手機(jī)智能天線測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

本文描述了一項(xiàng)由德州儀器公司(TI)發(fā)起、弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的弗吉尼亞科技天線組(VTAG)和移動(dòng)便攜式無(wú)線研究組(MPRG)合作完成的研究項(xiàng)目。

該項(xiàng)目重點(diǎn)確定智能發(fā)送和接收手機(jī)天線的可行性，其目的是為了論證這種天線具有更低的功耗、更大的容量及更好的鏈接可靠性。研究課題包括開發(fā)新的智能天線算法及評(píng)估鏈接可靠性和容量的提高。為了評(píng)估智能天線在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能，研究者采集了一套綜合的時(shí)空向量信道測(cè)量方法。數(shù)據(jù)采集由VTAG開發(fā)的四個(gè)陣列硬件測(cè)試平臺(tái)完成，它們是手持式天線陣列測(cè)試平臺(tái)(HAAT)、MPRG天線陣列測(cè)試平臺(tái)(MAAT)、失量脈沖響應(yīng) (VIPER)和發(fā)射分集測(cè)試平臺(tái)(TDT)。

圖1：在多徑環(huán)境下采用HAAT的典型試驗(yàn)。一個(gè)發(fā)射器用于分集組合試驗(yàn)，第二個(gè)發(fā)射器可用于采用自適應(yīng)波束成型算法的抗干擾試驗(yàn)。

智能天線可大大提高第三代手持式無(wú)線設(shè)備的性能。MPRG和VTAG兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)共同組成了一個(gè)聯(lián)合小組負(fù)責(zé)研究TI公司智能手機(jī)天線的關(guān)鍵特性，包括采集天線及傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)、評(píng)估分集及自適應(yīng)算法、仿真整體系統(tǒng)性能，以及量化對(duì)帶智能天線的手機(jī)造成影響的基本現(xiàn)象。自該項(xiàng)目于1998年7月啟動(dòng)以來(lái)，我們已開發(fā)了三種工具：手持式天線陣列測(cè)試平臺(tái)(HAAT)、向量多徑傳播仿真器(VMPS)、以及寬帶VIPER測(cè)量系統(tǒng)。我們已使用這些工具及MPRG天線陣列測(cè)試平臺(tái)(MAAT)來(lái)了解手機(jī)天線陣列的傳輸環(huán)境，這些信息已經(jīng)用來(lái)預(yù)測(cè)手機(jī)智能天線的性能。

廣泛的2.05GHz測(cè)量表明，在可靠性為99%時(shí)，在戶外和室內(nèi)非直線可視環(huán)境下的窄帶系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)7-9 dB鏈路增益預(yù)算。這些增益可利用手機(jī)分集和自適應(yīng)的小天線陣列獲得，天線間的隔離間距為0.15波長(zhǎng)或更大。其他的測(cè)量表明，利用自適應(yīng)波束形成(beamforming)算法可將單個(gè)干擾信號(hào)降低25-40dB。因此，可靠性、系統(tǒng)容量和傳輸功率性能都可得到大大提高。

系統(tǒng)開發(fā)

1. 手持式天線陣列測(cè)試平臺(tái)

HAAT系統(tǒng)可用來(lái)評(píng)估在分集組合和自適應(yīng)波束形成試驗(yàn)中各種天線配置的性能(典型的應(yīng)用如圖1)。圖2給出了一個(gè)采用HAAT系統(tǒng)的典型試驗(yàn)場(chǎng)景。接收器將來(lái)自兩個(gè)或更多接收信道的信號(hào)下變頻到基帶。這些信號(hào)被記錄在數(shù)字錄音帶上，以便利用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行離線處理。接收器在2.8米長(zhǎng)的軌道上以模仿人行走的恒定速度移動(dòng)。一個(gè)小型手持式無(wú)線電裝置支撐著兩個(gè)天線，天線的間隔和方向是可變的。該系統(tǒng)具有如下特性：2.05GHz CW信號(hào)；兩個(gè)發(fā)射器；一個(gè)接收器(兩個(gè)信道，可擴(kuò)展至4個(gè))；2.8米線性軌道可連續(xù)收集數(shù)據(jù)，并離線處理；高度便攜式電池供電系統(tǒng)；手持接收器的真實(shí)工作環(huán)境。

圖2：MAAT由8個(gè)Harris 40214可編程直接數(shù)字下變頻器和8個(gè)C54x DSP組成 

2. MPRG天線陣列測(cè)試平臺(tái)

圖2中的MAAT具有很多與HAAT一樣的特性，但具有更多信道，而且可容納更大的帶寬。然而，MAAT有些笨重，不容易變換位置。其工作頻率為2.05GHz，信號(hào)為正弦波或已調(diào)制信號(hào)。其帶寬設(shè)為100kHz，但通過調(diào)整可擴(kuò)展至1MHz。MAAT可以執(zhí)行數(shù)字實(shí)時(shí)波束形成和到達(dá)角度(angle-of-arrival)估測(cè)。

3. 向量脈沖響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)

VIPER是一種軟件定義的寬帶向量信道測(cè)量接收器，可支持發(fā)射和接收分集測(cè)量。VIPER接收器能夠接收帶寬高達(dá)400MHz的信號(hào)，并在軟件中處理這些信號(hào)。該接收器作為智能天線算法的測(cè)試平臺(tái)，可執(zhí)行多徑測(cè)量系統(tǒng)的功能以比較多個(gè)無(wú)線信道環(huán)境下天線算法的性能。圖3給出了VIPER RF前端部分的照片，一個(gè)四通道示波器用作采樣系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)從該示波器獲取所有的信號(hào)信息。

VIPER被設(shè)計(jì)成在最少的RF硬件條件下，在軟件中實(shí)現(xiàn)處理功能。圖4給出了接收器硬件的模塊示意圖。執(zhí)行單階下變頻后，在四個(gè)信道的每一個(gè)信道的IF信號(hào)以每秒1G的采樣率被采樣。所采集樣本信號(hào)存儲(chǔ)在RAM中，并由計(jì)算機(jī)處理。

VIPER軟件負(fù)責(zé)采集、處理和記錄所接收信號(hào)，并顯示測(cè)量或算法結(jié)果。該軟件過去一年來(lái)經(jīng)過改進(jìn)，現(xiàn)包括如下模塊：天線分集和分集增益處理；無(wú)線信道的時(shí)間離散特征(多徑)測(cè)量；采用MATLAB開發(fā)的智能天線算法的實(shí)現(xiàn)；功耗、時(shí)域和頻譜測(cè)量；原始接收信號(hào)的采集和記錄；回放記錄信號(hào)以用于開發(fā)和測(cè)試新的算法。

4. 寬帶發(fā)射分集測(cè)試平臺(tái)

圖3：VIPER RF前端部分組成

寬帶發(fā)射器設(shè)計(jì)用于寬帶分集和信道測(cè)量試驗(yàn)。該發(fā)射器基于一個(gè)帶片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定義了PN和數(shù)據(jù)序列。當(dāng)前的發(fā)送器可讓PN碼片序列以高達(dá)25Mcps的速度運(yùn)行，但將來(lái)可充分發(fā)揮FPGA芯片的性能，使PN序列運(yùn)行速度高達(dá)100Mcps。多徑無(wú)線信道的詳細(xì)測(cè)量需要高碼片速率，但在分集試驗(yàn)中則采用低碼片速率，以便所產(chǎn)生的信號(hào)帶寬與3G無(wú)線系統(tǒng)的信號(hào)帶寬類似。

5. 向量多徑傳播仿真器

VMPS在窄帶或?qū)拵盘?hào)環(huán)境下與試驗(yàn)性測(cè)量配合使用。該仿真器可對(duì)完整的無(wú)線信道進(jìn)行建模，包括天線和傳播效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果可用于優(yōu)化由VMPS實(shí)現(xiàn)的模型。目的是研究和隔離各種參數(shù)的影響，比如天線模式(antenna pattern)和間隔、多徑、干擾、算法性能及其它因素。

利用VMPS仿真器可對(duì)帶8個(gè)天線的接收系統(tǒng)進(jìn)行建模。6個(gè)發(fā)射器可被激活并放置在接收器周圍的任意位置。多徑傳播可通過在用戶挑選或由內(nèi)置模型決定的位置插入散射器(scatter)來(lái)仿真。散射器的發(fā)射功率和反射系數(shù)是可變的，而且可以關(guān)閉或打開直線可視傳輸環(huán)境條件。這些特性可以仿真多種信道狀態(tài)。

該仿真器可模仿幾個(gè)分集配置方案的性能，比如空間、極化、模式和角度分集。對(duì)于非直線可視城區(qū)傳播環(huán)境下的兩個(gè)天線單元，采用最大比例組合，VMPS可在99%水平時(shí)獲得7-11dB的分集增益。這些仿真結(jié)果與采用HAAT系統(tǒng)在類似傳播條件下的測(cè)量結(jié)果一致。VMPS還可在不同干擾和多徑情況下評(píng)估寬帶通信系統(tǒng)的性能，比如采用時(shí)空陣列、空間陣列、分接式延遲線均衡器(tapped delay line equalizer)，或者單個(gè)天線接收器。

圖4：VIPER系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)測(cè)量

利用所開發(fā)的硬件測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了廣泛的測(cè)量，包括手機(jī)分集測(cè)量、天線間隔和操作員身體對(duì)分集的影響、自適應(yīng)波束形成、到達(dá)角、信道互易驗(yàn)證，以及寬帶向量信道測(cè)量。圖5和圖6給出了戶外非直線可視信道的采樣分集測(cè)量。圖5對(duì)比相對(duì)于天線間隔的相關(guān)系數(shù)，注意到當(dāng)相關(guān)性遠(yuǎn)低于0.7時(shí)將十分有利于提高分集性能。圖6給出了分集增益與天線間隔的函數(shù)關(guān)系：99%可靠性時(shí)，增益約9dB；90%可靠性時(shí)，增益約5-dB。當(dāng)間隔降至0.1波長(zhǎng)時(shí)，幾乎沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系了。

我們利用手持天線陣列對(duì)自適應(yīng)波束形成做了深入研究。調(diào)查所用的小型四單元天線陣列被安裝在一個(gè)像移動(dòng)電話一樣小巧的接收器上。自適應(yīng)波束形成研究利用兩個(gè)相互干擾的發(fā)射器在偏遠(yuǎn)地區(qū)、郊區(qū)和市區(qū)進(jìn)行了250次試驗(yàn)。利用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控試驗(yàn)可提高性能達(dá)25至50dB。

在多徑信道中，若在接收器看來(lái)發(fā)射器間沒有分隔，而且兩個(gè)發(fā)射天線的方向無(wú)區(qū)別，性能提高更加明顯。在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(peer-to-peer)和微蜂窩條件下，將接收器拿在手中以步行速度移動(dòng)時(shí)的性能也進(jìn)行了測(cè)量。在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)條件下，平均SINR提高約37-41dB，而在微蜂窩條件下波束形成后的平均SINR為21-27dB。在微蜂窩條件下造成較低的SINR的部分原因在于，信號(hào)在較長(zhǎng)的傳播路徑上由于衰減而導(dǎo)致低SNR。在所測(cè)量的多徑信道中，雙或多極化天線陣列相對(duì)于同極化陣列的優(yōu)勢(shì)不足3dB，這表明在這些信道中極化靈活性對(duì)提高性能有所幫助，但不是關(guān)鍵因素。

 
 
圖5：在市區(qū)、非LOS環(huán)境下，空間分集測(cè)量中封包(envelope)相關(guān)系數(shù)與天線間隔關(guān)系

MAAT系統(tǒng)用于到達(dá)角測(cè)量、針對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)(低帶寬)的自適應(yīng)干擾消除算法，以及在10MHz帶寬上基于頻率掃描的多頻譜向量信道測(cè)量。多頻譜測(cè)量揭示出室內(nèi)信道的平衰減特性，以及戶外到室內(nèi)信道的頻率選擇衰減特性。

VIPER用于啟動(dòng)一系列寬帶向量信道測(cè)量，面向各種具有類似IMT-2000帶寬的信道(如室內(nèi)和戶外等)。最初的試驗(yàn)是在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行的。

發(fā)射分集研究

本節(jié)講述研究組在手機(jī)發(fā)射分集方面的最近研究活動(dòng)，這涉及到分集形式不同方面的研究。當(dāng)在發(fā)射器上天線陣列的所有天線上發(fā)射符號(hào)序列時(shí)，就用到發(fā)射分集。問題是要在接收器端針對(duì)恒定的發(fā)射功率最大化信噪比。為了在平衰減信道上實(shí)現(xiàn)手機(jī)發(fā)射分集，研究人員采用了多種算法和方法。這些方法涉及到在發(fā)射器端采用復(fù)雜的權(quán)向量(weight vector)來(lái)調(diào)整通過不同天線單元的符號(hào)。將各種方法所能獲得的最大SNR和信號(hào)匯集特性進(jìn)行比較。這些方法包括早－晚方法、子空間方法、基于斜度的方法，以及最小平方(Least Square, LS)方法。

通過仿真對(duì)這些方法進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明LS方法更適合平衰減信道。在室內(nèi)環(huán)境下，相比于單天線系統(tǒng)，2單元天線陣列可獲得2-6 dB的性能增益，4單元天線陣列可獲得5-12dB的性能增益。對(duì)這些算法相關(guān)的反饋和延遲問題也進(jìn)行了研究。仿真表明復(fù)雜權(quán)向量的粗糙幅度(coarse magnitude)和相位量化(phase quantization)是可能的，僅有輕微的性能下降。我們還研究了這些算法在IMT-2000的WCDMA實(shí)現(xiàn)中的適用性，WCDMA的信道結(jié)構(gòu)和信號(hào)格式能適應(yīng)這些算法。

發(fā)射分集演示

圖6：在市區(qū)、非LOS環(huán)境下，空間分集測(cè)量中平均分集增益與天線間隔關(guān)系圖

發(fā)射分集系統(tǒng)的可行性是通過硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)展示的。該硬件裝置包括一個(gè)2單元寬帶發(fā)射分集測(cè)試平臺(tái)和一個(gè)作為接收器的VIPER。一個(gè)單元的增益保持恒定不變，而另一個(gè)單元的相位則以不連續(xù)的方式變化。通過測(cè)量每個(gè)相位設(shè)置上的信號(hào)強(qiáng)度，可以識(shí)別出具有最大功率的設(shè)置，并將其轉(zhuǎn)至發(fā)射器。測(cè)量每個(gè)天線單元的信號(hào)強(qiáng)度，并比較分集系統(tǒng)與單個(gè)天線系統(tǒng)的性能。初始的結(jié)果表明，在累積分布函數(shù)(CDF)圖的1%水平上，性能提高3-4dB是可能的。

本文結(jié)論

本文介紹了VTAG在智能手機(jī)天線方面的研究。通過利用所開發(fā)的不同測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了各種傳播試驗(yàn)，信道測(cè)量表明分集系統(tǒng)要比單天線系統(tǒng)的性能有所提高。窄帶測(cè)量表明，采用帶四單元天線陣列的自適應(yīng)波束形成技術(shù)可獲得高達(dá)40dB的抗干擾性能。利用相應(yīng)的算法，寬帶系統(tǒng)也可以獲得類似的增益。我們利用VIPER系統(tǒng)進(jìn)行了寬帶分集試驗(yàn)。我們還探討了針對(duì)平衰減信道的發(fā)射分集，而且通過仿真對(duì)所提議的各種算法進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)射分集在室內(nèi)環(huán)境下通過寬帶信號(hào)進(jìn)行了演示?；谖覀?cè)赩IPER上的經(jīng)驗(yàn)，可以快速開發(fā)出具有連續(xù)數(shù)據(jù)采集功能的寬帶手持天線陣列測(cè)試平臺(tái)，以便支持各種試驗(yàn)來(lái)評(píng)估手機(jī)寬帶信號(hào)的自適應(yīng)波束形成性能。