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分集的影響、自適應(yīng)波束形成、到達(dá)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(guān)系數(shù)，注意到當(dāng)相關(guān)性遠(yuǎn)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(guān)系：99%可靠性時，增益約9dB；90%可靠性時，增益約5-dB。當(dāng)間隔降至0.1波長時，幾乎沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系了。

我們利用手持天線陣列對自適應(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像移動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。利用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控試驗可提高性能達(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(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時的性能也進(jìn)行了測量。在對等網(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(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(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，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(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。將各種方法所能獲得的最大SNR和信號匯集特性進(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實現(xiàn)中的適用性，WCDMA的信道結(jié)構(gòu)和信號格式能適應(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(shè)置上的信號強(qiáng)度，可以識別出具有最大功率的設(shè)置，并將其轉(zhuǎn)至發(fā)射器。測量每個天線單元的信號強(qiáng)度，并比較分集系統(tǒng)與單個天線系統(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)的不同測試平臺進(jìn)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(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。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(jìn)行了驗證。發(fā)射分集在室內(nèi)環(huán)境下通過寬帶信號進(jìn)行了演示。基于我們在VIPER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(jī)寬帶信號的自適應(yīng)波束形成性能。