無線傳播與網(wǎng)絡規(guī)劃 課件 第7章 無線通信電波測量技術

第7章

無線通信電波測量技術1

無線通信電波測量的意義2無線電波的測量與預估是無線信道建模的重要內(nèi)容：對于統(tǒng)計信道建模預估技術來說，不僅關注單個傳播路徑的損耗，還要對所有傳播路徑進行綜合分析處理。合理的信道測量方案和先進的測量技術為無線信道建模提供了良好的途徑與手段。對于確定性信道建模而言，其模型的準確性也必須通過實際的信道測量來驗證。總之無線信道測量是獲得實際通信環(huán)境特征，準確建立信道模型的重要基礎?！?.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.1電場強度測量原理31.電場強度測量原理

電容法是目前常用的電場強度測試方法，如圖7.1所示。其工作原理等效為如圖7.2所示的并聯(lián)或串聯(lián)電路。

對于各類應用，可以采用相應的電極，將平行板電容放置于交變電場中。在交變電場的作用下，會在電路中產(chǎn)生相應的交變電壓信號。因為平行板電容的尺寸遠小于低頻信號波長，所以可以將其看作一個電容偶極子。圖7.1電場強度測量原理

(a)并聯(lián)電路(b)串聯(lián)電路圖7.2電場測量等效電路圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.1電場強度測量原理42.電磁干擾測量原理電磁干擾（EMI）是由于電磁干擾源引起的設備、傳輸通道或者系統(tǒng)性能的下降。依據(jù)傳播途徑，電磁干擾包括沿信號線或電源線傳播的傳導干擾與向空間中傳播的輻射干擾。電磁干擾測試指按照電磁兼容測量標準，在規(guī)范的電磁兼容實驗室里，遵照標準的測量方法對被測設備(EUT)進行測試。

圖7.3典型EMI測試接收機系統(tǒng)框圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.2常用測量儀器51.寬帶場強儀測量原理寬帶場強儀又稱非選頻式場強測量儀，主要用于電磁輻射環(huán)境的測量與監(jiān)控。寬帶場強儀由探頭和處理與顯示設備構成，如圖7.4所示。其中探頭單元的常見形式包括偶極子天線組、端接肖特基檢波二極管及RC濾波器，其原理如圖7.5所示。為了獲得空間中三維極化信息，偶極子天線組由三個正交線極化天線構成。

圖7.4寬帶場強儀系統(tǒng)架構圖

圖7.5探頭原理示意圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.2常用測量儀器62.選頻式場強儀選頻式測量儀器主要用于對環(huán)境中低電平電場強度進行測量，在電磁干擾與兼容領域應用比較廣泛。這種儀器在經(jīng)過對接收機系統(tǒng)進行校準后，也可以用于環(huán)境電磁輻射測量。選頻指的是只針對特定頻段進行測量，只允許小頻率范圍信號進入接收機。濾除額外頻段信號后，選頻式測量儀器靈敏度遠高于寬帶場強儀。

圖7.6選頻式場強儀的基本原理圖§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.2常用測量儀器73.測量天線無線電波測量儀器的天線作為電磁場的感應器件，對于測量系統(tǒng)的準確度具有重要意義。目前常規(guī)測量系統(tǒng)中，天線與接收機/頻譜儀是相對獨立的，即對于某接收機系統(tǒng)，可以選擇多種天線作為接收器。但是由于不同天線的頻率響應和結構特征的差別，天線選型需要慎重對待。對于寬帶場強儀等寬頻段測量設備，常用的電波測量天線有鞭狀天線、半波振子天線、對數(shù)周期天線、環(huán)行天線等。

§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.3場強測量基本要求與注意事項81.基本要求電磁場測量是一項較為復雜的系統(tǒng)工程，在測量過程中需要遵守以下基本的要求。（1）測量環(huán)境應該滿足相關儀器的使用環(huán)境要求，并對測量環(huán)境進行記錄。（2）測量點的定位需要考慮測量結果的代表性，針對測量目的設計相應的測量方案。應當積累足夠多次的測量數(shù)據(jù)，確保測量結果的可靠性。（3）測量前應該對環(huán)境場強最大值進行預估，便于合理的選擇測量儀器。確保儀器的工作頻段、量程與響應時間等參數(shù)指標與測試對象相符。（4）對于測量過程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)應該根據(jù)實際測量現(xiàn)場情況，基于統(tǒng)計學原則進行處理。（5）需要將電磁場測量結果建立完整的數(shù)據(jù)存檔，并對測量設備、測量方案、測試點位置、原始測量數(shù)據(jù)以及處理方法進行記錄保存。（6）如果使用寬帶測量設備進行電磁環(huán)境測量時出現(xiàn)異常結果，需要進一步采用選頻式測量儀器進行詳細復查，追蹤主要輻射源。（6）對基站等輻射源進行測量時，需要避免周邊偶發(fā)干擾源的影響。如果有不可避免的干擾輻射源，則需要明確其對測量結果的影響。

§7.1

電磁場測量原理與常用儀器

7.1.3場強測量基本要求與注意事項92.注意事項（1）測試前評估測試對象。在進行電磁場輻射測量前，為了適當?shù)倪x擇測量儀器與設計測試方案，需要充分預計輻射源的特性及可能的傳播特征。常見輻射源及其傳播特性包括：輻射源的類型和發(fā)射功率、調(diào)制特性、載波頻率、相關因子、極化方向、輻射源數(shù)目及空間位置、可能的吸收或反射物。（2）合理選擇測量設備。寬帶測量設備的特點是具有各向同性或有方向性響應的帶寬，可以應用于寬頻段電磁輻射的測量；窄帶測量設備能夠對帶寬內(nèi)某特定頻譜分量進行接收和處理，所以常用于單頻或者一致頻率的電磁輻射現(xiàn)象。（3）測量參數(shù)的選擇原則。針對不同頻段的電磁波，所測量的場參數(shù)有所不同。對于30MHz以下的頻段，需要分別測量電場參數(shù)與磁場參數(shù)；在30~300MHz頻段，對工作場所進行電場參數(shù)或者磁場參數(shù)測量，對其他區(qū)域僅測量電場參數(shù)；在300MHz～300GHz頻段，只測量電場參數(shù)。

§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理101.測量系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中電波傳播測量一般采用自動測量系統(tǒng)，如圖7.8所示。以LTE城區(qū)宏站系統(tǒng)為例，基站架設于高層建筑物上，為了實現(xiàn)良好的覆蓋，輸出功率50w以上。圖7.8自動測量系統(tǒng)原理框圖§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理112.測量方法（1）區(qū)間重復測量方法該方法根據(jù)長期電波測量工程經(jīng)驗總結歸納而來。進行取樣區(qū)間長度設計時，既要使得該取樣區(qū)間包含足夠多的相互獨立的樣本，又要確保區(qū)間長度不能過長，導致信號電平中值明顯變化而影響統(tǒng)計結果的準確性。因此取樣區(qū)間長度可以設置為100~200m。為了消除路徑誤差、環(huán)境干擾及其他偶然因素的影響，一般需要在同一個取樣區(qū)間內(nèi)進行三次以上的充分測量。（2）Lee方法一般來說，移動通信場強測量的對象是某測量點的信號強度均值，即慢衰落引起的信號起伏變化。然而移動通信系統(tǒng)中，終端接收信號是由快衰落信號與慢衰落信號的疊加而成，所以需要在測量過程中去除快衰落的影響。通常移動通信信道中快衰落信號幅度變化服從瑞利分布，而慢衰落信號的幅度則服從對數(shù)正態(tài)分布。經(jīng)過理論分析，可以認為取樣區(qū)間長度為20時，快衰落成分對信號均值的影響小于1.5dB；當取樣區(qū)間為40時，其影響小于1dB。以1.11的間隔可抽取互不相關的36個樣本值，再求其均值作為該測試點的統(tǒng)計結果，即可獲得90%以上的置信度?！?.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理123.三個重要測量參數(shù)（1）取樣區(qū)間長度取樣區(qū)間的長度應該足夠大，使得樣本數(shù)目達到能夠反映真實場強分布的要求，同時也應避免對額外干擾的引入。（2）樣本間隔和采樣頻率根據(jù)采樣定理，樣本間隔決定在確定的取樣區(qū)間內(nèi)的采樣樣本數(shù)目。樣本數(shù)越大，所獲得的結果置信度越高，且偏差越小。（3）最少重復測量次數(shù)因為電波測量的場強是隨機的物理量，所以需要多次重復測量才能使得獲得的統(tǒng)計結果逼近真實情況?！?.2移動通信電場強度測量原理

7.2.1場強測量原理134.測量點的分布選擇根據(jù)電波傳播理論與工程經(jīng)驗，固定輻射源的輻射場強值與傳播距離呈現(xiàn)對數(shù)線性關系，所以測量點的選擇應該符合距離倍增規(guī)律。令發(fā)射機位于坐標系原點處，假設發(fā)射天線為全向輻射，則可以選擇在8個傳播方向上進行測量點設置。圖7.11測量點設置分布圖§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.2測量數(shù)據(jù)處理方法141.場強均值計算某次實測場強曲線如圖7.12所示，表示某終端在采樣周期T內(nèi)運動一段距離過程中場強隨時間的變化。圖7.12某采樣周期T內(nèi)場強變化§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.2測量數(shù)據(jù)處理方法152.數(shù)據(jù)處理當發(fā)射機的輻射功率和天線工程參數(shù)確定的情況下，對每個測量點的取樣區(qū)間進行N次重復測量就可以得到N個采樣周期T內(nèi)的N個場強均值。如果實際測量時采用連續(xù)測量，則可以按照等間隔距離設置采樣間隔。這是因為在連續(xù)測量過程中，無法對每個測量點進行重復測量，所以每個測量點對應一個場強均值。這樣接收點場強的有效值表示為§7.2移動通信電場強度測量原理

7.2.2測量數(shù)據(jù)處理方法163.傳播曲線和場強分布圖通過將替換為，則可以給出線性回歸曲線，該曲線表示某測量方向上場強均值隨傳播距離的變化特征。對于連續(xù)測量的情況，可以采用最小二乘法擬合平滑曲線來表示實際場強隨距離變化的起伏情況。依據(jù)各個傳播方向上的場強均值與傳播距離的關系，將每個測量點的場強均值標注在測量區(qū)域的數(shù)字地圖上，并根據(jù)場強間隔的要求平滑連接8個方向上的等場強點，就可以得到該測量區(qū)域的場強均值等高線圖，如圖7.14所示。圖7.14合成的測量區(qū)域場強均值等高線圖§7.3毫米波無線電波測量系統(tǒng)

17

毫米波通信是5G與未來移動通信系統(tǒng)研究與應用的重點，其相關傳播特性的建模與測量技術是大規(guī)模天線陣列、波束賦形以及超密集組網(wǎng)等技術的基礎。與目前采用的Sub6G頻段無線通信信道傳播機制不同，高頻段的毫米波傳播損耗明顯增大，而且該頻段傳播特性更容易受到天線、建筑物、人體及各類植被的衰落影響?！?.3毫米波無線電波測量系統(tǒng)

181.收發(fā)系統(tǒng)的寬帶化處理在毫米波頻段，常規(guī)的相對帶寬（例如10%~20%）對應著GHz級別的絕對帶寬。盡管射頻器件能夠達到帶寬指標要求，但是在無線傳播環(huán)境中毫米波將呈現(xiàn)出與較低頻段微波信號差異較大的信道特征。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了在時延域得到較高的多徑分辨率，就必須拓展信號帶寬。所以在毫米波傳播測量系統(tǒng)的建立過程中，需要重點考慮可以支持高頻寬帶信號且能夠保證帶內(nèi)信號具有優(yōu)良平坦度的信號發(fā)生器，同時相應的接收機也應該具備下變頻與高速采樣功能。2.動態(tài)范圍因為毫米波在傳播路徑中的損耗遠大于Sub6G頻段，所以當毫米波傳播測量系統(tǒng)應用于室外遠距離傳播場景或者室內(nèi)遮擋嚴重的非視距場景時，探測信號可能會衰減至低于環(huán)境噪聲，以至于無法被接收機檢測分辨。擴大測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍，確保毫米波信號能夠在超遠距離以及復雜場景下能夠被有效檢測和分析是毫米波信道測量的重要研究內(nèi)容?！?.3毫米波無線電波測量系統(tǒng)

193.三維空間角度域精度毫米波通信系統(tǒng)與MassiveMIMO充分結合形成的大規(guī)模天線陣列生成分辨率極高的三維可掃描筆狀波束。在此前提下，毫米波信道的三維角度域色散特性對于MassiveMIMO性能和技術方案的選擇具有重要影響。相應的測量方案和設備的設計與選擇需要慎重考慮空間角度域的精度問題。4.同步和校準與其他通信系統(tǒng)類似，毫米波電波測量系統(tǒng)的收發(fā)端口之間也需要高精度的同步和校準處理，從而對抗收發(fā)頻率偏移與時間偏移，保證測量的穩(wěn)定性與準確性。毫米波測量系統(tǒng)的同步方案包括硬同步法與GPS銣鐘馴服法。5.測試效率對于毫米波來說，傳播環(huán)境的細微變化都會導致接收信號的小尺度衰落，因此在測量過程中需要確保測量環(huán)境處于準靜態(tài)信道狀態(tài)。這就要求通過合理地設計測量方案和選擇高性能測試儀器來提高測量效率，使得信道測量在較短的時間內(nèi)完成?！?.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

201.測量誤差基本概念當對一個物理量進行測量時，該物理量本身具有的真實大小特征稱之為真值。測量誤差是指測量結果與真值之間的差別。測量誤差分為絕對誤差與相對誤差。絕對誤差表示為相對誤差定義為絕對誤差與真值的比值

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

211.測量誤差基本概念測量誤差通常被分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。（1）系統(tǒng)誤差。當在相同測量條件下對確定物理量進行多次測量時，誤差的絕對值與符號保持不變，此時稱該誤差為系統(tǒng)誤差。或者在測量條件發(fā)生改變時，按照某特定規(guī)律變化的誤差，也可以被稱為系統(tǒng)誤差。（2）隨機誤差。保持測量條件不變，對同一物理量進行重復多次測量，如果誤差的絕對值或符號隨機變化，則該誤差稱為隨機誤差。盡管隨機誤差在測量次數(shù)較少時表現(xiàn)為不可預測，但是隨著測量次數(shù)的增加，會整體上服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。（3）粗大誤差。在規(guī)定的實驗條件下，超出預期估計的誤差稱為粗大誤差。其產(chǎn)生原因可能為讀數(shù)錯誤、測量方法錯誤或儀器缺陷等。對于這種誤差，應當追溯測量系統(tǒng)嘗試消除，同時由于其偏離真值，需要對其進行刪除。

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

222.誤差的估計與處理（1）測量數(shù)據(jù)的數(shù)學期望與方差理論上測量數(shù)據(jù)的取值應當是連續(xù)的，但是由于實際電波測量案例中儀器最小刻度有限，所以實際測量數(shù)據(jù)都是離散狀態(tài)。對于離散數(shù)據(jù)的數(shù)學期望與方差需要進行統(tǒng)計分析。若測量數(shù)據(jù)為序列X，其包含m個離散數(shù)值。在測量次數(shù)足夠大的情況下，根據(jù)貝努力（Bernoulli）定理，事件發(fā)生的頻率收斂于它的概率P，即當測量次數(shù)時，可以用事件發(fā)生的頻率代替事件發(fā)生的概率(i=1，2，…，m)。因此測量數(shù)據(jù)序列X的數(shù)學期望為

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

232.誤差的估計與處理（2）有限次測量數(shù)據(jù)的數(shù)學期望和方差由以上數(shù)學期望與方差的推導過程可見，當測量數(shù)據(jù)無窮大時才可以準確地求解相關統(tǒng)計參數(shù)。然而實際電波傳播測量中，只能獲得有限次數(shù)的測量數(shù)據(jù)。將n次測量的數(shù)據(jù)作為隨機樣本，對其進行統(tǒng)計分析，可以得到測量數(shù)學期望與方差。通過對某電磁傳播現(xiàn)象進行多次獨立且等精度的測量，可以獲得一系列測量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的單次測量結果與數(shù)學期望均存在一定偏差，而且偏差的大小和方向呈現(xiàn)隨機特點。從統(tǒng)計學角度觀察，當測量對象、測量條件及被測參數(shù)確定時，這一系列測量結果的數(shù)學期望與方差是相等的

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

242.誤差的估計與處理（3）隨機誤差的統(tǒng)計處理隨機誤差表現(xiàn)為在相同測量條件下誤差的絕對值與符號隨機變化，其使得測量數(shù)據(jù)偏離于數(shù)學期望。如果只觀察單次測量結果會發(fā)現(xiàn)測量值的偏離沒有規(guī)律可循，但是對多次測量進行分析可以觀察到隨機誤差符合一定的統(tǒng)計規(guī)律。通過采用概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法進行隨機誤差的分析，可以結合統(tǒng)計平均方法來削弱隨機誤差。大多數(shù)情況下，隨機誤差的產(chǎn)生原因來源于對測量數(shù)據(jù)影響微小且相互獨立的多種因素綜合作用，假設隨機誤差服從正態(tài)分布，則測量隨機誤差及測量數(shù)據(jù)分布的密度分別為

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

252.誤差的估計與處理（4）系統(tǒng)誤差處理系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因非常復雜，而且對于測量精度的影響非常嚴重。目前尚未形成有效且通用的系統(tǒng)誤差削弱和消除方法。一般來說，針對具體的測量對象和工程問題采用相應的技術手段進行系統(tǒng)誤差處理。首先要根據(jù)測量結果分析，檢查驗證系統(tǒng)誤差是否真實存在。然后分析系統(tǒng)誤差的來源，在測量方案的設計環(huán)節(jié)盡可能消除引起系統(tǒng)誤差的要素，在測量過程中引入相關技術盡力消除或者減弱系統(tǒng)誤差的影響。最后，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)嘗試估計和找出系統(tǒng)誤差的范圍，對于比較明確的系統(tǒng)誤差，可以對測量結果進行修正，對于難以把控的系統(tǒng)誤差，要估計出其大概范圍和對測量結果的影響程度。

7.4.1電波測量誤差分析§7.4電波傳播測量誤差分析與數(shù)據(jù)處理

261.傳統(tǒng)評定方法精密度指重復測量所獲得的結果相互接近的程度，可以用來描述測量可重復性的程度。該指標反映的是隨機誤差的大小。測量精密度越高，隨機誤差就越小，則測量數(shù)據(jù)結果越集中于某一區(qū)間范圍，測量的重復性就越好。精密度可以由測量儀器的最小測量單位來確定。準確度指測量值與真值的符合程度。其與系統(tǒng)誤差相關。準確度越高，則測量數(shù)據(jù)的平均值與真值偏離越小，那么測量結果月接近于真值。所以準確度反映了系統(tǒng)誤差對于測量的影響。因為系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因可以追溯找到，所以