基于LabWindows/CVI的3.5G頻段電波傳播測控技術
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摘要： 通常，無線傳播模型只是客觀上反映了進行模型校正地區的電波傳播的衰落規律，而事實上，由于各個地區的地形地貌千差萬別，利用單一的傳播模型已經無法進行統一的覆蓋計算，這就決定了當要把一個模型應用到其他地區時，必須對模型的一些參數進行修正，也就是傳播模型校正。同時，要完成蜂窩式移動通信系統小區規劃和優化，需要有一套相適應的場強覆蓋測量系統，完成測量場強功率等一系列參數。
Abstract：
Key words :
通常，無線傳播模型只是客觀上反映了進行模型校正地區的電波傳播的衰落規律，而事實上，由于各個地區的地形地貌千差萬別，利用單一的傳播模型已經無法進行統一的覆蓋計算，這就決定了當要把一個模型應用到其他地區時，必須對模型的一些參數進行修正，也就是傳播模型校正。同時，要完成蜂窩式移動通信系統" title="移動通信系統">移動通信系統小區規劃和優化，需要有一套相適應的場強覆蓋測量系統" title="測量系統">測量系統，完成測量場強功率等一系列參數。
因此，實際環境對無線信號的覆蓋情況有重要影響，無線信號的衰落與多徑分布情況將直接影響到寬帶無線移動通信系統的鏈路預算和系統性能，所以針對真實場景的無線傳播信號進行測量和統計就尤為重要。這將為后續的系統小區規劃、鏈路預算和算法設計的重要參數[3]。
對此，我們結合IMT-Advanced侯選頻段的無線電波環境特征，開展新一代無線通信系統電波傳播特性測量和建模研究。該研究將促進寬帶移動通信關鍵技術在實際環境下的組網應用。
目前，我國4G移動通信研究FuTURE計劃（863計劃）已經成功實現了3.5GHz頻段的寬帶移動通信現場試驗[4]。此次試驗采用了基于分布式無線電技術有效地克服了電波傳播衰落對寬帶系統性能的影響。本文在此基礎上，通過先進的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI，針對未來寬帶無線移動系統設計并實現了3.5GHz電波傳播特性測控系統" title="測控系統">測控系統，為進一步獲取了中國該類場景的電波傳播損耗實測模型提供了大量的實測數據，，以協助我國無線電頻譜管理權威部門開展新一代移動通信頻譜技術研究。
本文第2節首先介紹了虛擬儀器技術" title="虛擬儀器技術">虛擬儀器技術以及2G、3G的電波傳播測量系統的實現方法；第3節提出了4G移動通信系統IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz電波傳播測控技術的設計方法；第4節給出提取測控系統的功能結構，包括海量測量數據的存儲技術等；第5節測控系統運行及測量數據結果；最后給出研究結論。
2 傳統電波傳播測量與虛擬儀器開發技術
在移動通信系統中，由于移動臺不斷運動， 傳播信道不僅受到多普勒效應的影響，而且還受地形、地物的影響，另外移動系統本身的干擾和外界干擾也不能忽視。基于移動通信系統的上述特性，嚴格的理論分析很難實現，往往需對傳播環境進行近似、簡化，從而使得理論模型誤差較大。而針對傳統的移動通信系統最著名的統計模型是Okumura模型，它是Okumura以其在日本的大量測量數據為基礎統計出的以曲線圖表示的傳播模型。在Okumura 模型的基礎上，利用回歸方法擬合出便于計算機計算的解析經驗公式。這些經驗公式有適用于GSM900 宏蜂窩的Okumura-Hata公式、適用于GSM1800宏蜂窩的Hata擴展公式。另外還有適用于微蜂窩的Walfisch公式及室內傳播環境使用的Keenan-Motley 公式。這些經驗公式計算繁瑣并且與實際環境之間存在著或大或小的誤差。因此在實際的場強預測中，一般都以修正的Okumura-Hata 模型作為預測模型，利用計算機進行輔助預測，在一般測控技術規劃中，可以針對當地的實際無線環境作無線傳播特性測量后對上述公式進行修正。
目前可商用的集成到測控規劃中的射線跟蹤模型如Volcano 模型，WaveSight 模型以及WinProp 模型等就是通過理論分析方法來研究傳播模型的代表，但此類模型需要高精度（至少5m精度）含3D 建筑物信息的數字地圖，模型預測的準確性和數字地圖的精度和準確性密切相關，對于移動的車輛等影響無線信號傳播的因素在目前的理論分析方法中也都是無法考慮的，而且一般的理論分析方法都需要對傳播環境進行一定的近似和簡化，從而也引入了一定的誤差，目前基于理論分析方法的傳播模型并沒有獲得大規模的應用。
而對于電波傳播測量過程中的關鍵——測量數據的獲取，通常是采用專用測量設備及與之嚴格配套的測量技術實現，例如對WCDMA系統在進行電波傳播測量時，采用的就是Agilent公司生產的E7476A設備實現的。系統結構如下圖：
圖1 基于E7478A路測系統結構圖
從上圖中，不難看到傳統儀器的功能都是由儀器生產廠家來定義和制造的硬件及軟件來實現，在決定了系統功能的同時，也決定了用戶無法改變。盡管傳統儀器的精度、功能和性能隨著微電子技術的發展而不斷提高，但是對于復雜的測量參數較多的場合，使用起來很不方便，局限性愈發明顯。隨著虛擬儀器技術的出現，把計算機技術和儀器技術完美結合起來，充分利用計算機技術來實現或增強傳統儀器的功能。同時，虛擬儀器具有結構簡單、研制周期短、系統可擴展、維護方便、性能價格比好等特點。同時，它與網絡和外設的連接相當方便，有利于實現數據的處理和信息的共享。
虛擬儀器對測量儀器發展的深刻意義在于，其功能可以由用戶根據需要自行設計軟件來定義和擴展，而不是像傳統儀器那樣，功能只能由廠家事先定義并且固定不可變更[5]。這樣，用戶不必購買多臺不同功能或者昂貴的集多種功能于一身的傳統儀器，也不必不斷購買新的儀器。因為虛擬儀器技術可以與計算機同步發展，與網絡及其他外部設備互連，用戶只需根據需要改變軟件程序就可以不斷賦予或者擴展增強它的功能，
虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI是美國NI公司開發的Measurement Studio軟件組中的一員。它是32位的面向計算機測控領域的虛擬一起軟件開發平臺，可以在多操作系統（如Windows 98/NT/2000 /XP、Mac OS和Unix等）下運行[6]。
LabWindows/CVI以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活、應用廣泛的C語言與測控專業工具有機地結合起來，實現了數據的采集，分析和顯示。另外，它的集成化開發平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數大大增強了C語言的功能，使LabWindows/CVI自身功能更加強大，應用更加方便，成為測量技術開發人員建立檢測系統，自動測量環境，數據采集系統，過程監控系統等首選的開發環境[7]。
因此，考慮4G移動通信系統IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz電波傳播測量的特點，我們設計并成功應用了基于虛擬儀器技術的新型電波傳播測控系統3 4G電波傳播測量系統概述
3.1 測量系統架構
測量系統包括發射端和接收端兩部分，如圖2所示。發射端由信號發生器、功率放大器和發射天線組成。Agilent ESG信號發生器產生3.5GHz CW測量信號，發射端的功率放大器用于擴展測量范圍。接收端由頻譜分析儀、控制計算機和GPS接收機系統組成。Agilent PSA頻譜分析儀具有低噪聲、高采樣率的特點，GPS接收機采樣點的地理坐標。
實測過程中，接收信號功率與地理信息的實時測量結果通過控制計算機上開發的虛擬儀器技術獲得采集同步和自動儲存，從而保障測量滿足李氏定理條件，并且提高了測量效率。
圖2 測量系統框圖
3.2 測量系統指標
3.3 硬件接口
1. 測量信號：
RF信號：測量設備天線前端——頻譜儀輸入端
RS232輸出：GPS接收機輸出實時GPS信息
2. 控制信號：
GPIB總線：用于控制頻譜儀和功率計
3.4 測量環境
4 電波傳播測量系統的測控技術實現
電波傳播測量系統測控技術分為信息采集" title="信息采集">信息采集模塊和統計分析模塊兩部分。采集模塊運行于采集端的工業測控計算機上，可以完成頻譜儀采樣頻點配置，頻點功率采集與數據讀取和GPS 經緯度信息讀取與識別以及存儲等功能。統計模塊用于采集完成數據中場強數據與GPS數據的整合對應，每個GPS點的場強均值計算，覆蓋圖繪制和整體場強直方圖分布統計等功能。
4.1 信息采集模塊的設計與實現
采集系統包括頻譜分析儀配置，場強采集和GPS信息同步采集與數據存儲等一系列流程。模塊程序流程圖如3所示：
圖3 信息采集模塊程序流程圖
信息采集軟件模塊由信息采集工程項目文件構成的，該工程目錄中包括：
1) 工程項目文件：記錄了信息采集工程項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測量顯示界面上的繪圖框，參數輸入框，測量結果輸出框，操作按鈕等部件。
3) 工程頭文件：用于信息采集程序中顯示界面文件中面板、輸入輸出控件定義的頭文件。
4) 工程源文件：用于信息采集程序中顯示界面文件中面板、控件的消息響應的處理函數。
5) 儀器驅動文件：頻譜分析儀的驅動庫文件。
4.2 統計分析模塊
統計模塊主要功能時通過計算完成覆蓋圖繪制和整體場強直方圖分布統計等。程序模塊流程圖如下：
圖4 統計分析模塊程序流程圖
4.3 對GPIB總線的控制
Lab windows/CVI 提供GPIB/IEEE488.2 函數庫對GPIB 總線、GPIB 板和GPIB 儀器進行控制[8]。GPIB/IEEE488.2 函數庫提供一組高層通信控制函數，不需了解訪問GPIB 儀器和控制GPIB 總線底層協議，直接調用這些控制函數就可實現對GPIB總線的控制[9]。并可利用底層函數庫對GPIB 進行基本操作，以實現本測量系統設計中的特定功能。
4.4 GUI（Graphic User Interface）設計
為達到對測量設備的程控，在主控計算機上設計實現虛擬面板（如圖5所示），以對頻譜儀參數進行設置、跟蹤和顯示，并對數據進行保存，在具備儀器設備面板所有功能基礎上，增加分析和數據保存功能，為后續工作提供數據資料。虛擬頻譜儀利用Labwindows/CVI 提供的系統函數讀取頻譜儀的測量數據，為滿足數據存儲要求，讀取速度在100ms 左右。為能及時顯示所讀到的測量數據，需要用到PlotY 和DeleteGraphPlot 函數，用于曲線的顯示。ArrayToFile 函數將讀到的數據存儲到指定的數據文件中，為后續的數據后處理及建模奠定了基礎。
圖5 電波傳播測量軟件系統主界面
5 結論
本文首次運用虛擬儀器開發技術，以Lab windows/CVI 為開發平臺，完成了4G移動通信系統IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz新型電波傳播測控系統，本系統的實現從根本上解決了原有傳統的電波測量系統的靈活性低、可擴充性差等缺點，為后續的開發奠定了有力的技術基礎。
本測控技術通過GPIB 接口的PSA的控制，實現儀器的遠程啟動、參數設置、數據獲取及信息保存。其控制方式方便靈活，簡化系統操作，滿足測量系統需求，同時，在實際的測量中所獲得的大量真實而寶貴的數據，為數據的后處理分析及建模奠定了重要的基礎。
因此，實際環境對無線信號的覆蓋情況有重要影響，無線信號的衰落與多徑分布情況將直接影響到寬帶無線移動通信系統的鏈路預算和系統性能，所以針對真實場景的無線傳播信號進行測量和統計就尤為重要。這將為后續的系統小區規劃、鏈路預算和算法設計的重要參數[3]。
對此，我們結合IMT-Advanced侯選頻段的無線電波環境特征，開展新一代無線通信系統電波傳播特性測量和建模研究。該研究將促進寬帶移動通信關鍵技術在實際環境下的組網應用。
目前，我國4G移動通信研究FuTURE計劃（863計劃）已經成功實現了3.5GHz頻段的寬帶移動通信現場試驗[4]。此次試驗采用了基于分布式無線電技術有效地克服了電波傳播衰落對寬帶系統性能的影響。本文在此基礎上，通過先進的虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI，針對未來寬帶無線移動系統設計并實現了3.5GHz電波傳播特性測控系統" title="測控系統">測控系統，為進一步獲取了中國該類場景的電波傳播損耗實測模型提供了大量的實測數據，，以協助我國無線電頻譜管理權威部門開展新一代移動通信頻譜技術研究。
本文第2節首先介紹了虛擬儀器技術" title="虛擬儀器技術">虛擬儀器技術以及2G、3G的電波傳播測量系統的實現方法；第3節提出了4G移動通信系統IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz電波傳播測控技術的設計方法；第4節給出提取測控系統的功能結構，包括海量測量數據的存儲技術等；第5節測控系統運行及測量數據結果；最后給出研究結論。
2 傳統電波傳播測量與虛擬儀器開發技術
在移動通信系統中，由于移動臺不斷運動， 傳播信道不僅受到多普勒效應的影響，而且還受地形、地物的影響，另外移動系統本身的干擾和外界干擾也不能忽視。基于移動通信系統的上述特性，嚴格的理論分析很難實現，往往需對傳播環境進行近似、簡化，從而使得理論模型誤差較大。而針對傳統的移動通信系統最著名的統計模型是Okumura模型，它是Okumura以其在日本的大量測量數據為基礎統計出的以曲線圖表示的傳播模型。在Okumura 模型的基礎上，利用回歸方法擬合出便于計算機計算的解析經驗公式。這些經驗公式有適用于GSM900 宏蜂窩的Okumura-Hata公式、適用于GSM1800宏蜂窩的Hata擴展公式。另外還有適用于微蜂窩的Walfisch公式及室內傳播環境使用的Keenan-Motley 公式。這些經驗公式計算繁瑣并且與實際環境之間存在著或大或小的誤差。因此在實際的場強預測中，一般都以修正的Okumura-Hata 模型作為預測模型，利用計算機進行輔助預測，在一般測控技術規劃中，可以針對當地的實際無線環境作無線傳播特性測量后對上述公式進行修正。
目前可商用的集成到測控規劃中的射線跟蹤模型如Volcano 模型，WaveSight 模型以及WinProp 模型等就是通過理論分析方法來研究傳播模型的代表，但此類模型需要高精度（至少5m精度）含3D 建筑物信息的數字地圖，模型預測的準確性和數字地圖的精度和準確性密切相關，對于移動的車輛等影響無線信號傳播的因素在目前的理論分析方法中也都是無法考慮的，而且一般的理論分析方法都需要對傳播環境進行一定的近似和簡化，從而也引入了一定的誤差，目前基于理論分析方法的傳播模型并沒有獲得大規模的應用。
而對于電波傳播測量過程中的關鍵——測量數據的獲取，通常是采用專用測量設備及與之嚴格配套的測量技術實現，例如對WCDMA系統在進行電波傳播測量時，采用的就是Agilent公司生產的E7476A設備實現的。系統結構如下圖：
圖1 基于E7478A路測系統結構圖
從上圖中，不難看到傳統儀器的功能都是由儀器生產廠家來定義和制造的硬件及軟件來實現，在決定了系統功能的同時，也決定了用戶無法改變。盡管傳統儀器的精度、功能和性能隨著微電子技術的發展而不斷提高，但是對于復雜的測量參數較多的場合，使用起來很不方便，局限性愈發明顯。隨著虛擬儀器技術的出現，把計算機技術和儀器技術完美結合起來，充分利用計算機技術來實現或增強傳統儀器的功能。同時，虛擬儀器具有結構簡單、研制周期短、系統可擴展、維護方便、性能價格比好等特點。同時，它與網絡和外設的連接相當方便，有利于實現數據的處理和信息的共享。
虛擬儀器對測量儀器發展的深刻意義在于，其功能可以由用戶根據需要自行設計軟件來定義和擴展，而不是像傳統儀器那樣，功能只能由廠家事先定義并且固定不可變更[5]。這樣，用戶不必購買多臺不同功能或者昂貴的集多種功能于一身的傳統儀器，也不必不斷購買新的儀器。因為虛擬儀器技術可以與計算機同步發展，與網絡及其他外部設備互連，用戶只需根據需要改變軟件程序就可以不斷賦予或者擴展增強它的功能，
虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI是美國NI公司開發的Measurement Studio軟件組中的一員。它是32位的面向計算機測控領域的虛擬一起軟件開發平臺，可以在多操作系統（如Windows 98/NT/2000 /XP、Mac OS和Unix等）下運行[6]。
LabWindows/CVI以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活、應用廣泛的C語言與測控專業工具有機地結合起來，實現了數據的采集，分析和顯示。另外，它的集成化開發平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數大大增強了C語言的功能，使LabWindows/CVI自身功能更加強大，應用更加方便，成為測量技術開發人員建立檢測系統，自動測量環境，數據采集系統，過程監控系統等首選的開發環境[7]。
因此，考慮4G移動通信系統IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz電波傳播測量的特點，我們設計并成功應用了基于虛擬儀器技術的新型電波傳播測控系統3 4G電波傳播測量系統概述
3.1 測量系統架構
測量系統包括發射端和接收端兩部分，如圖2所示。發射端由信號發生器、功率放大器和發射天線組成。Agilent ESG信號發生器產生3.5GHz CW測量信號，發射端的功率放大器用于擴展測量范圍。接收端由頻譜分析儀、控制計算機和GPS接收機系統組成。Agilent PSA頻譜分析儀具有低噪聲、高采樣率的特點，GPS接收機采樣點的地理坐標。
實測過程中，接收信號功率與地理信息的實時測量結果通過控制計算機上開發的虛擬儀器技術獲得采集同步和自動儲存，從而保障測量滿足李氏定理條件，并且提高了測量效率。
圖2 測量系統框圖
3.2 測量系統指標
表 1 電波傳播系統指標
3.3 硬件接口
1. 測量信號：
RF信號：測量設備天線前端——頻譜儀輸入端
RS232輸出：GPS接收機輸出實時GPS信息
2. 控制信號：
GPIB總線：用于控制頻譜儀和功率計
3.4 測量環境
表2 測量環境概況
4 電波傳播測量系統的測控技術實現
電波傳播測量系統測控技術分為信息采集" title="信息采集">信息采集模塊和統計分析模塊兩部分。采集模塊運行于采集端的工業測控計算機上，可以完成頻譜儀采樣頻點配置，頻點功率采集與數據讀取和GPS 經緯度信息讀取與識別以及存儲等功能。統計模塊用于采集完成數據中場強數據與GPS數據的整合對應，每個GPS點的場強均值計算，覆蓋圖繪制和整體場強直方圖分布統計等功能。
4.1 信息采集模塊的設計與實現
采集系統包括頻譜分析儀配置，場強采集和GPS信息同步采集與數據存儲等一系列流程。模塊程序流程圖如3所示：
圖3 信息采集模塊程序流程圖
信息采集軟件模塊由信息采集工程項目文件構成的，該工程目錄中包括：
1) 工程項目文件：記錄了信息采集工程項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測量顯示界面上的繪圖框，參數輸入框，測量結果輸出框，操作按鈕等部件。
3) 工程頭文件：用于信息采集程序中顯示界面文件中面板、輸入輸出控件定義的頭文件。
4) 工程源文件：用于信息采集程序中顯示界面文件中面板、控件的消息響應的處理函數。
5) 儀器驅動文件：頻譜分析儀的驅動庫文件。
4.2 統計分析模塊
統計模塊主要功能時通過計算完成覆蓋圖繪制和整體場強直方圖分布統計等。程序模塊流程圖如下：
圖4 統計分析模塊程序流程圖
4.3 對GPIB總線的控制
Lab windows/CVI 提供GPIB/IEEE488.2 函數庫對GPIB 總線、GPIB 板和GPIB 儀器進行控制[8]。GPIB/IEEE488.2 函數庫提供一組高層通信控制函數，不需了解訪問GPIB 儀器和控制GPIB 總線底層協議，直接調用這些控制函數就可實現對GPIB總線的控制[9]。并可利用底層函數庫對GPIB 進行基本操作，以實現本測量系統設計中的特定功能。
4.4 GUI（Graphic User Interface）設計
為達到對測量設備的程控，在主控計算機上設計實現虛擬面板（如圖5所示），以對頻譜儀參數進行設置、跟蹤和顯示，并對數據進行保存，在具備儀器設備面板所有功能基礎上，增加分析和數據保存功能，為后續工作提供數據資料。虛擬頻譜儀利用Labwindows/CVI 提供的系統函數讀取頻譜儀的測量數據，為滿足數據存儲要求，讀取速度在100ms 左右。為能及時顯示所讀到的測量數據，需要用到PlotY 和DeleteGraphPlot 函數，用于曲線的顯示。ArrayToFile 函數將讀到的數據存儲到指定的數據文件中，為后續的數據后處理及建模奠定了基礎。
圖5 電波傳播測量軟件系統主界面
本文首次運用虛擬儀器開發技術，以Lab windows/CVI 為開發平臺，完成了4G移動通信系統IMT-Advanced侯選頻段3.5GHz新型電波傳播測控系統，本系統的實現從根本上解決了原有傳統的電波測量系統的靈活性低、可擴充性差等缺點，為后續的開發奠定了有力的技術基礎。
本測控技術通過GPIB 接口的PSA的控制，實現儀器的遠程啟動、參數設置、數據獲取及信息保存。其控制方式方便靈活，簡化系統操作，滿足測量系統需求，同時，在實際的測量中所獲得的大量真實而寶貴的數據，為數據的后處理分析及建模奠定了重要的基礎。
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