中心議題：

• 手機智能天線測試係統
• 係統的開發

解決方案：

• 數據采集由VTAG開發的四個陣列硬件測試平台完成
• 寬帶發射器設計用於寬帶分集和信道測量試驗
• 發射器端采用複雜的權向量調整不同天線單元的符號

本文描述了一項由德州儀器公司(TI)發起、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(geng)大(da)的(de)容(rong)量(liang)及(ji)更(geng)好(hao)的(de)鏈(lian)接(jie)可(ke)靠(kao)性(xing)。研(yan)究(jiu)課(ke)題(ti)包(bao)括(kuo)開(kai)發(fa)新(xin)的(de)智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)算(suan)法(fa)及(ji)評(ping)估(gu)鏈(lian)接(jie)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)容(rong)量(liang)的(de)提(ti)高(gao)。為(wei)了(le)評(ping)估(gu)智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)性(xing)能(neng)
，研(yan)究(jiu)者(zhe)采(cai)集(ji)了(le)一(yi)套(tao)綜(zong)合(he)的(de)時(shi)空(kong)向(xiang)量(liang)信(xin)道(dao)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)。數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)由(you)VTAG開發的四個陣列硬件測試平台完成，它們是手持式天線陣列測試平台(HAAT)、MPRG天線陣列測試平台(MAAT)、失量脈衝響應 (VIPER)和發射分集測試平台(TDT)。
一個發射器用於分集組合試驗，第二個發射器可用於采用自適應波束成型算法的抗幹擾試驗。

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據、評估分集及自適應算法、仿真整體係統性能
，以及量化對帶智能天線的手機造成影響的基本現象。自該項目於1998年7月啟動以來，我們已開發了三種工具：手持式天線陣列測試平台(HAAT)、向量多徑傳播仿真器(VMPS)

、以及寬帶VIPER測量係統。我們已使用這些工具及MPRG天線陣列測試平台(MAAT)來了解手機天線陣列的傳輸環境
，這些信息已經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
，在戶外和室內非直線可視環境下的窄帶係統上實現7-9dB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)算法可將單個幹擾信號降低25-40dB。因此，可靠性、係統容量和傳輸功率性能都可得到大大提高。

係統開發

1 手持式天線陣列測試平台

HAAT係統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係(xi)統(tong)的(de)典(dian)型(xing)試(shi)驗(yan)場(chang)景(jing)。接(jie)收(shou)器(qi)將(jiang)來(lai)自(zi)兩(liang)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)接(jie)收(shou)信(xin)道(dao)的(de)信(xin)號(hao)下(xia)變(bian)頻(pin)到(dao)基(ji)帶(dai)。這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)被(bei)記(ji)錄(lu)在(zai)數(shu)字(zi)錄(lu)音(yin)帶(dai)上(shang)，以(yi)便(bian)利(li)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)算(suan)法(fa)進(jin)行(xing)離(li)線(xian)處(chu)理(li)。接(jie)收(shou)器(qi)在(zai)2.8米mi長chang的de軌gui道dao上shang以yi模mo仿fang人ren行xing走zou的de恒heng定ding速su度du移yi動dong。一yi個ge小xiao型xing手shou持chi式shi無wu線xian電dian裝zhuang置zhi支zhi撐cheng著zhe兩liang個ge天tian線xian，天tian線xian的de間jian隔ge和he方fang向xiang是shi可ke變bian的de。該gai係xi統tong具ju有you如ru下xia特te性xing：2.05GHz CW信號
；兩個發射器
；一個接收器(兩個信道，可擴展至4個)；2.8米線性軌道可連續收集數據，並離線處理；高度便攜式電池供電係統；手持接收器的真實工作環境。
2 MPRG天線陣列測試平台

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製信號。其帶寬設為100kHz，但通過調整可擴展至1MHz。MAAT可以執行數字實時波束形成和到達角度(angle-of-arrival)估測。
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3 向量脈衝響應測量係統

VIPER是一種軟件定義的寬帶向量信道測量接收器，可支持發射和接收分集測量。VIPER接收器能夠接收帶寬高達400MHzdexinhao，bingzairuanjianzhongchulizhexiexinhao。gaijieshouqizuoweizhinengtianxiansuanfadeceshipingtai，kezhixingduojingceliangxitongdegongnengyibijiaoduogewuxianxindaohuanjingxiatianxiansuanfadexingneng。tu3給出了VIPER RF前端部分的照片，一個四通道示波器用作采樣係統，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，在軟件中實現處理功能。圖4給出了接收器硬件的模塊示意圖。執行單階下變頻後
，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，並由計算機處理。

VIPER軟件負責采集
、處理和記錄所接收信號，並顯示測量或算法結果。該軟件過去一年來經過改進
，現包括如下模塊：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開發的智能天線算法的實現；功耗
、時域和頻譜測量；原始接收信號的采集和記錄
；回放記錄信號以用於開發和測試新的算法。

4 寬帶發射分集測試平台

寬帶發射器設計用於寬帶分集和信道測量試驗。該發射器基於一個帶片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中定義了PN和數據序列。當前的發送器可讓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，以便所產生的信號帶寬與3G無線係統的信號帶寬類似。

5 向量多徑傳播仿真器

VMPS在zai窄zhai帶dai或huo寬kuan帶dai信xin號hao環huan境jing下xia與yu試shi驗yan性xing測ce量liang配pei合he使shi用yong。該gai仿fang真zhen器qi可ke對dui完wan整zheng的de無wu線xian信xin道dao進jin行xing建jian模mo，包bao括kuo天tian線xian和he傳chuan播bo效xiao應ying。試shi驗yan結jie果guo可ke用yong於yu優you化hua由youVMPS實現的模型。目的是研究和隔離各種參數的影響，比如天線模式(antenna pattern)和間隔、多徑、幹擾
、算法性能及其它因素。

利用VMPS仿真器可對帶8個天線的接收係統進行建模。6個發射器可被激活並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置模型決定的位置插入散射器(scatter)來仿真。散射器的發射功率和反射係數是可變的，而且可以關閉或打開直線可視傳輸環境條件。這些特性可以仿真多種信道狀態。

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。對於非直線可視城區傳播環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係統在類似傳播條件下的測量結果一致。VMPS還可在不同幹擾和多徑情況下評估寬帶通信係統的性能，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。
係統測量

利用所開發的硬件測試平台進行了廣泛的測量，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對比相對於天線間隔的相關係數，注意到當相關性遠低於0.7時將十分有利於提高分集性能。圖6給出了分集增益與天線間隔的函數關係：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，幾乎沒有關聯關係了。
womenliyongshouchitianxianzhenlieduizishiyingboshuxingchengzuoleshenruyanjiu。tiaozhasuoyongdexiaoxingsidanyuantianxianzhenliebeianzhuangzaiyigexiangyidongdianhuayiyangxiaoqiaodejieshouqishang。zishiyingboshuxingchengyanjiuliyonglianggexianghuganraodefasheqizaipianyuandiqu、郊區和市區進行了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。
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在多徑信道中
，若在接收器看來發射器間沒有分隔，而且兩個發射天線的方向無區別，性能提高更加明顯。在對等網絡(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。在對等網絡條件下
，平均SINR提高約37-41dB，而在微蜂窩條件下波束形成後的平均SINR為21-27dB。在微蜂窩條件下造成較低的SINR的部分原因在於，信號在較長的傳播路徑上由於衰減而導致低SNR。在所測量的多徑信道中
，雙或多極化天線陣列相對於同極化陣列的優勢不足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。

MAAT係統用於到達角測量、針對擴頻係統(低帶寬)的自適應幹擾消除算法
，以及在10MHz帶寬上基於頻率掃描的多頻譜向量信道測量。多頻譜測量揭示出室內信道的平衰減特性，以及戶外到室內信道的頻率選擇衰減特性。

VIPER用於啟動一係列寬帶向量信道測量，麵向各種具有類似IMT-2000帶寬的信道(如室內和戶外等)。最初的試驗是在室內環境下進行的。

發射分集研究

本(ben)節(jie)講(jiang)述(shu)研(yan)究(jiu)組(zu)在(zai)手(shou)機(ji)發(fa)射(she)分(fen)集(ji)方(fang)麵(mian)的(de)最(zui)近(jin)研(yan)究(jiu)活(huo)動(dong)，這(zhe)涉(she)及(ji)到(dao)分(fen)集(ji)形(xing)式(shi)不(bu)同(tong)方(fang)麵(mian)的(de)研(yan)究(jiu)。當(dang)在(zai)發(fa)射(she)器(qi)上(shang)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)的(de)所(suo)有(you)天(tian)線(xian)上(shang)發(fa)射(she)符(fu)號(hao)序(xu)列(lie)時(shi)，就(jiu)用(yong)到(dao)發(fa)射(she)分(fen)集(ji)。問(wen)題(ti)是(shi)要(yao)在(zai)接(jie)收(shou)器(qi)端(duan)針(zhen)對(dui)恒(heng)定(ding)的(de)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)最(zui)大(da)化(hua)信(xin)噪(zao)比(bi)。為(wei)了(le)在(zai)平(ping)衰(shuai)減(jian)信(xin)道(dao)上(shang)實(shi)現(xian)手(shou)機(ji)發(fa)射(she)分(fen)集(ji)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)采(cai)用(yong)了(le)多(duo)種(zhong)算(suan)法(fa)和(he)方(fang)法(fa)。這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)涉(she)及(ji)到(dao)在(zai)發(fa)射(she)器(qi)端(duan)采(cai)用(yong)複(fu)雜(za)的(de)權(quan)向(xiang)量(liang)(weight vector)來調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和信號彙集特性進行比較。這些方法包括早－晚方法、子空間方法
、基於斜度的方法

，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。在室內環境下，相比於單天線係統
，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。仿真表明複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實現中的適用性，WCDMA的信道結構和信號格式能適應這些算法。

發射分集演示

發射分集係統的可行性是通過硬件實現來展示的。該硬件裝置包括一個2單元寬帶發射分集測試平台和一個作為接收器的VIPER。一(yi)個(ge)單(dan)元(yuan)的(de)增(zeng)益(yi)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)

，而(er)另(ling)一(yi)個(ge)單(dan)元(yuan)的(de)相(xiang)位(wei)則(ze)以(yi)不(bu)連(lian)續(xu)的(de)方(fang)式(shi)變(bian)化(hua)。通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)每(mei)個(ge)相(xiang)位(wei)設(she)置(zhi)上(shang)的(de)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)
，可(ke)以(yi)識(shi)別(bie)出(chu)具(ju)有(you)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)的(de)設(she)置(zhi)
，並(bing)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)至(zhi)發(fa)射(she)器(qi)。測(ce)量(liang)每(mei)個(ge)天(tian)線(xian)單(dan)元(yuan)的(de)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)，並(bing)比(bi)較(jiao)分(fen)集(ji)係(xi)統(tong)與(yu)單(dan)個(ge)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)。初(chu)始(shi)的(de)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，在(zai)累(lei)積(ji)分(fen)布(bu)函(han)數(shu)(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(zai)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)天(tian)線(xian)方(fang)麵(mian)的(de)研(yan)究(jiu)。通(tong)過(guo)利(li)用(yong)所(suo)開(kai)發(fa)的(de)不(bu)同(tong)測(ce)試(shi)平(ping)台(tai)進(jin)行(xing)了(le)各(ge)種(zhong)傳(chuan)播(bo)試(shi)驗(yan)，信(xin)道(dao)測(ce)量(liang)表(biao)明(ming)分(fen)集(ji)係(xi)統(tong)要(yao)比(bi)單(dan)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)有(you)所(suo)提(ti)高(gao)。窄(zhai)帶(dai)測(ce)量(liang)表(biao)明(ming)
，采(cai)用(yong)帶(dai)四(si)單(dan)元(yuan)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)波(bo)束(shu)形(xing)成(cheng)技(ji)術(shu)可(ke)獲(huo)得(de)高(gao)達(da)40dB的抗幹擾性能。利用相應的算法
，寬帶係統也可以獲得類似的增益。我們利用VIPERxitongjinxinglekuandaifenjishiyan。womenhaitantaolezhenduipingshuaijianxindaodefashefenji，erqietongguofangzhenduisuotiyidegezhongsuanfajinxingleyanzheng。fashefenjizaishineihuanjingxiatongguokuandaixinhaojinxingleyanshi。jiyuwomenzaiVIPERshangdejingyan，keyikuaisukaifachujuyoulianxushujucaijigongnengdekuandaishouchitianxianzhenlieceshipingtai，yibianzhichigezhongshiyanlaipinggushoujikuandaixinhaodezishiyingboshuxingchengxingneng。