手機智能天線測試系統(tǒng)開發(fā)及應用

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

該項目重點確定智能發(fā)送和接收手機天線的可行性，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估鏈接可靠性和容量的提高。為了評估智能天線在實際應用環(huán)境中的性能，研究者采集了一套綜合的時空向量信道測量方法。數(shù)據(jù)采集由VTAG開發(fā)的四個陣列硬件測試平臺完成，它們是手持式天線陣列測試平臺(HAAT)、MPRG天線陣列測試平臺(MAAT)、失量脈沖響應 (VIPER)和發(fā)射分集測試平臺(TDT)。

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

智能天線可大大提高第三代手持式無線設備的性能。MPRG和VTAG兩個研究團隊共同組成了一個聯(lián)合小組負責研究TI公司智能手機天線的關鍵特性，包括采集天線及傳輸測量數(shù)據(jù)、評估分集及自適應算法、仿真整體系統(tǒng)性能，以及量化對帶智能天線的手機造成影響的基本現(xiàn)象。自該項目于1998年7月啟動以來，我們已開發(fā)了三種工具：手持式天線陣列測試平臺(HAAT)、向量多徑傳播仿真器(VMPS)、以及寬帶VIPER測量系統(tǒng)。我們已使用這些工具及MPRG天線陣列測試平臺(MAAT)來了解手機天線陣列的傳輸環(huán)境，這些信息已經(jīng)用來預測手機智能天線的性能。

廣泛的2.05GHz測量表明，在可靠性為99%時，在戶外和室內(nèi)非直線可視環(huán)境下的窄帶系統(tǒng)上實現(xiàn)7-9 dB鏈路增益預算。這些增益可利用手機分集和自適應的小天線陣列獲得，天線間的隔離間距為0.15波長或更大。其他的測量表明，利用自適應波束形成(beamforming)算法可將單個干擾信號降低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. 手持式天線陣列測試平臺

HAAT系統(tǒng)可用來評估在分集組合和自適應波束形成試驗中各種天線配置的性能(典型的應用如圖1)。圖2給出了一個采用HAAT系統(tǒng)的典型試驗場景。接收器將來自兩個或更多接收信道的信號下變頻到基帶。這些信號被記錄在數(shù)字錄音帶上，以便利用適當?shù)乃惴ㄟM行離線處理。接收器在2.8米長的軌道上以模仿人行走的恒定速度移動。一個小型手持式無線電裝置支撐著兩個天線，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；兩個發(fā)射器；一個接收器(兩個信道，可擴展至4個)；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)；手持接收器的真實工作環(huán)境。

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

2. MPRG天線陣列測試平臺

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，信號為正弦波或已調(diào)制信號。其帶寬設為100kHz，但通過調(diào)整可擴展至1MHz。MAAT可以執(zhí)行數(shù)字實時波束形成和到達角度(angle-of-arrival)估測。

3. 向量脈沖響應測量系統(tǒng)

VIPER是一種軟件定義的寬帶向量信道測量接收器，可支持發(fā)射和接收分集測量。VIPER接收器能夠接收帶寬高達400MHz的信號，并在軟件中處理這些信號。該接收器作為智能天線算法的測試平臺，可執(zhí)行多徑測量系統(tǒng)的功能以比較多個無線信道環(huán)境下天線算法的性能。圖3給出了VIPER RF前端部分的照片，一個四通道示波器用作采樣系統(tǒng)，計算機從該示波器獲取所有的信號信息。

VIPER被設計成在最少的RF硬件條件下，在軟件中實現(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，在四個信道的每一個信道的IF信號以每秒1G的采樣率被采樣。所采集樣本信號存儲在RAM中，并由計算機處理。

VIPER軟件負責采集、處理和記錄所接收信號，并顯示測量或算法結果。該軟件過去一年來經(jīng)過改進，現(xiàn)包括如下模塊：天線分集和分集增益處理；無線信道的時間離散特征(多徑)測量；采用MATLAB開發(fā)的智能天線算法的實現(xiàn)；功耗、時域和頻譜測量；原始接收信號的采集和記錄；回放記錄信號以用于開發(fā)和測試新的算法。

4. 寬帶發(fā)射分集測試平臺

圖3：VIPER RF前端部分組成

寬帶發(fā)射器設計用于寬帶分集和信道測量試驗。該發(fā)射器基于一個帶片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定義了PN和數(shù)據(jù)序列。當前的發(fā)送器可讓PN碼片序列以高達25Mcps的速度運行，但將來可充分發(fā)揮FPGA芯片的性能，使PN序列運行速度高達100Mcps。多徑無線信道的詳細測量需要高碼片速率，但在分集試驗中則采用低碼片速率，以便所產(chǎn)生的信號帶寬與3G無線系統(tǒng)的信號帶寬類似。

5. 向量多徑傳播仿真器

VMPS在窄帶或?qū)拵盘柇h(huán)境下與試驗性測量配合使用。該仿真器可對完整的無線信道進行建模，包括天線和傳播效應。試驗結果可用于優(yōu)化由VMPS實現(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仿真器可對帶8個天線的接收系統(tǒng)進行建模。6個發(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分集配置方案的性能，比如空間、極化、模式和角度分集。對于非直線可視城區(qū)傳播環(huán)境下的兩個天線單元，采用最大比例組合，VMPS可在99%水平時獲得7-11dB的分集增益。這些仿真結果與采用HAAT系統(tǒng)在類似傳播條件下的測量結果一致。VMPS還可在不同干擾和多徑情況下評估寬帶通信系統(tǒng)的性能，比如采用時空陣列、空間陣列、分接式延遲線均衡器(tapped delay line equalizer)，或者單個天線接收器。

圖4：VIPER系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)測量

利用所開發(fā)的硬件測試平臺進行了廣泛的測量，包括手機分集測量、天線間隔和操作員身體對分集的影響、自適應波束形成、到達角、信道互易驗證，以及寬帶向量信道測量。圖5和圖6給出了戶外非直線可視信道的采樣分集測量。圖5對比相對于天線間隔的相關系數(shù)，注意到當相關性遠低于0.7時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)關系：99%可靠性時，增益約9dB；90%可靠性時，增益約5-dB。當間隔降至0.1波長時，幾乎沒有關聯(lián)關系了。

我們利用手持天線陣列對自適應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像移動電話一樣小巧的接收器上。自適應波束形成研究利用兩個相互干擾的發(fā)射器在偏遠地區(qū)、郊區(qū)和市區(qū)進行了250次試驗。利用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控試驗可提高性能達25至50dB。

在多徑信道中，若在接收器看來發(fā)射器間沒有分隔，而且兩個發(fā)射天線的方向無區(qū)別，性能提高更加明顯。在對等網(wǎng)絡(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時的性能也進行了測量。在對等網(wǎng)絡條件下，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，信號在較長的傳播路徑上由于衰減而導致低SNR。在所測量的多徑信道中，雙或多極化天線陣列相對于同極化陣列的優(yōu)勢不足3dB，這表明在這些信道中極化靈活性對提高性能有所幫助，但不是關鍵因素。

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

MAAT系統(tǒng)用于到達角測量、針對擴頻系統(tǒng)(低帶寬)的自適應干擾消除算法，以及在10MHz帶寬上基于頻率掃描的多頻譜向量信道測量。多頻譜測量揭示出室內(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用于啟動一系列寬帶向量信道測量，面向各種具有類似IMT-2000帶寬的信道(如室內(nèi)和戶外等)。最初的試驗是在室內(nèi)環(huán)境下進行的。

發(fā)射分集研究

本節(jié)講述研究組在手機發(fā)射分集方面的最近研究活動，這涉及到分集形式不同方面的研究。當在發(fā)射器上天線陣列的所有天線上發(fā)射符號序列時，就用到發(fā)射分集。問題是要在接收器端針對恒定的發(fā)射功率最大化信噪比。為了在平衰減信道上實現(xiàn)手機發(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)射器端采用復雜的權向量(weight vector)來調(diào)整通過不同天線單元的符號。將各種方法所能獲得的最大SNR和信號匯集特性進行比較。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。

通過仿真對這些方法進行測試，結果表明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。對這些算法相關的反饋和延遲問題也進行了研究。仿真表明復雜權向量的粗糙幅度(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實現(xiàn)中的適用性，WCDMA的信道結構和信號格式能適應這些算法。

發(fā)射分集演示

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

發(fā)射分集系統(tǒng)的可行性是通過硬件實現(xiàn)來展示的。該硬件裝置包括一個2單元寬帶發(fā)射分集測試平臺和一個作為接收器的VIPER。一個單元的增益保持恒定不變，而另一個單元的相位則以不連續(xù)的方式變化。通過測量每個相位設置上的信號強度，可以識別出具有最大功率的設置，并將其轉(zhuǎn)至發(fā)射器。測量每個天線單元的信號強度，并比較分集系統(tǒng)與單個天線系統(tǒng)的性能。初始的結果表明，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。

本文結論

本文介紹了VTAG在智能手機天線方面的研究。通過利用所開發(fā)的不同測試平臺進行了各種傳播試驗，信道測量表明分集系統(tǒng)要比單天線系統(tǒng)的性能有所提高。窄帶測量表明，采用帶四單元天線陣列的自適應波束形成技術可獲得高達40dB的抗干擾性能。利用相應的算法，寬帶系統(tǒng)也可以獲得類似的增益。我們利用VIPER系統(tǒng)進行了寬帶分集試驗。我們還探討了針對平衰減信道的發(fā)射分集，而且通過仿真對所提議的各種算法進行了驗證。發(fā)射分集在室內(nèi)環(huán)境下通過寬帶信號進行了演示?；谖覀冊赩IPER上的經(jīng)驗，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試平臺，以便支持各種試驗來評估手機寬帶信號的自適應波束形成性能。