应对4G/5G信道仿真测试挑战-创远仪器PATHRROT X2信道模拟器

一、引言

无线传播特性是通信过程设计中的最基本因素。在移动通信技术领域，无线信道是通信系统设计、关键技术研发和标准制定的主要依据之一。无线通信系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受到基站与移动用户间信道特性的影响。一直以来，作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段，MIMO技术被认为是实现4G/5G 高速宽带无线通信的关键技术之一。

Pathrrot X2 信道模拟器广泛支持常用的信道模型，重点支持宽带通信标准中提出的各种信道模型，为应对4G/5G 信道仿真挑战提供了强有力的测试手段。同时，该信道模拟器具有第三方模型接口，支持用户自定义模型的加载，或提供定制模型开发，因此可以广泛于民用和军用移动通信、卫星通信、卫星导航、无人机和无人船等领域。

二、MIMO技术和移动通信

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍提高系统信道容量，被视为当前移动通信的核心技术之一。

图1：SISO--->MIMO--->Massive MIMO

MIMO技术广泛应用于各种无线通信标准中，包括WLAN/Wi-Fi、WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA 和LTE/LTE-Advanced 等系统。不同的无线标准都制定了相应的信道模型，3GPP、802.11、802.16 和未来的5G 系统标准化了一些信道模型，包括3GPP SCM 和SCME 等模型。MIMO模型和建模技术的标准化仍在进行中，新的模型还将被引入。

到了5G 时代，基站将配置数量非常大（通常几十到几百根，是现有系统天线数量的1~2 个数量级以上）的天线，在同一个时频资源上同时服务若干个用户，这就是5G 区别于现有移动通信系统的关键使能技术之一：大规模天线（Massive MIMO)。与现有的MIMO技术相比，大规模天线的优势主要体现在以下几个方面: 第一，大规模MIMO的空间分辨率显著增强，能深度挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率；第二，大规模MIMO可将波束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰；第三，大规模MIMO可大幅降低发射功率，从而提高功率效率；第四，当天线数量足够大时，最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优，并且噪声和不相关干扰都可忽略不计。

三、MIMO信道模拟器的应用

无线传播特性是通信过程设计中的最基本因素。细致地了解无线传播环境，对成功开发和研究一个无线系统是非常必要的。无线通信工程师有必要掌握信道的特性，这样才能设计出高质量的无线通信系统。无线通信系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受到基站与移动用户间信道特性的影响。为了研究这些影响，就需要在一定传播特性下进行实验。由于条件所限，不可能在设备研制的全过程都进行现场实验，信道模拟器就是为了满足在室内工作的条件下实现场外的无线信号衰落模拟而研制的新一代无线设备。

作为一种具有通用性质的高端仪器，信道模拟器在产品研发、测试验证及后续产业化过程中，有着举足轻重的作用：第一，无线信道模拟器能够为移动通信基站的概念样机研发提供研发测试环境，为基站系统提供信道模拟设备；第二，无线信道模拟器产品也可以为移动终端或芯片的原型平台研发提供实验室测试和认证支撑，能为终端和芯片的性能、稳定性测试提供非常有效的手段；第三，信道模拟器是移动通信测试系统的重要组成部分，助力新一代通信技术的方案验证和系统及组网验证测试，支持重点频段的兼容性测试。具体而言，信道模拟器适用于：

1) 无线设备和网络基础设施的端到端性能测试。无需到外场真实环境路测，室内构建测试环境，真实模拟外场信道特性。

2) 无线设备和网络基础设施的质量测试。在实验室环境中仿真实际无线信道条件的特性，充分体现信道对终端或基站设备收发性能的影响，为设备提升改进增加参考指标。

3) 无线信道模型算法验证。增强最终用户在最逼真的传播环境中使用射频衰落仿真器的体验，为模型算法的验证提供了良好的系统软硬件平台。

4) 无线信道特性仿真。包括路径损耗、多径衰落、时延扩展、多普勒扩展、极化，以及相关性和空间参数，这些对MIMO和多天线系统性能至关重要。

5) 干扰场景仿真。可提供AWGN 和单音干扰信号，仿真包含衰落的逼真干扰。

总之，信道模拟器的广泛应用，将推动信道建模与测试标准化，支撑通信技术、通信标准与产品的研发。

四、使用Pathrrot X2进行信道仿真测试

Pathrrot X2 信道模拟器是创远仪器基于国家科技重大专项成果转化的高端无线通信测量仪器，广泛支持各类MIMO信道模型，具有模型丰富、射频指标优异、用户体验友好等特点，适合于在实验室条件下进行各种外场环境的模拟测试。

图2：测试系统搭建

产品优势：

采用图形化用户界面，支持全触控，交互体验优异。

图3：多径配置界面

优异的射频性能。基于创远仪器已有多年技术积累的高性能通用仪表平台研制，具备连续覆盖的宽频率范围和大动态输入输出功率范围。

支持Constant，Rayleigh，Rice等常规信道模型，以及各类复杂的4G/5G信道模型。

图4：加载标准信道模型/用户自定义模型

独创专利技术，支持高动态双向信号模拟。

图5：双向信号模拟

通道数灵活可配，既支持SISO，也支持多端口MIMO，满足客户的不同需求。

具有开放接口，支持自定义信道模型，便于用户进行二次开发。