测量场景如图4所示。

图4 暗室测量场景
图5 走廊测量布点图
4.6.2 走廊场景
走廊位于北京海淀学院路51号首享科技大厦12层。

走廊内部没有陈设物体，对
信号传输的影响主要来源于墙壁，墙壁除普通清漆外还包括窗户等玻璃材质，走廊布置以及测量位置如图5所示。

测量位置布点思路：发射点Tx01设在走廊中间处，此位置可很好的避免信号传输盲点；发射点Tx02设在走廊尽头处。

接收位置主要布置在靠近Tx02的走廊一头，为Rx01-Rx25共25个测量点。

收发天线最短距离0.958 m，最长距离9.738 m。

发射点Tx01，没有遮挡物，所有接收点都为视距接收点；发射点Tx02，有玻璃
柱子的遮挡，Rx15-Rx25共11个视距测量点、Rx01-Rx14共14个非视距测量点。

5 测量结果
以走廊场景为例，给出不同距离、视距和非视距条件下的测量结果比较图。

5.1 视距条件下选择距离在1-8 m之间的8个接收点进行比较
图6为视距条件下频域测量数据图，图7、图8为网络分析仪从频域转换为时域
的数据图，即未后处理的信道冲激响应。

图7反映了视距条件下，最大能量径是
首径，收发天线距离越长，首径时延扩展越大，呈现正相关。

图8反映了UWB信道在视距条件下，多径分量呈现成簇到达的特征。

图6 视距频域测量数据图
图7 视距时域测量数据图（1）
图8 视距时域测量数据图（2）
5.2 非视距条件下选取距离在4-10 m之间的7个接收点进行比较
图9为频域测量数据图，图10、图11为网络分析仪从频域转换为时域的数据图，即未后处理的信道冲激响应。

图10反映：非视距条件下，最大能量径不一定是首径；收发天线距离越长，首径时延扩展越大，呈现正相关。

图11反映：UWB信
道在非视距条件下，多径分量呈现成簇到达的特征。

UWB信道的测量结果验证了UWB信道的传输特征，为进一步统计分析UWB传
输信道特征，进而建立统计模型提供了直观、可靠的依据。

图9 非视距频域测量数据图
图10 非视距时域测量数据图（1）
图11 非视距时域测量数据图（2）
6 结语
信道测量技术的研究、方法的选用、环境的搭建、设备参数的设定、计划的制定、场景的布点等对测量结果的准确性起到至关重要的作用，是UWB信道研究的前提和基础。

MSTT
参考文献
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