基于天線及傳輸信道模型建模的方法的研究與仿真實(shí)現(xiàn)

1、論述

在通信系統(tǒng)或雷達(dá)系統(tǒng)中，天線模型需要和通信信道或雷達(dá)使用場(chǎng)景等緊密結(jié)合，共同作用。

對(duì)于通信或雷達(dá)系統(tǒng)，天線都扮演著發(fā)射及接收電磁波的角色。天線性能的好壞，會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響。傳統(tǒng)理論和仿真技術(shù)，很少將天線放入通信/雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行整體考量。天線設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的是天線的方向性、效率、體積等指標(biāo)，很少考慮天線和傳輸信道的配合，更難得考慮天線特性會(huì)對(duì)系統(tǒng)系能造成怎樣的影響。

本文通過(guò)研究業(yè)界針對(duì)通信終端及雷達(dá)系統(tǒng)中天線及傳輸信道模型建模的方法及系統(tǒng)仿真案例，總結(jié)兩個(gè)不同的系統(tǒng)中天線模型的差別及仿真的側(cè)重點(diǎn)。

2、通信終端中的天線模型

移動(dòng)通信信道主要存在以下特點(diǎn)：開(kāi)放變參信道，容易受到各種干擾影響;接收點(diǎn)地理環(huán)境非常復(fù)雜多樣，如大致可分為城市、近郊及農(nóng)村三類(lèi);用戶具有隨機(jī)移動(dòng)性。

由于上述移動(dòng)通信信道特點(diǎn)，導(dǎo)致電磁波的傳播和自由空間相比，除直射波以外，還存在較多的繞射波及散射波，同時(shí)存在不同類(lèi)型的損耗：路徑傳播損耗、慢衰落損耗及快衰落損耗[1]。為在不同環(huán)境下獲得最佳接收效果，通信終端的天線盡量設(shè)計(jì)為全向天線。

2.1 單天線終端天線模型

對(duì)于通信系統(tǒng)終端，天線模型通常由其坐標(biāo)及增益來(lái)進(jìn)行定義;而信道模型則由噪聲、衰落、多徑等參數(shù)進(jìn)行定義。針對(duì)不同類(lèi)型的通信系統(tǒng)，常常將天線和信道模型放在一起，進(jìn)行綜合考量。

下圖引用了ADS軟件中描述的最常見(jiàn)的天線及信道使用模式。其中信道(PropGSM)位于基站(AntBase)和移動(dòng)天線(AntMobile)之間。移動(dòng)天線指標(biāo)僅有增益、位置及高度、速度等信息，天線類(lèi)型默認(rèn)為全向天線，對(duì)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)主要是增益及多徑效應(yīng)、多普勒頻移。

圖1、GSM系統(tǒng)天線及信道模型

2.2 MIMO系統(tǒng)中天線模型

在移動(dòng)通信中，由于多徑衰落、多普勒頻移等因素，導(dǎo)致接收信號(hào)質(zhì)量下降。為改善移動(dòng)接收信號(hào)質(zhì)量，使用雙天線分集接收技術(shù)在低成本、低實(shí)現(xiàn)難度的前提下明顯改善接收信號(hào)質(zhì)量。使用分集天線，就是為接收到兩個(gè)以上的不相關(guān)信號(hào)，以便在后續(xù)處理中找到強(qiáng)度最大的信號(hào)或者進(jìn)行矢量信號(hào)合成。故天線之間的相關(guān)性越低越好。天線工作的電磁環(huán)境各有不同，故在衡量天線的相關(guān)性時(shí)必須將無(wú)線環(huán)境考慮進(jìn)去?？梢詫l(fā)射機(jī)及障礙物總效應(yīng)用概率密度函數(shù)PDF(probabilitydensity function)來(lái)進(jìn)行描述，其表征了天線從不同方向接收到最強(qiáng)信號(hào)的概率分布特征。

除了空間的分集，還存在極化分集情況。使用交叉極化鑒別度XPD(Cross-PolarizaTIonDiscriminaTIon)可以描述空間電波極化情況。XPD越大，則phi方向極化分量越大，反之XPD越小，theta方向極化分量越小。

使用復(fù)相關(guān)性(Complex CorrelaTIon)來(lái)描述處于一定電磁化境及極化情況下，兩個(gè)天線接收到的相似平均度。

使用一些商業(yè)軟件，如EMPro，能夠針對(duì)特定的分集天線模型，設(shè)定PDF、XPD，考慮雙天線分集接收效果[2]。

在無(wú)線通信系統(tǒng)仿真軟件中，能夠通過(guò)導(dǎo)入發(fā)射、接收天線的三維方向圖以及其相對(duì)位置，結(jié)合典型信道模型(如WINNER)，對(duì)通信系統(tǒng)的天線及信道進(jìn)行建模，從而仿真系統(tǒng)指標(biāo)。如下圖為系統(tǒng)仿真軟件SystemVue中的WINNER II信道模型，其支持導(dǎo)入仿真或測(cè)試的多天線方向圖，并能夠設(shè)置發(fā)射、接收天線陣列的二維相對(duì)位置。

圖2、WINNER信道MIMO天線模型設(shè)置

通過(guò)導(dǎo)入單純的手機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖及考慮SAM人頭模型的手機(jī)方向圖，創(chuàng)建兩種信道模型，能夠比較理想工作場(chǎng)景及實(shí)際工作場(chǎng)景下系統(tǒng)容量[3]。通過(guò)這種方式，能夠?qū)⑻炀€真實(shí)方向圖及天線布局融入到信道模型中，獲取天線性能對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的影響。

天線及信道模型不僅能夠應(yīng)用在仿真軟件中，還能作為必要測(cè)試條件，參與到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中。典型案例是是德科技的輻射兩步法(RTS)。

輻射兩步法是把MIMO OTA 的測(cè)試分成兩步：第一階段先在暗室對(duì)終端進(jìn)行方向圖測(cè)量，利用終端的上報(bào)功能測(cè)出待測(cè)件的輻射方向圖;第二階段把在第一階段中測(cè)到的方向圖信息加載到信道仿真器中，模擬出包含了待測(cè)件天線特性的無(wú)線信道?；灸M器輸出的下行信號(hào)先和加載了待測(cè)件方向圖信息

圖3、輻射兩步法測(cè)試示意

的無(wú)線信道進(jìn)行卷積，通過(guò)測(cè)量天線發(fā)射出來(lái)，進(jìn)行接收機(jī)的性能測(cè)試。

輻射兩步法的測(cè)量結(jié)果和已經(jīng)成為CTIA MIMO OTA測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的多探頭方法(MPAC)測(cè)量結(jié)果的一致性已被3GPP 認(rèn)可。在2017年5月份結(jié)束的3GPP RAN4 會(huì)議上有正式批準(zhǔn)的結(jié)論[4]。

3、雷達(dá)系統(tǒng)中的天線模型

和移動(dòng)終端的全向天線不同，雷達(dá)系統(tǒng)的天線波束寬度一般為幾度至十幾度。雷達(dá)系統(tǒng)工作在搜索、跟蹤兩種模式時(shí)，需要對(duì)波束方向進(jìn)行精確建模[5]。

傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中，主要側(cè)重于對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)流級(jí)的仿真，即考慮信號(hào)傳輸路徑及信號(hào)處理結(jié)果，并不考慮天線的方向圖及指向性對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的影響。如VSS中，考慮目標(biāo)的距離及速度，將收發(fā)天線簡(jiǎn)化為增益模型，僅影響接收機(jī)獲得的信號(hào)電平。在這種系統(tǒng)仿真架構(gòu)下，天線僅有部分指標(biāo)(如反射系數(shù)、阻抗等)能夠和級(jí)聯(lián)的射頻系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)。

對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，需要考慮動(dòng)平臺(tái)(如艦船、飛行器或戰(zhàn)車(chē))及天線的位置信息。系統(tǒng)仿真軟件SystemVue提供了一個(gè)層次化的設(shè)計(jì)解決方案，即除了信號(hào)層面的分析以外，還可將相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)所處的動(dòng)平臺(tái)的位置(如地心慣性坐標(biāo)系)和速度信息、天線的位置信息等納入一并進(jìn)行分析。這個(gè)平臺(tái)中，可以進(jìn)行多目標(biāo)、多站雷達(dá)的設(shè)定，也能夠進(jìn)行多天線設(shè)定。

圖4、雷達(dá)系統(tǒng)三層仿真設(shè)置示意

在信號(hào)層中，設(shè)置天線的工作模式(搜索或者跟蹤)、天線方向圖等基本指標(biāo);在天線層中，設(shè)置雷達(dá)目標(biāo)位置，以及雷達(dá)平臺(tái)的側(cè)傾角、俯仰角、偏航角，天線在雷達(dá)平臺(tái)中側(cè)傾角、俯仰角、偏航角;在軌跡層中，分別設(shè)置雷達(dá)收發(fā)平臺(tái)及目標(biāo)的位置(經(jīng)度、維度、高度)、指向、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等信息。通過(guò)在不同坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將天線的方向圖及雷達(dá)平臺(tái)、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡等信息進(jìn)行綜合考慮。

可以以EW接收機(jī)測(cè)試的示例，來(lái)說(shuō)明雷達(dá)的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。在場(chǎng)景中，EW接收機(jī)(EW Rx)用于監(jiān)視空間中的四個(gè)雷達(dá)站。EW接收機(jī)的任務(wù)是檢測(cè)所有這些信號(hào)、識(shí)別每個(gè)信號(hào)，并對(duì)每個(gè)雷達(dá)站的位置、速度、時(shí)間波形和頻率內(nèi)容進(jìn)行整理。

圖5、EW接收機(jī)測(cè)試場(chǎng)景

為了測(cè)試EW接收機(jī)，必須產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，這并不意味著簡(jiǎn)單的將多個(gè)時(shí)間波形進(jìn)行疊加。由于EW接收機(jī)可能安裝在飛機(jī)、汽車(chē)或軍艦上，用于生成該測(cè)試信號(hào)的工具必須允許用戶指定EW Rx站的位置、速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等。此外，對(duì)于每個(gè)雷達(dá)站，工具必須允許用戶指定其位置、速度、時(shí)間波形、頻率、天線工作模式等[6]。

如果需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確建模，信號(hào)層仿真軟件Simulink、SystemVue等就不能勝任了。使用專業(yè)的場(chǎng)景仿真軟件，如STK等，對(duì)目標(biāo)姿態(tài)、環(huán)境進(jìn)行建模，能夠獲得較為真實(shí)的目標(biāo)特性。

如圖6中，使用SystemVue產(chǎn)生線性調(diào)頻脈沖信號(hào)源，并經(jīng)過(guò)射頻發(fā)射路徑加入射頻器件的非線性、噪聲等因素，時(shí)域信號(hào)通過(guò)接口進(jìn)入STK軟件。STK中預(yù)先定義外場(chǎng)地形地貌以及飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡、飛行姿態(tài)等指標(biāo)。雷達(dá)處于跟蹤模式，盡量將波束照射到飛機(jī)上，而飛機(jī)則做出各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作來(lái)規(guī)避雷達(dá)探測(cè)。整個(gè)場(chǎng)景的時(shí)域信號(hào)會(huì)返回到SystemVue軟件中，通過(guò)后處理程序來(lái)獲得雷達(dá)的檢測(cè)概率。

圖6、STK聯(lián)合仿真示意圖

4、結(jié)論

可見(jiàn)，在通信或雷達(dá)系統(tǒng)中，天線都不再以獨(dú)立的姿態(tài)出現(xiàn)，而和通信信道、雷達(dá)使用場(chǎng)景等緊密結(jié)合，共同作用。天線設(shè)計(jì)師及通信/雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師如果能夠利用已有商業(yè)軟件及成熟理論，將天線的特性融入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠大幅度降低聯(lián)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度。