无线信道仿真仪简介

无线信道仿真仪，也称作无线信道模拟器，是电子与通信领域用来仿真无线衰落信道的电子仪器。由于其能根据用户自定义的信道模型进行衰落信道半实物仿真，大大节约了用户外场测试成本，因而广泛应用于无线通信、导航定位和复杂电磁环境仿真测试等领域。

无线信道仿真仪工作原理

无线信道仿真仪的工作原理满足时域卷积定理

（1）

其中x(t)为t时刻的输入信号，y(t)为t时刻衰落信道的输出信号，h(t)为t时刻的信道冲击响应，τ是多径的时延。公式（1）表明，无线信道仿真仪对输入信号添加衰落是在时延域进行卷积，而不是时域卷积，这点容易引起混淆。

我们经常说AWGN（又称加性高斯白噪声）信道是一种“加性”信道，衰落信道是一种“乘性”信道，都是从时域去衡量的。当衰落信道只有一条径的时候，可以对公式（1）做简化：

公式（2）表明，在时域（t）上，衰落信道是一种“乘性”信道。

根据无线电波传播信道中的广义稳态非相关散射假设，多径之间的信道冲击响应是不相关的。如果由公式（1）实现无线衰落信道仿真，由于信道的多径是在衰落仿真之前已经建模完成，则需要根据不同的信道模型对多径的信道冲击响应进行重采样以实现多径的时延。以5G信道模型为例，其多径时延一般在纳秒级，这就对基带的信道建模提出了极大的数据处理要求。为了避免建模时的数据重采样（需要提高基带采样率，降低建模时间效率），再次考虑公式（1），根据卷积的交换律性质，公式（1）可以写成：

（3）

从公式（3）可以看出，对信道的多径完成建模后，不需要多冲击响应进行重采样操作，只需要对输入的已知信号进行延迟即可。数据的延迟可以使用逻辑电路进行存储与读取操作，大大简化了数据处理的复杂度。

考虑仿真仪的数字实现，公式（3）写成离散形式

（4）

根据线性时不变系统的因果性质

（5）

公式（4）最终可以写成

（6）

上述公式（6）就是无线信道仿真仪在时域进行衰落信道叠加的整体实现结构-抽头延迟线模型，如下图所示：

图1 无线信道仿真仪抽头延迟线模型

根据上图的抽头延迟线模型，可以看出仿真仪共实现了 Ν条衰落多径的叠加。无线信道仿真仪通过射频通道完成模拟下变频，AD采样后得到用户输入的基带数字信号，即上图中的  。考虑多径相对时延，以及满足波长及衰落仿真，仿真仪的数字域通过FPGA实现上述抽头延迟线模型。衰落信道仿真时，仿真仪的输入信号直接和第一条径在n时刻的冲击响应相乘，同时对输入信号进行延迟（第二条多径的延迟）后和第二条径在n时刻的冲击响应相乘，依次类推，直至完成n时刻的N条衰落多径的冲击响应叠加并输出，仿真仪就完成了n时刻的基带衰落信道仿真。FPGA输出经历基带衰落的信号通过DA转换成模拟信号并经过射频通道完成上变频，通过仿真仪的物理射频端口输出给用户接收设备。

抽头延迟线模型阐述了当前时刻 t衰落信道的叠加情况。实际的无线信道是时变信道，即h(t)会随着时间的变化而不断变化，这就要求仿真仪按照一定的时间间隔不断更新 h(t)以模拟时变信道。更新h(t) 的时间间隔一般和收发设备的相对运动速度有关系，其需要信道建模和仿真仪进行联合交互控制以实现时变衰落信道的仿真。

假设半波长采样密度为ρ，表示信道建模过程中半个波长长度上的采样点数，两个采样点之间的间隔为d=λ/2ρ，λ表示波长，如下图所示。假设终端从a点运动到b点，其传播时延由L1/c 转变成L2/c  ，其中 c表示光速，传播时延的控制由无线信道仿真仪硬件通过对输入信号进行延迟控制。

图2 轨迹采样点示意图

根据多普勒公式：

(7)

其中，fcenter为中心频率，v表示终端运行速度， θ为来波角度，其依据收发两端的几何关系确定。根据v=d/t0 ，t0表示两个样点之间的采样时间，把v带入公式（7）可得

(8)

令Fs=1/t0表示基带采样率，则公式（8）可以表示为：

(9)

其中 fd,max=fcenterv/c 表示最大多普勒频移。当终端速度 v一定时，fd,max就是确定值。公式（9）表明了无线信道仿真仪只要严格控制t0，且实时根据几何关系计算空间角度θ（可以通过方位角和俯仰角来表示），即可实现对多普勒频移的控制，完成时变衰落信道的仿真。坤恒顺维KSW GSCM信道建模软件负责实现上述无线衰落信道建模功能。

图3 坤恒顺维GSCM信道建模软件

无线信道仿真仪应用场景

真实的无线通信场景和无线信道环境紧密相关，无线信道仿真仪的衰落信道仿真也是如此。无线信道仿真仪提供丰富的测试场景以满足不同客户的不同通信场景测试需求，主要有：

大规模MIMO通信场景

图4 KSW64 X 16 @ 100MHz MASSIVE MIMO仿真

大规模组网通信场景

无线通信一体化全天候自组织网络模式深刻影响着如今的数字世界。组网通信，尤其是大规模组网通信因天气、地形、调度等影响，对实地测试的要求苛刻，往往花费巨大的人力物力而得不到满意的结果。组网型无线信道仿真仪的出现成功的解决了上述问题。

图5 KSW组网信道仿真仪仿真拓扑示意

OTA测试场景

在OTA测试系统出现之前，传导测试以其高效、可控和可复现的特性成为无线通信测试系统中最常见的方案。但传导测试也有其劣势的一面：

1) 大规模天线阵列导致无线信道仿真仪射频端口数量增加，测试成本和复杂性急剧上升；

2) 传统基带模块和射频模块分开测试的方式，导致实际测试结果和设备整体性能之间存在误差；

3) 随着频段的提升，设备厂商从产品整体性能考虑，可能取消测试的接口，使其不能进行传导测试；

4) 天线对MIMO系统指标的影响很大，只有OTA测试包括了天线性能在内的系统整体指标测试；

综上，对于大规模MIMO系统而言，更具挑战性的OTA测试就变得十分必要。

图6 KSW OTA测试系统

整个测试系统主要由无线电综测仪、变频功放单元、无线信道仿真仪和基站暗室四部分组成：综测仪（终端模拟器）导入/导出终端测试信号，经过变频器把FR2频段信号变频至仿真仪工作频段。作为整个系统最核心的部件，无线信道仿真仪实现目标信道的添加；暗室中转台主要功能是模拟基站旋转、远离或靠近探头墙时对系统测试性能的影响。待测基站对面布置指定个数的探头，用于模拟空间信道的来波方向，其配合信道仿真仪给待测设备营造一个理想且100%可重复的测试环境。

图7 KSW OTA信道建模工具

卫星通信场景

为了仿真星地、星间卫星无线衰落信道，卫星信道建模专用的DMT动态信道建模软件，可以实现无线信道仿真仪在卫星信道的仿真。

图8 坤恒顺维DMT动态卫星信道建模软件

车联网通信场景

为满足车联网通信的仿真需求，在几何信道建模的基础上开发了基于车联网的信道仿真系统，可支持3GPP-37885协议中定义的不同频段、不同天线类型（通信单元）与各种场景的车联网通信仿真。

图9 车联网Macros BS 阵子单元（8*8）方向图

无线信道仿真仪总结

本文对无线信道仿真仪的工作原理及应用场景做了简要说明，KSW-WNS02B无线信道仿真仪能够对多径效应、多普勒频移、动态时延、干扰信号叠加、信噪比等进行仿真，还具有单台设备最大支持64个射频双工通道、最大支持2048条衰落信道、 单通道最大600MHz信号带宽，聚合带宽最大2GHz信道、 时延最大3秒、 高达110dB的大尺度衰落范围等特点。无线信道仿真仪可以仿真各种场景的复杂电磁信号环境及传播路径，极大减少外场测试成本，加速无线通信系统的研发和验证，是无线通信研发人员的得力工具。