本文描绘了一项由德州仪器公司(TI)建议、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讨组(MPRG)协作完结的研讨项目。
该项目要点确认智能发送和接纳手机天线的可行性，其意图是为了证明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。研讨课题包含开发新的智能天线算法及评价链接可靠性和容量的进步。为了评价智能天线在实践运用环境中的功用，研讨者搜集了一套归纳的时空向量信道丈量办法。数据搜集由VTAG开发的四个阵列硬件测验渠道完结，它们是手持式天线阵列测验渠道(HAAT)、MPRG天线阵列测验渠道(MAAT)、失量脉冲响应 (VIPER)和发射分集测验渠道(TDT)。
图1：在多径环境下选用HAAT的典型实验。一个发射器用于分集组合实验，第二个发射器可用于选用自习惯波束成型算法的抗搅扰实验。
智能天线可大大进步第三代手持式无线设备的功用。MPRG和VTAG两个研讨团队一起组成了一个联合小组担任研讨TI公司智能手机天线的要害特性，包含搜集天线及传输丈量数据、评价分集及自习惯算法、仿真全体体系功用，以及量化对带智能天线的手机构成影响的根本现象。自该项目于1998年7月发动以来，咱们已开发了三种东西：手持式天线阵列测验渠道(HAAT)、向量多径传达仿真器(VMPS)、以及宽带VIPER丈量体系。咱们已运用这些东西及MPRG天线阵列测验渠道(MAAT)来了解手机天线阵列的传输环境，这些信息现已用来猜测手机智能天线的功用。
广泛的2.05GHz丈量标明，在可靠性为99%时，在野外和室内非直线可视环境下的窄带体系上完成7-9 dB链路增益预算。这些增益可运用手机分集和自习惯的小天线阵列取得，天线间的阻隔距离为0.15波长或更大。其他的丈量标明，运用自习惯波束构成(beamforming)算法可将单个搅扰信号下降25-40dB。因而，可靠性、体系容量和传输功率功用都可得到大大进步。
体系开发
1. 手持式天线阵列测验渠道
HAAT体系可用来评价在分集组合和自习惯波束构成实验中各种天线装备的功用(典型的运用如图1)。图2给出了一个选用HAAT体系的典型实验场景。接纳器将来自两个或更多接纳信道的信号下变频到基带。这些信号被记载在数字录音带上，以便运用恰当的算法进行离线处理。接纳器在2.8米长的轨迹上以仿照人行走的稳定速度移动。一个小型手持式无线电设备支撑着两个天线，天线的距离和方向是可变的。该体系具有如下特性：2.05GHz CW信号；两个发射器；一个接纳器(两个信道，可扩展至4个)；2.8米线性轨迹可接连搜集数据，并离线处理；高度便携式电池供电体系；手持接纳器的实在作业环境。 
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天线阵列测验渠道
图2中的MAAT具有很多与HAAT相同的特性，但具有更多信道，并且可包容更大的带宽。但是，MAAT有些粗笨，不容易变换方位。其作业频率为2.05GHz，信号为正弦波或已调制信号。其带宽设为100kHz，但经过调整可扩展至1MHz。MAAT能够履行数字实时波束构成和抵达视点(angle-of-arrival)估测。
3. 向量脉冲响应丈量体系
VIPER是一种软件界说的宽带向量信道丈量接纳器，可支撑发射和接纳分集丈量。VIPER接纳器能够接纳带宽高达400MHz的信号，并在软件中处理这些信号。该接纳器作为智能天线算法的测验渠道，可履行多径丈量体系的功用以比较多个无线信道环境下天线算法的功用。图3给出了VIPER RF前端部分的相片，一个四通道示波器用作采样体系，计算机从该示波器获取一切的信号信息。
VIPER被规划成在最少的RF硬件条件下，在软件中完成处理功用。图4给出了接纳器硬件的模块示意图。履行单阶下变频后，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。所搜集样本信号存储在RAM中，并由计算机处理。
VIPER软件担任搜集、处理和记载所接纳信号，并显现丈量或算法成果。该软件曩昔一年来经过改善，现包含如下模块：天线分集和分集增益处理；无线信道的时刻离散特征(多径)丈量；选用MATLAB开发的智能天线算法的完成；功耗、时域和频谱丈量；原始接纳信号的搜集和记载；回放记载信号以用于开发和测验新的算法。
4. 宽带发射分集测验渠道
图3：VIPER RF前端部分组成
宽带发射器规划用于宽带分集和信道丈量实验。该发射器根据一个带片上EEPROM的FPGA，在EEPROM中界说了PN和数据序列。当时的发送器可让PN码片序列以高达25Mcps的速度运转，但将来可充分发挥FPGA芯片的功用，使PN序列运转速度高达100Mcps。多径无线信道的具体丈量需要高码片速率，但在分集实验中则选用低码片速率，以便所发生的信号带宽与3G无线体系的信号带宽相似。
5. 向量多径传达仿真器
VMPS在窄带或宽带信号环境下与实验性丈量合作运用。该仿真器可对完好的无线信道进行建模，包含天线和传达效应。实验成果可用于优化由VMPS完成的模型。意图是研讨和阻隔各种参数的影响，比方天线方法(antenna pattern)和距离、多径、搅扰、算法功用及其它要素。
运用VMPS仿真器可对带8个天线的接纳体系进行建模。6个发射器可被激活并放置在接纳器周围的恣意方位。多径传达可经过在用户挑选或由内置模型决议的方位刺进散射器(scatter)来仿真。散射器的发射功率和反射系数是可变的，并且能够封闭或翻开直线可视传输环境条件。这些特功用够仿真多种信道状况。
该仿真器可仿照几个分集装备计划的功用，比方空间、极化、方法和视点分集。关于非直线可视城区传达环境下的两个天线单元，选用最大份额组合，VMPS可在99%水平常取得7-11dB的分集增益。这些仿真成果与选用HAAT体系在相似传达条件下的丈量成果共同。VMPS还可在不同搅扰和多径情况下评价宽带通讯体系的功用，比方选用时空阵列、空间阵列、分接式推迟线均衡器(tapped delay line equalizer)，或许单个天线接纳器。
图4：VIPER体系框图
体系丈量
运用所开发的硬件测验渠道进行了广泛的丈量，包含手机分集丈量、天线距离和操作员身体对分集的影响、自习惯波束构成、抵达角、信道互易验证，以及宽带向量信道丈量。图5和图6给出了野外非直线可视信道的采样分集丈量。图5比照相关于天线距离的相联系数，注意到当相关性远低于0.7时将非常有利于进步分集功用。图6给出了分集增益与天线距离的函数联系：99%可靠性时，增益约9dB；90%可靠性时，增益约5-dB。当距离降至0.1波长时，几乎没有相关联系了。
咱们运用手持天线阵列对自习惯波束构成做了深入研讨。查询所用的小型四单元天线阵列被安装在一个像移动电话相同细巧的接纳器上。自习惯波束构成研讨运用两个彼此搅扰的发射器在偏远地区、市郊和市区进行了250次实验。运用最小二乘恒模算法(LSCMA)，受控实验可进步功用达25至50dB。
在多径信道中，若在接纳器看来发射器间没有分隔，并且两个发射天线的方向无差异，功用进步愈加显着。在对等网络(peer-to-peer)和微蜂窝条件下，将接纳器拿在手中以步行速度移动时的功用也进行了丈量。在对等网络条件下，均匀SINR进步约37-41dB，而在微蜂窝条件下波束构成后的均匀SINR为21-27dB。在微蜂窝条件下构成较低的SINR的部分原因在于，信号在较长的传达途径上因为衰减而导致低SNR。在所丈量的多径信道中，双或多极化天线阵列相关于同极化阵列的优势缺乏3dB，这标明在这些信道中极化灵活性对进步功用有所协助，但不是要害要素。
图5：在市区、非LOS环境下，空间分集丈量中封包
(envelope)相联系数与天线距离联系
MAAT体系用于抵达角丈量、针对扩频体系(低带宽)的自习惯搅扰消除算法，以及在10MHz带宽上根据频率扫描的多频谱向量信道丈量。多频谱丈量提醒出室内信道的平衰减特性，以及野外到室内信道的频率挑选衰减特性。
VIPER用于发动一系列宽带向量信道丈量，面向各种具有相似IMT-2000带宽的信道(如室内和野外等)。开始的实验是在室内环境下进行的。
发射分集研讨
本节叙述研讨组在手机发射分集方面的最近研讨活动，这涉及到分集方法不同方面的研讨。当在发射器上天线阵列的一切天线上发射符号序列时，就用到发射分集。问题是要在接纳器端针对稳定的发射功率最大化信噪比。为了在平衰减信道上完成手机发射分集，研讨人员选用了多种算法和办法。这些办法涉及到在发射器端选用杂乱的权向量(weight vector)来调整经过不同天线单元的符号。将各种办法所能取得的最大SNR和信号聚集特性进行比较。这些办法包含早－晚办法、子空间办法、根据斜度的办法，以及最小平方(Least Square, LS)办法。
经过仿真对这些办法进行测验，成果标明LS办法更适合平衰减信道。在室内环境下，比较于单天线体系，2单元天线阵列可取得2-6 dB的功用增益，4单元天线阵列可取得5-12dB的功用增益。对这些算法相关的反应和推迟问题也进行了研讨。仿真标明杂乱权向量的粗糙起伏(coarse magnitude)和相位量化(phase quantization)是或许的，仅有细微的功用下降。咱们还研讨了这些算法在IMT-2000的WCDMA完成中的适用性，WCDMA的信道结构和信号格局能习惯这些算法。
发射分集演示
图6：在市区、非LOS环境下，空间分集丈量中均匀分集增益与天线距离联系图
发射分集体系的可行性是经过硬件完成来展现的。该硬件设备包含一个2单元宽带发射分集测验渠道和一个作为接纳器的VIPER。一个单元的增益坚持稳定不变，而另一个单元的相位则以不接连的方法改变。经过丈量每个相位设置上的信号强度，能够辨认出具有最大功率的设置，并将其转至发射器。丈量每个天线单元的信号强度，并比较分集体系与单个天线体系的功用。初始的成果标明，在累积散布函数(CDF)图的1%水平上，功用进步3-4dB是或许的。
本文定论
本文介绍了VTAG在智能手机天线方面的研讨。经过运用所开发的不同测验渠道进行了各种传达实验，信道丈量标明分集体系要比单天线体系的功用有所进步。窄带丈量标明，选用带四单元天线阵列的自习惯波束构成技能可取得高达40dB的抗搅扰功用。运用相应的算法，宽带体系也能够取得相似的增益。咱们运用VIPER体系进行了宽带分集实验。咱们还探讨了针对平衰减信道的发射分集，并且经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经过宽带信号进行了演示。根据咱们在VIPER上的经历，能够快速开发出具有接连数据搜集功用的宽带手持天线阵列测验渠道，以便支撑各种实验来评价手机宽带信号的自习惯波束构成功用。
