1、 2023 年 2 月第 59 卷 第 2 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationFebruary 2023Vol.59 No.2电波传播特性测量系统研究孙玉玺，朱欣婷，任杰，曹志伟摘 要：准确地信道测量以获取电波传播特性，对于磁浮列车的正常通信及安全运行具有重要意义。电波传播多径测量的难点在于解决同步问题，以及在区分多径的基础上测量信号幅度，而现有的商用测量仪器设备体型较大且价格昂贵，不利于进行现场测量。通过对探测序列进行调制解调，并利用多天线方向性特点，提出一种新的电波传播特性测量方案，并采用MATLAB软件进行仿真，验证了该方案的可行性。
2、根据测量方案，利用软件无线电可编程和灵活性高等优势，结合硬件开发板，搭建了电波传播特性测量系统进行实际信道测量，能够满足电波传播特性的测试需求。关键词：磁浮列车；电波传播；多径测量；波达方向；软件无线电；多天线技术中图分类号：TN92 文献标识码：A Research on Measuring System of Radio Wave Propagation CharacteristicsSUN Yuxi,ZHU Xinting,REN Jie,CAO ZhiweiAbstract：Accurate channel measurement to obtain radio wave propag
3、ation characteristics is of great significance for the normal of radio communication and safe operation of the maglev train.The difficulty of multipath measurement of radio wave propagation lies in the problems of solving synchronization and measuring signal amplitude on the basis of distinguishing
4、multipath,and the practical problems that the existing commercial measuring instruments are large in size and expensive in price,which is not conducive to on-site measurement in working scenes.Through the design of the detection sequence and the use of the directivity of multi-antenna,the radio wave
5、 propagation measurement scheme is designed,whose feasibility is verified by MATLAB simulation.According to the scheme,the radio wave propagation measurement system is built to measure the radio propagation characteristics based on the advantages of software radio 孙玉玺：中车青岛四方机车车辆股份有限公司 高级工程师 266000 山
6、东青岛朱欣婷：北京交通大学 硕士研究生 100044 北京任杰：北京交通大学 副教授 100044 北京曹志伟：北京交通大学 硕士研究生 100044 北京基金项目：山东省重点研发计划重大科技创新工程（2020CXGC010202）收稿日期：2022-07-16DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-02.22250通信信息扫码浏览下载32Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 2023programmability and high flexibility,combined with the hardware d
7、evelopment board,which can meet the test requirements of radio propagation characteristics.Key words：Maglev train；Radio wave propagation；Multipath measurement；Direction of arrival；Software radio；Multi-antenna technology在磁浮交通系统中，电波传播环境的优劣将直接影响整个磁浮列车无线通信系统的性能1。面对高速运行的磁浮列车和其所处的复杂多变电波传播环境2，高效、低成本地获取相应信道
8、的电波传播特性变得越来越重要。目前，虽然已有部分商用测量仪器能够在实验室环境下完成对真实环境的实际测量，但是这些仪器往往体型大且价格昂贵，不利于在特定工作场景环境下进行现场测量。为此，本文在重点研究电波传播特性测量方案和软件无线电技术的基础上3，选择了适合应用于 GNU Radio软件无线电平台的测量方案，设计了测量系统的软件部分，并选择价格相对低廉、采样率和射频频率范围符合开发需要的HackRF One开发板，搭建了低成本、测试精度符合要求，且使用条件不受场景限制的电波传播测量系统。通过仿真试验与实际测量，验证了该测量方案的可行性，且该测量系统的性能可以满足测试需求。1设计思路1.1原理分析
9、从接收信号强度变化的区间范围，可以将电波传播特性分为大尺度衰落和小尺度衰落4。其中，大尺度衰落是由路径损耗和阴影衰落组成，小尺度衰落主要是由多径信号中存在的多径分量造成5。电波传播接收端收到的信号一般由多条路径叠加传入，电波传播示意见图1。对于单条直射路径，可近似为无限大真空且不受任何其他物体的影响6。结合阴影衰落和路径损耗，可以得到视距传播损耗（line of sight，LOS）模型为PL(d)=PL(d0)+10nlg(d/d0)+X（1）式中：PL为传播距离为d时的路径损耗；n为路径损耗指数，取决于周围环境和建筑物类型，代表路径损耗随距离的增大率；d0为参考距离（m）6-7；X为高斯随
10、机变量（均值为0、标准差为），即阴影衰落8-9。由于从发送端发送的单条路径载波信号经反射、绕射和散射而造成多径衰落，而接收端接收到的信号是由N条路径组合而成，则接收天线处接收到的信号S(t)为S(t)=i=1NDi(，)Si(t)=i=1NDi(，)aiexp(j(w0t+i)（2）式中：Si(t)为接收端接收到的第i个载波信号，其幅度为ai，相位变化为i；Di(，)为接收第i个载波信号对应的天线方向性系数。1.2测量方法电波传播特性测量的基本思路是将设计好的探测信号通过发送设备发送到无线信道中，经过无线信道传输由接收设备接收，通过对接收信号的分析就可以提取该环境下的电波传播特性10，其本质是
11、测量相关衰落特性。本文研究所需测量的特性分别为多径数量、强度、时延和天线方向性系数。常见的测量方法按特性可分为大尺度测量和小尺度测量。大尺度测量有连续波和宽带信号测量法；小尺度测量有直接脉冲、滑动相关和扫频测量法。通过研究评判，本文采用连续波测量法和滑动相关测量法。连续波测量法是指在发送端发送频谱满足待测频段的连续信号，接收端直接获取接收信号的场强大小，从而得到该环境下的大尺度衰落特性。该方法虽然简单但十分有效，可以直接得到大尺度衰落特性。滑动相关测量法是指在发送端发送具有良好自相关特性的伪随机（Pseudo-Noise，PN）序列，经滤波后，在接收端使用与探测信号相同的序列进行滑动相关运算，
12、设置阈值分辨多径分量，从而得到该环境下的小尺度衰落特性。由于发送端接收端h1h2hN图 1 电波传播示意33铁道通信信号 2023年第59卷第2期PN序列自身的特性，该方法可以避免直接脉冲法抗干扰能力差的问题，同时在远距离测量场景中，该方法也优于扫频测量法。1.3方案设计在多径分量的数量、强度和时延测量中，选择m序列（最长线性反馈移位寄存器序列）11作为该测量方案的PN序列，在发送端根据不同的测试环境生成对应的探测序列，先将探测信号送入GNU Radio中进行BPSK调制，随后将调制后的序列送入HackRF One开发板模拟信道，则输出信号携带了相应的衰落特性；再通过科斯塔斯环对衰落信号进行解
13、调，并将解调后的信号数据送入MATLAB进行滑动相关运算，即可得出相应的衰落特性。结合天线方向性图，通过对多径分量波达方向进行测量获得天线方向性系数，在发送端控制GNU Radio生成连续正弦探测信号，经过HackRF One开发板的模拟环境后，可以直接获取接收信号的强度，并可将其用于接收信号波达方向的测量中。在接收端连接2根天线，以接收点为圆心按一定半径旋转，对其接收的有用信号进行功率测量并接频谱分析仪显示。当信号功率为最大值时，2根接收天线的中垂线方向就是该条路径的传入方向。2测量方案2.1多径分量数量、强度和时延测量方案根据测试需求，将一般数据帧结构简化，使之 仅 包 含 帧 头、数 据
14、 信 息 和 帧 尾 3 个 部 分，见图2。其中，采用幅值一定的序列作为数据帧的帧头和帧尾，可以有效防止数据信息之间的相互干扰；选用m序列作为数据信息，m序列是总长度为N=2n-1（n为线性移位寄存器个数）的PN序列，具有良好的自相关特性和伪噪声特性。对于数字信号，需要对数据帧结构进行内插，即给序列配置相应的宽度才能进行数据处理等操作。对内插后的m序列进行自相关运算，结果见图3。由图3可知，内插后的m序列仍然具有良好的自相关特性，但是在内插样点范围内的自相关结果会呈线性减小的趋势。因此，需要合理选择内插个数，从而提高滑动相关运算结果的精度。内插后的数据帧在频域上有较宽的频谱，为避免接收时经过
15、滤波器产生失真，需采用BPSK调制方式，将数字探测序列的每一码字扩展成相应长度。BPSK信号可以表示为矩形脉冲序列与载波信号相乘，即SBPSK(t)=m(t)cos(wct)（3）调制信号为m(t)=i=1nang(t-nTs)（4）式中，g(t)为矩形脉冲信号，其脉冲宽度为Ts；an为脉冲幅度值，恒为1或者-1。探测序列经BPSK调制并正交化发送后，在接收端选用正交环即科斯塔斯环（Costas loop）进行解调，解调输出信号的实部为基带BPSK信号，虚部为误差信号。将复数信号的模值作为解调后携带相应电波传播信息的探测序列，对其进行滑动相关运算，就可以提取出相应的电波传播多径衰落特性。滑动相
16、关法的原理见图4。由于发送端是不断重复地发送探测序列，因此接收端接收信号滑动相关的相关峰呈周期性变化；又由于信道衰落具有随机性和时变性，因此滑动相关法的测量结果表示为多个幅度、时间不同的相关峰叠加。相关峰的数量、幅度和时间分别为多径分量的数量、强度、时延信息。对相关峰进行周期叠加取平均运算，可以得到一个综合性的多径分量测量结果。帧头帧尾帧头帧尾m序列m序列图 2 探测序列数据帧结构00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Rx0102030405060708090100样点/个图 3 内插后的m序列自相关特性多径信号信号多径时延发射信号（PN序列）无线信道（多径信道、噪声）相关运算本地PN序列图 4 滑动相关法原理34Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 20232.2多径分量波达方向测量方案在分辨出多径分量的数量、强度、时延信息后，利用多天线技术良好的方向性特点，通过比对不同角度和滑动相关后幅值之间的关系，可以实现多径分量的来波方向测量。本文将测量电波传播大尺度衰落特性的连续波测量法，改进为电波传播多径分量来波方
