技术领域
[0001] 本
发明涉及无线通信领域，特别涉及一种信道数据回放方法及装置。
背景技术
[0002] 在未来无线通信系统中，多天线技术(MIMO)将得到广泛的应用。研究表明，MIMO信道的容量与空间多径信道的特征密切相关。因此，对MIMO系统以及相关
算法性能的充分测试和验证，最好是在实际的外场无线传播环境中完成。
[0003] 但是，对于现处于理论研究阶段的MIMO系统，其外场测试环境的搭建较为困难，获取多样化信道特征的能
力有限。因此，借助信道测量设备对无线信道特征进行大量精确测量记录，并在此
基础上借助信道仿真仪，
微波暗室等设备和实验环境，实现外场实际信道测量数据的重构和回放，成为了解决上述困难的一个公认方案。
[0004] 另外，随着新技术产业化
进程的不断深入，未来在验证拥有多天线的无线终端实际性能时，为了对多天线耦合性能进行充分测试，不可避免地要采用暗室环境下的OTA(Over-the-air)测试技术。而如果能完成多径信道特征的精确记录和回放，那么在测试时就可以搭建出一套模拟真实无线网络环境下的测试系统，在微波暗室中结合OTA技术，完成对终端多项性能指标的充分验证。
[0005] 由此可见，多径信道特征的采集回放技术的升级，将大大推动整个产业链的发展。
[0006] 现有多径信道特征采集回放系统的一个显著缺点是，在信道特征的采集和记录时，不可避免地将用于测量信道特征的收发天线阵列特征也记录在内，并且很难将这部分影响从测量得到的信道冲激响应(CIR)中剔除出去。这样的信道测量结果并不是对真实无线信道特征最纯粹的反映，因此无论是用于原理验证还是用于系统测试，都将带来较大的误差和局限性。
[0007] 另外，现有的信道回放系统都无法支持MIMO-OTA测试方案。当前MIMO-OTA测试中采用的信道特征都是由标准化的随机信道模型给出，这样产生的信道与实际信道的偏差目前还无法避免。为了保证测试验证的有效性，有必要从实际的信道测量中，获取
空域信道特征来回放测试。
发明内容
[0008] 针对
现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种信道数据回放方法及装置，实现在外场环境中对多径传播信道的特征的精确记录，以及在实验室环境中实现对测量得到的纯粹信道，即不含测量天线信息的多径特征进行精确回放。
[0009] 一种信道数据回放方法，包括以下步骤：
[0010] 信道测量步骤：对收发端的多天线阵列的阵列响应进行优化，并在发端发送在各个发射阵元彼此
正交的Zadoff-Chu序列组，同时在收端各个接收阵元并行接收，记录无线多径信道的空时特征；
[0011] 信道参数估计步骤：采用信道参数估计算法估计信道多径传播特征；
[0012] 信道回放步骤：在实验室环境中对测量得到的去除测量天线信息的多径特征进行精确回放。
[0013] 进一步地，所述信道测量步骤具体包括：
[0014] 通过对天线阵列进行重新排布，即调整各个阵元
位置和方向
角θ、φ，或更换阵元天线，使所选取阵列的有效阵列分布函数 i∈{T,R}满足：
[0015]
[0016] 其中，T、R分别表示发射与接收， 表示克罗内克积，vec(·)表示将矩阵列向量化，N是天线校准的
采样点数；a中的第n个元素为：
[0017]
[0018] 其中，n＝1,…,N；
[0019] 使用Zadoff-Chu序列作为探测
信号的基带信号，不同发射天线的序列赋予不同的循环延迟值，以保证各个发射天线上的发射信号正交；
[0020] 在接收端采用多个
射频信号并行地分别对每个天线的射频
输出信号进行下变频采样和记录；所述多个射频，在测量前预先进行精同步，校准和精确补偿。
[0021] 进一步地，所述信道参数估计步骤中的信道参数估计算法包括：空间交替-
期望最大化算法，结合
粒子群优化的
迭代最小二乘算法；用于估计出信道多径传播特征。
[0022] 更进一步地，所述信道多径传播特征是以径为单元的子集βp，每个子集内包括所述径的时延τp，
水平发射角θT,p，
俯仰发射角φT,p，水平接收角θR,p，俯仰接收角φR,p，径多普勒速度vp，水平-水平极化幅度αHH,p，水平-水平极化
相位 水平-垂直极化幅度αHV,p，水平-垂直极化相位 垂直-水平极化幅度αVH,p，垂直-水平极化相位 垂直-垂直极化幅度αVV,p，垂直-垂直极化相位
[0023] 进一步地，所述信道回放步骤包括：
[0024] 根据所述估计得到的信道多径传播特征，以及预先在暗室环境内测得的实际无线传输系统收发端的天线阵列响应特征进行计算，得到信道模拟所需的多天线系统的信道冲激响应，并与来自实际无线传输系统的采样信号在基带完成卷积；
[0025] 所述多天线系统的信道冲激响应H(τ)的计算按照双端方向性模型进行，公式如下：
[0026]
[0027] Ci,p＝[ciH(θi,p,φi,p),ciV(θi,p,φi,p)]
[0028]
[0029] 其中，P是径数目，δ是单位冲激函数，Ci,p,i∈{T,R}是一个Ni×2维的、包含两个极化方向的天线阵列导向矩阵，Ni为实际无线传输系统的收或发端天线数目，T、R分别表示发射与接收，λ为
波长，Tb为传输
块间隔，k为传输块序号；
[0030] 所述来自实际无线传输系统的采样信号，是指从信道回放装置射频端输入的，实际多天线无线传输系统发射机中的多流射频信号；通过对这些信号分别进行下变频、数字基带卷积和上变频，并最终由信道回放装置的射频输出端输出到实际无线传输系统接收机的多天线射频流输入端上，来达到模拟射频信号在无线信道中的多径传播效果。
[0031] 作为上述信道回放方法的改进，另一种信道回放方法包括以下步骤：
[0032] 根据所述估计得到的信道多径传播特征，以及预先在暗室环境内测得的实际无线传输系统收发端的天线阵列响应特征进行计算，得到从发射端多天线阵列到暗室天线阵阵元端口的等效信道冲激响应，并与来自实际无线传输系统的采样信号在基带完成卷积，进一步馈送到暗室中的某些多天线阵元端口上，这些多天线阵元能对待测终端提供与所述多径传播特征一致的到达角；
[0033] 所述信道冲激响应H(τ)为：
[0034]
[0035]
[0036] CT,p＝[cTH(θT,p,φT,p),cTV(θT,p,φT,p)]
[0037]
[0038] 其中，P是径数目， 是暗室的天线
馈线数目，δ是单位冲激函数。CT,p是一个NT×2维的、包含两个极化方向的天线阵列导向矩阵，NT为实际无线传输系统的发端天线数目，λ为波长，Tb为传输块间隔，k为传输块序号；
[0039] 所述来自实际无线传输系统的采样信号，是指从信道回放装置射频端输入的，实际多天线无线传输系统发射机中的多流射频信号；通过对这些信号分别进行下变频、数字基带卷积和上变频，并最终由信道回放装置的射频输出端输出到实际无线传输系统接收机的多天线射频流输入端上，来达到模拟射频信号在无线信道中的多径传播效果。
[0040] 为了实现上述方法，本发明提供了一种信道数据回放装置，所述装置包括：信道测量系统和信道回放系统；其中，信道测量系统用于记录无线多径信道的空时特征；信道回放系统用于在实验室环境中回放传输去除测量天线信息的无线多径信道特征。
[0041] 所述信道测量系统还包括：
[0042] Zadoff-Chu序列生成器，用于生成在时频域都具有平坦特征且具有循环延迟正交特性的Zadoff-Chu序列；
[0043] 射频发射模块组，用于将Zadoff-Chu序列生成器生成的Zadoff-Chu序列上变频到回放中所需要的频点上，并送至发射天线阵列，不同的发射阵元对应于不同的循环延迟；
[0044] 发射天线阵列，用于发射射频信号；
[0045] 接收天线阵列，用于接收发射天线阵列发射的射频信号；
[0046] 射频接收模块组，用于并行地将接收天线阵列接收到的射频信号进行下变频；
[0047] 信道估计单元，用于对射频接收模块组输出的下变频信号进行快速付里叶变换FFT、
最小均方误差MMSE估计运算操作，得到信道冲击响应CIR的时频域表达式；
[0048] 存储单元，用于存储测得的信道冲击响应。
[0049] 所述信道回放系统包括：
[0050] 重构计算模块，对估计得到的多径传播特征与预先在暗室环境内经测量校准得到的基站端和终端天线响应，根据双端方向性信道模型进行计算，得到基站端多天线端口到终端多天线端口的信道冲击响应CIR；
[0051]
数字信号处理模块，将重构计算模块得到的信道冲击响应与输入射频信号进行卷积，模拟经过实际信道后的输出信号。
[0052] 作为上述信道回放系统的改进，另一种信道回放系统包括：
[0053] 重构计算模块，对估计得到的多径传播特征与预先在暗室环境内经测量校准得到的基站天线响应，根据双端方向性信道模型进行计算，得到基站端多天线端口到终端周围多个来波方向之间的信道冲击响应CIR；
[0054] 数字
信号处理模块，将重构计算模块得到的信道冲击响应与输入射频信号进行卷积，模拟经过实际信道后的终端周围各个散射方向上来波的时域
波形；
[0055] 暗室天线切换单元，根据数字信号处理模块输出的各个散射方向上来波的时域波形以及相应的到达角，选择终端到达角与输入值最接近的暗室天线探针，将射频信号馈送到该探针上；
[0056] 全消声微波暗室，通过天线探针向终端发送射频信号，完成对实际信道的模拟回放。
[0057] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0058] 本发明通过对信道测量系统和信道测量方法的优化，保证了对纯粹信道的空时特征的充分记录。
[0059] 本发明通过对空时特征的精确估计，可以消除信道记录中测量天线响应的影响，并在实际应用中结合所需实际无线系统的天线响应。
[0060] 本发明通过数字
基带处理方法与微波暗室相结合，可以实现射频级的无线信道模拟和无线接收场重构，满足无线研究领域中的平台验证和测试环境搭建等需求。
附图说明
[0061] 图1为本发明
实施例涉及的一种信道回放方法的
流程图；
[0062] 图2为本发明实施例涉及的信道测量系统的组成
框图；
[0063] 图3为本发明实施例涉及的信道回放系统的组成框图：(a)为第一种信道回放系统，(b)为第二种信道回放系统；
[0064] 图4为本发明实施例涉及的信道参数估计方法流程图。
具体实施方式
[0065] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0066] 本发明提供一种可剔除测量天线响应、可结合全消声暗室的信道回放方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0067] S1、信道测量：记录宽带无线多径信道的空时特征；
[0068] S2、信道参数估计：根据测量得到的信道冲激响应，基于双端方向性信道模型，对多径传播特征进行估计；
[0069] S3、信道回放：将估计得到的多径传播特征信息，与某一具体无线系统内的收发天线阵列响应结合，得到一组新的信道冲激响应，从而得到天线响应可替换的效果，在实验室内，使用射频连接和全消声微波暗室，回放时模拟复现外场信道环境。
[0070] 实现本发明所述方法的信道回放装置的组成示意图如图2、3所示，包括信道测量系统1与信道回放系统2。
[0071] 信道测量系统1的结构示意图如图2所示，包括：Zadoff-Chu序列生成器11，射频发射模块组12，发射天线阵列13，接收天线阵列14，射频接收模块组15，信道估计器16，存储单元17。
[0072] 本发明给出了信道回放系统2的两种实施方式，它们的结构示意图分别如图3(a)、(b)所示。其中，
[0073] 第一种信道回放系统包括：重构计算模块211，数字信号处理模块212；
[0074] 第二种信道回放系统包括：重构计算模块221，数字信号处理模块222，暗室天线切换单元，全消声微波暗室。
[0075] 进行信道测量的方法包括以下步骤：
[0076] S11、Zadoff-Chu序列生成器11生成在时频域都具有平坦特征的Zadoff-Chu序列，并送至射频发射模块组12；
[0077] S12、射频发射模块组12将Zadoff-Chu序列生成器生成的Zadoff-Chu序列上变频到回放中所需要的频点上，由发射天线阵列13向空中
辐射；
[0078] S13、接收天线阵列14接收发射天线阵列13发射的射频信号，然后送至射频接收模块15；
[0079] S14、射频接收模块组15将接收天线阵列14接收到的射频信号进行下变频，并送至信道估计单元16；
[0080] S15、信道估计单元16对射频接收模块组15输出的下变频信号进行快速付里叶变换FFT、最小均方误差MMSE估计运算操作，得到信道冲击响应CIR的时频域表达式，然后将信道冲击响应存入存储单元17。
[0081] 进行信道参数估计的流程示意图如图4所示，包括以下步骤：
[0082] S21、初始化：设定待估计的多径数目为P，令残留的冲激响应CIR初始化为测量得到的信道冲激响应，令径序号p＝1；
[0083] S22、依据最小二乘原则，从信道冲激响应中估计出第p条径的时延、收发角、极化功率、极化相位等重要参数。估计中求解最优值的方法为粒子群
优化算法；
[0084] S23、依据S2估计得到的参数，重构出第p径的冲激响应，在残留信道冲激响应中减去所得到的第p条径的冲击响应，获得新的残留冲激响应；
[0085] S24、p＝p+1，如果p>P，终止算法，输出所估计得到的所有P条径的参数；否则，返回步骤S2。
[0086] 应用第一种信道回放系统进行信道回放，包含以下步骤：
[0087] S311、读取步骤S21～S24得到的以径为单位元素的多径传播特征集合；
[0088] S312、读取基站端天线阵列响应，基站端天线响应的获取，是通过预先在全消声微波暗室对实际的基站端天线阵列进行精确的校准测定得到；
[0089] S313、读取终端天线阵列响应，终端天线响应的获取，是通过预先在全消声微波暗室对实际的终端天线阵列进行精确的校准测定得到；
[0090] S314、将测得的多径传播特征与基站端和终端天线响应的测量校准文件送到重构计算模块211，根据双端方向性信道模型，计算得到基站端多天线端口到终端多天线端口的信道CIR；
[0091] S315、将CIR送入模拟信道特征的数字信号处理模块212，与输入射频信号完成卷积，输出经过“信道”后得到的输出信号。
[0092] 应用第二种信道回放系统进行信道回放，包含以下步骤：
[0093] S321、读取步骤S21～S24得到的以径为单位元素的多径传播特征集合；
[0094] S322、读取基站端天线阵列响应；
[0095] S323、将测得的多径传播特征与基站端天线响应的测量校准文件送到重构计算模块321，根据双端方向性信道模型，计算得到基站端多天线端口到终端周围多个来波方向之间的信道CIR；
[0096] S324、将CIR送入模拟信道特征的数字信号处理模块322，与输入射频信号完成卷积，输出经过“信道”后得到的，终端周围各个散射方向上来波的时域波形；
[0097] S325、将各个散射方向上来波的时域波形以及相应的到达角，分别通过射频
电缆和数字电缆馈送到暗室天线切换单元323的射频输入口和数字输入端口上，暗室天线切换单元323选择终端到达角与输入值最接近的暗室天线探针，将射频信号馈送到该探针上；
[0098] S326、在全消声微波暗室324中，通过天线探针向终端发送射频信号，完成对实际信道的模拟回放。
