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

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。

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

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

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

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。