低功耗、大容量及好鏈接可靠性手機(jī)智能天線測試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

系統(tǒng)測量

利用所開發(fā)的硬件測試平臺(tái)進(jìn)行了廣泛的測量，包括手機(jī)分集測量、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(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，若在接收器看來發(fā)射器間沒有分隔，而且兩個(gè)發(fā)射天線的方向無區(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)在較長的傳播路徑上由于衰減而導(dǎo)致低SNR。在所測量的多徑信道中，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(dòng)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(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)來展示的。該硬件裝置包括一個(gè)2單元寬帶發(fā)射分集測試平臺(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)的不同測試平臺(tái)進(jìn)行了各種傳播試驗(yàn)，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(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?；谖覀冊赩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試平臺(tái)，以便支持各種試驗(yàn)來評(píng)估手機(jī)寬帶信號(hào)的自適應(yīng)波束形成性能。