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低功耗、大容量及好链接可靠性手机智能天线测试系统开发及应用
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本文描述了一项由德州仪器公司(TI)发起、弗吉尼亚理工学院和州立大学的弗吉尼亚科技天线组(VTAG)和移动便携式无线研究组(MPRG)合作完成的研究项目。
该项目重点确定智能发送和接收手机天线的可行性，其目的是为了论证这种天线具有更低的功耗、更大的容量及更好的链接可靠性。研究课题包括开发新的智能天线算法及评估链接可靠性和容量的提高。为了评估智能天线在实际应用环境中的性能，研究者采集了一套综合的时空向量信道测量方法。数据采集由VTAG开发的四个阵列硬件测试平台完成，它们是手持式天线阵列测试平台(HAAT)、MPRG天线阵列测试平台(MAAT)、失量脉冲响应 (VIPER)和发射分集测试平台(TDT)。
图1：在多径环境下采用HAAT的典型试验。一个发射器用于分集组合试验，第二个发射器可用于采用自适应波束成型算法的抗干扰试验。
智能天线可大大提高第三代手持式无线设备的性能。MPRG和VTAG两个研究团队共同组成了一个联合小组负责研究TI公司智能手机天线的关键特性，包括采集天线及传输测量数据、评估分集及自适应算法、仿真整体系统性能，以及量化对带智能天线的手机造成影响的基本现象。自该项目于1998年7月启动以来，我们已开发了三种工具：手持式天线阵列测试平台(HAAT)、向量多径传播仿真器(VMPS)、以及宽带VIPER测量系统。我们已使用这些工具及MPRG天线阵列测试平台(MAAT)来了解手机天线阵列的传输环境，这些信息已经用来预测手机智能天线的性能。
广泛的2.05GHz测量表明，在可靠性为99%时，在户外和室内非直线可视环境下的窄带系统上实现7-9dB链路增益预算。这些增益可利用手机分集和自适应的小天线阵列获得，天线间的隔离间距为0.15波长或更大。其他的测量表明，利用自适应波束形成(beamforming)算法可将单个干扰信号降低25-40dB。因此，可靠性、系统容量和传输功率性能都可得到大大提高。
系统开发
1 手持式天线阵列测试平台
HAAT系统可用来评估在分集组合和自适应波束形成试验中各种天线配置的性能(典型的应用如图1)。图2给出了一个采用HAAT系统的典型试验场景。接收器将来自两个或更多接收信道的信号下变频到基带。这些信号被记录在数字录音带上，以便利用适当的算法进行离线处理。接收器在2.8米长的轨道上以模仿人行走的恒定速度移动。一个小型手持式无线电装置支撑着两个天线，天线的间隔和方向是可变的。该系统具有如下特性：2.05GHz CW信号；两个发射器；一个接收器(两个信道，可扩展至4个)；2.8米线性轨道可连续收集数据，并离线处理；高度便携式电池供电系统；手持接收器的真实工作环境。
2 MPRG天线阵列测试平台
图2中的MAAT具有很多与HAAT一样的特性，但具有更多信道，而且可容纳更大的带宽。然而，MAAT有些笨重，不容易变换位置。其工作频率为2.05GHz，信号为正弦波或已调制信号。其带宽设为100kHz，但通过调整可扩展至1MHz。MAAT可以执行数字实时波束形成和到达角度(angle-of-arrival)估测。
3 向量脉冲响应测量系统
VIPER是一种软件定义的宽带向量信道测量接收器，可支持发射和接收分集测量。VIPER接收器能够接收带宽高达400MHz的信号，并在软件中处理这些信号。该接收器作为智能天线算法的测试平台，可执行多径测量系统的功能以比较多个无线信道环境下天线算法的性能。图3给出了VIPER RF前端部分的照片，一个四通道示波器用作采样系统，计算机从该示波器获取所有的信号信息。
VIPER被设计成在最少的RF硬件条件下，在软件中实现处理功能。图4给出了接收器硬件的模块示意图。执行单阶下变频后，在四个信道的每一个信道的IF信号以每秒1G的采样率被采样。所采集样本信号存储在RAM中，并由计算机处理。
VIPER软件负责采集、处理和记录所接收信号，并显示测量或算法结果。该软件过去一年来经过改进，现包括如下模块：天线分集和分集增益处理；无线信道的时间离散特征(多径)测量；采用MATLAB开发的智能天线算法的实现；功耗、时域和频谱测量；原始接收信号的采集和记录；回放记录信号以用于开发和测试新的算法。
4 宽带发射分集测试平台
宽带发射器设计用于宽带分集和信道测量试验。该发射器基于一个带片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定义了PN和数据序列。当前的发送器可让PN码片序列以高达25Mcps的速度运行，但将来可充分发挥FPGA芯片的性能，使PN序列运行速度高达100Mcps。多径无线信道的详细测量需要高码片速率，但在分集试验中则采用低码片速率，以便所产生的信号带宽与3G无线系统的信号带宽类似。
5 向量多径传播仿真器
VMPS在窄带或宽带信号环境下与试验性测量配合使用。该仿真器可对完整的无线信道进行建模，包括天线和传播效应。试验结果可用于优化由VMPS实现的模型。目的是研究和隔离各种参数的影响，比如天线模式(antenna pattern)和间隔、多径、干扰、算法性能及其它因素。
利用VMPS仿真器可对带8个天线的接收系统进行建模。6个发射器可被激活并放置在接收器周围的任意位置。多径传播可通过在用户挑选或由内置模型决定的位置插入散射器(scatter)来仿真。散射器的发射功率和反射系数是可变的，而且可以关闭或打开直线可视传输环境条件。这些特性可以仿真多种信道状态。
该仿真器可模仿几个分集配置方案的性能，比如空间、极化、模式和角度分集。对于非直线可视城区传播环境下的两个天线单元，采用最大比例组合，VMPS可在99%水平时获得7-11dB的分集增益。这些仿真结果与采用HAAT系统在类似传播条件下的测量结果一致。VMPS还可在不同干扰和多径情况下评估宽带通信系统的性能，比如采用时空阵列、空间阵列、分接式延迟线均衡器(tapped delay line equalizer)，或者单个天线接收器。
系统测量
利用所开发的硬件测试平台进行了广泛的测量，包括手机分集测量、天线间隔和操作员身体对分集的影响、自适应波束形成、到达角、信道互易验证，以及宽带向量信道测量。图5和图6给出了户外非直线可视信道的采样分集测量。图5对比相对于天线间隔的相关系数，注意到当相关性远低于0.7时将十分有利于提高分集性能。图6给出了分集增益与天线间隔的函数关系：99%可靠性时，增益约9dB；90%可靠性时，增益约5-dB。当间隔降至0.1波长时，几乎没有关联关系了。
我们利用手持天线阵列对自适应波束形成做了深入研究。调查所用的小型四单元天线阵列被安装在一个像移动电话一样小巧的接收器上。自适应波束形成研究利用两个相互干扰的发射器在偏远地区、郊区和市区进行了250次试验。利用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控试验可提高性能达25至50dB。
在多径信道中，若在接收器看来发射器间没有分隔，而且两个发射天线的方向无区别，性能提高更加明显。在对等网络(peer-to-peer)和微蜂窝条件下，将接收器拿在手中以步行速度移动时的性能也进行了测量。在对等网络条件下，平均SINR提高约37-41dB，而在微蜂窝条件下波束形成后的平均SINR为21-27dB。在微蜂窝条件下造成较低的SINR的部分原因在于，信号在较长的传播路径上由于衰减而导致低SNR。在所测量的多径信道中，双或多极化天线阵列相对于同极化阵列的优势不足3dB，这表明在这些信道中极化灵活性对提高性能有所帮助，但不是关键因素。
MAAT系统用于到达角测量、针对扩频系统(低带宽)的自适应干扰消除算法，以及在10MHz带宽上基于频率扫描的多频谱向量信道测量。多频谱测量揭示出室内信道的平衰减特性，以及户外到室内信道的频率选择衰减特性。
VIPER用于启动一系列宽带向量信道测量，面向各种具有类似IMT-2000带宽的信道(如室内和户外等)。最初的试验是在室内环境下进行的。
发射分集研究
本节讲述研究组在手机发射分集方面的最近研究活动，这涉及到分集形式不同方面的研究。当在发射器上天线阵列的所有天线上发射符号序列时，就用到发射分集。问题是要在接收器端针对恒定的发射功率最大化信噪比。为了在平衰减信道上实现手机发射分集，研究人员采用了多种算法和方法。这些方法涉及到在发射器端采用复杂的权向量(weight vector)来调整通过不同天线单元的符号。将各种方法所能获得的最大SNR和信号汇集特性进行比较。这些方法包括早－晚方法、子空间方法、基于斜度的方法，以及最小平方(Least Square, LS)方法。
通过仿真对这些方法进行测试，结果表明LS方法更适合平衰减信道。在室内环境下，相比于单天线系统，2单元天线阵列可获得2-6 dB的性能增益，4单元天线阵列可获得5-12dB的性能增益。对这些算法相关的反馈和延迟问题也进行了研究。仿真表明复杂权向量的粗糙幅度(coarse magnitude)和相位量化(phase quantization)是可能的，仅有轻微的性能下降。我们还研究了这些算法在IMT-2000的WCDMA实现中的适用性，WCDMA的信道结构和信号格式能适应这些算法。
发射分集演示
发射分集系统的可行性是通过硬件实现来展示的。该硬件装置包括一个2单元宽带发射分集测试平台和一个作为接收器的VIPER。一个单元的增益保持恒定不变，而另一个单元的相位则以不连续的方式变化。通过测量每个相位设置上的信号强度，可以识别出具有最大功率的设置，并将其转至发射器。测量每个天线单元的信号强度，并比较分集系统与单个天线系统的性能。初始的结果表明，在累积分布函数(CDF)图的1%水平上，性能提高3-4dB是可能的。
本文结论
本文介绍了VTAG在智能手机天线方面的研究。通过利用所开发的不同测试平台进行了各种传播试验，信道测量表明分集系统要比单天线系统的性能有所提高。窄带测量表明，采用带四单元天线阵列的自适应波束形成技术可获得高达40dB的抗干扰性能。利用相应的算法，宽带系统也可以获得类似的增益。我们利用VIPER系统进行了宽带分集试验。我们还探讨了针对平衰减信道的发射分集，而且通过仿真对所提议的各种算法进行了验证。发射分集在室内环境下通过宽带信号进行了演示。基于我们在VIPER上的经验，可以快速开发出具有连续数据采集功能的宽带手持天线阵列测试平台，以便支持各种试验来评估手机宽带信号的自适应波束形成性能。
该项目重点确定智能发送和接收手机天线的可行性，其目的是为了论证这种天线具有更低的功耗、更大的容量及更好的链接可靠性。研究课题包括开发新的智能天线算法及评估链接可靠性和容量的提高。为了评估智能天线在实际应用环境中的性能，研究者采集了一套综合的时空向量信道测量方法。数据采集由VTAG开发的四个阵列硬件测试平台完成，它们是手持式天线阵列测试平台(HAAT)、MPRG天线阵列测试平台(MAAT)、失量脉冲响应 (VIPER)和发射分集测试平台(TDT)。
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图1：在多径环境下采用HAAT的典型试验。一个发射器用于分集组合试验，第二个发射器可用于采用自适应波束成型算法的抗干扰试验。
智能天线可大大提高第三代手持式无线设备的性能。MPRG和VTAG两个研究团队共同组成了一个联合小组负责研究TI公司智能手机天线的关键特性，包括采集天线及传输测量数据、评估分集及自适应算法、仿真整体系统性能，以及量化对带智能天线的手机造成影响的基本现象。自该项目于1998年7月启动以来，我们已开发了三种工具：手持式天线阵列测试平台(HAAT)、向量多径传播仿真器(VMPS)、以及宽带VIPER测量系统。我们已使用这些工具及MPRG天线阵列测试平台(MAAT)来了解手机天线阵列的传输环境，这些信息已经用来预测手机智能天线的性能。
广泛的2.05GHz测量表明，在可靠性为99%时，在户外和室内非直线可视环境下的窄带系统上实现7-9dB链路增益预算。这些增益可利用手机分集和自适应的小天线阵列获得，天线间的隔离间距为0.15波长或更大。其他的测量表明，利用自适应波束形成(beamforming)算法可将单个干扰信号降低25-40dB。因此，可靠性、系统容量和传输功率性能都可得到大大提高。
系统开发
1 手持式天线阵列测试平台
HAAT系统可用来评估在分集组合和自适应波束形成试验中各种天线配置的性能(典型的应用如图1)。图2给出了一个采用HAAT系统的典型试验场景。接收器将来自两个或更多接收信道的信号下变频到基带。这些信号被记录在数字录音带上，以便利用适当的算法进行离线处理。接收器在2.8米长的轨道上以模仿人行走的恒定速度移动。一个小型手持式无线电装置支撑着两个天线，天线的间隔和方向是可变的。该系统具有如下特性：2.05GHz CW信号；两个发射器；一个接收器(两个信道，可扩展至4个)；2.8米线性轨道可连续收集数据，并离线处理；高度便携式电池供电系统；手持接收器的真实工作环境。
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图2：MAAT由8个Harris 40214可编程直接数字下变频器和8个C54x DSP组成
2 MPRG天线阵列测试平台
图2中的MAAT具有很多与HAAT一样的特性，但具有更多信道，而且可容纳更大的带宽。然而，MAAT有些笨重，不容易变换位置。其工作频率为2.05GHz，信号为正弦波或已调制信号。其带宽设为100kHz，但通过调整可扩展至1MHz。MAAT可以执行数字实时波束形成和到达角度(angle-of-arrival)估测。
3 向量脉冲响应测量系统
VIPER是一种软件定义的宽带向量信道测量接收器，可支持发射和接收分集测量。VIPER接收器能够接收带宽高达400MHz的信号，并在软件中处理这些信号。该接收器作为智能天线算法的测试平台，可执行多径测量系统的功能以比较多个无线信道环境下天线算法的性能。图3给出了VIPER RF前端部分的照片，一个四通道示波器用作采样系统，计算机从该示波器获取所有的信号信息。
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图3：VIPER RF前端部分组成
VIPER被设计成在最少的RF硬件条件下，在软件中实现处理功能。图4给出了接收器硬件的模块示意图。执行单阶下变频后，在四个信道的每一个信道的IF信号以每秒1G的采样率被采样。所采集样本信号存储在RAM中，并由计算机处理。
VIPER软件负责采集、处理和记录所接收信号，并显示测量或算法结果。该软件过去一年来经过改进，现包括如下模块：天线分集和分集增益处理；无线信道的时间离散特征(多径)测量；采用MATLAB开发的智能天线算法的实现；功耗、时域和频谱测量；原始接收信号的采集和记录；回放记录信号以用于开发和测试新的算法。
4 宽带发射分集测试平台
宽带发射器设计用于宽带分集和信道测量试验。该发射器基于一个带片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定义了PN和数据序列。当前的发送器可让PN码片序列以高达25Mcps的速度运行，但将来可充分发挥FPGA芯片的性能，使PN序列运行速度高达100Mcps。多径无线信道的详细测量需要高码片速率，但在分集试验中则采用低码片速率，以便所产生的信号带宽与3G无线系统的信号带宽类似。
5 向量多径传播仿真器
VMPS在窄带或宽带信号环境下与试验性测量配合使用。该仿真器可对完整的无线信道进行建模，包括天线和传播效应。试验结果可用于优化由VMPS实现的模型。目的是研究和隔离各种参数的影响，比如天线模式(antenna pattern)和间隔、多径、干扰、算法性能及其它因素。
利用VMPS仿真器可对带8个天线的接收系统进行建模。6个发射器可被激活并放置在接收器周围的任意位置。多径传播可通过在用户挑选或由内置模型决定的位置插入散射器(scatter)来仿真。散射器的发射功率和反射系数是可变的，而且可以关闭或打开直线可视传输环境条件。这些特性可以仿真多种信道状态。
该仿真器可模仿几个分集配置方案的性能，比如空间、极化、模式和角度分集。对于非直线可视城区传播环境下的两个天线单元，采用最大比例组合，VMPS可在99%水平时获得7-11dB的分集增益。这些仿真结果与采用HAAT系统在类似传播条件下的测量结果一致。VMPS还可在不同干扰和多径情况下评估宽带通信系统的性能，比如采用时空阵列、空间阵列、分接式延迟线均衡器(tapped delay line equalizer)，或者单个天线接收器。
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图4：VIPER系统框图
系统测量
利用所开发的硬件测试平台进行了广泛的测量，包括手机分集测量、天线间隔和操作员身体对分集的影响、自适应波束形成、到达角、信道互易验证，以及宽带向量信道测量。图5和图6给出了户外非直线可视信道的采样分集测量。图5对比相对于天线间隔的相关系数，注意到当相关性远低于0.7时将十分有利于提高分集性能。图6给出了分集增益与天线间隔的函数关系：99%可靠性时，增益约9dB；90%可靠性时，增益约5-dB。当间隔降至0.1波长时，几乎没有关联关系了。
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图5：在市区、非LOS环境下，空间分集测量中封包(envelope)相关系数与天线间隔关系
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图6：在市区、非LOS环境下，空间分集测量中平均分集增益与天线间隔关系图
我们利用手持天线阵列对自适应波束形成做了深入研究。调查所用的小型四单元天线阵列被安装在一个像移动电话一样小巧的接收器上。自适应波束形成研究利用两个相互干扰的发射器在偏远地区、郊区和市区进行了250次试验。利用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控试验可提高性能达25至50dB。
在多径信道中，若在接收器看来发射器间没有分隔，而且两个发射天线的方向无区别，性能提高更加明显。在对等网络(peer-to-peer)和微蜂窝条件下，将接收器拿在手中以步行速度移动时的性能也进行了测量。在对等网络条件下，平均SINR提高约37-41dB，而在微蜂窝条件下波束形成后的平均SINR为21-27dB。在微蜂窝条件下造成较低的SINR的部分原因在于，信号在较长的传播路径上由于衰减而导致低SNR。在所测量的多径信道中，双或多极化天线阵列相对于同极化阵列的优势不足3dB，这表明在这些信道中极化灵活性对提高性能有所帮助，但不是关键因素。
MAAT系统用于到达角测量、针对扩频系统(低带宽)的自适应干扰消除算法，以及在10MHz带宽上基于频率扫描的多频谱向量信道测量。多频谱测量揭示出室内信道的平衰减特性，以及户外到室内信道的频率选择衰减特性。
VIPER用于启动一系列宽带向量信道测量，面向各种具有类似IMT-2000带宽的信道(如室内和户外等)。最初的试验是在室内环境下进行的。
发射分集研究
本节讲述研究组在手机发射分集方面的最近研究活动，这涉及到分集形式不同方面的研究。当在发射器上天线阵列的所有天线上发射符号序列时，就用到发射分集。问题是要在接收器端针对恒定的发射功率最大化信噪比。为了在平衰减信道上实现手机发射分集，研究人员采用了多种算法和方法。这些方法涉及到在发射器端采用复杂的权向量(weight vector)来调整通过不同天线单元的符号。将各种方法所能获得的最大SNR和信号汇集特性进行比较。这些方法包括早－晚方法、子空间方法、基于斜度的方法，以及最小平方(Least Square, LS)方法。
通过仿真对这些方法进行测试，结果表明LS方法更适合平衰减信道。在室内环境下，相比于单天线系统，2单元天线阵列可获得2-6 dB的性能增益，4单元天线阵列可获得5-12dB的性能增益。对这些算法相关的反馈和延迟问题也进行了研究。仿真表明复杂权向量的粗糙幅度(coarse magnitude)和相位量化(phase quantization)是可能的，仅有轻微的性能下降。我们还研究了这些算法在IMT-2000的WCDMA实现中的适用性，WCDMA的信道结构和信号格式能适应这些算法。
发射分集演示
发射分集系统的可行性是通过硬件实现来展示的。该硬件装置包括一个2单元宽带发射分集测试平台和一个作为接收器的VIPER。一个单元的增益保持恒定不变，而另一个单元的相位则以不连续的方式变化。通过测量每个相位设置上的信号强度，可以识别出具有最大功率的设置，并将其转至发射器。测量每个天线单元的信号强度，并比较分集系统与单个天线系统的性能。初始的结果表明，在累积分布函数(CDF)图的1%水平上，性能提高3-4dB是可能的。
本文结论
本文介绍了VTAG在智能手机天线方面的研究。通过利用所开发的不同测试平台进行了各种传播试验，信道测量表明分集系统要比单天线系统的性能有所提高。窄带测量表明，采用带四单元天线阵列的自适应波束形成技术可获得高达40dB的抗干扰性能。利用相应的算法，宽带系统也可以获得类似的增益。我们利用VIPER系统进行了宽带分集试验。我们还探讨了针对平衰减信道的发射分集，而且通过仿真对所提议的各种算法进行了验证。发射分集在室内环境下通过宽带信号进行了演示。基于我们在VIPER上的经验，可以快速开发出具有连续数据采集功能的宽带手持天线阵列测试平台，以便支持各种试验来评估手机宽带信号的自适应波束形成性能。
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