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利用动态天线分集技术改善接收机性能

菜鸟
2003-04-23 18:10:00    评分
天线分集接收技术可以增强接收信号,提高系统性能,但同时会增加成本和功耗。本文介绍的动态天线分集技术是通过对接收信号强度测量来对无线链路进行评估,并根据其结果动态地调整接收天线的连接,达到降低功耗和提高性能的目的。 IEEE 802.11a无线局域网(WLAN)标准选择正交频分复用(OFDM)和正交幅度调制(QAM),在5GHz频带上实现54Mbps的数据通信。该方案在本质上具有非常高的鲁棒性,能有效克服多径效应,而采用天线分集可以增强无线连接。但是,在接收机端结合相应信号处理的天线分集功耗大,因此限制了其广泛应用。而动态分集等先进技术可以使功耗和性能得到有效的折衷和优化,并使该技术能更广泛深入地用于WLAN。为了正确实现动态分集并发挥其最大的优势,设计工程师必须全面精确地提取接收信道的特征参数。 系统在采用动态分集技术条件下,当根据接收端质量评估认为链路足够可靠时,就采用一种形式相对简单的接收天线分集,可以是交换式分集、选择分集或无分集模式。链路状况变差时,接收机将采用一种鲁棒但功耗更大的完全分集(full-diversity)模式,它在多个接收天线路径上进行信号处理。在检测到链路质量改善后,接收机就会将其配置重新恢复到较简单的分集模式。即只有当链路的质量恶化到无法实现给定的数据率时,才采用完全分集模式。 动态分集具有多种优点:它可以提供高吞吐率而无需过高的整体功耗,并且不影响发送器功率控制和数据包重传等传统的发送器端链路增强技术;动态分集保持了与当前使用的无线通信设备的后向兼容能力和互操作能力,因为它是一种只影响接收端的增强技术。接收机端链路质量评估技术在实现动态分集概念中扮演了关键角色,动态模式的选择可以由能够指示通信链路质量变化的各种PHY层及MAC层参数决定。 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3F1.GIF[/img] 通过天线分集,接收端可以获得对发射端发出的同一信号的多个样本,由此可以在接收机端以更高的精确度恢复发送信号。然而,天线分集也有缺点:它需要更多的信号处理,这会导致更大的功耗,同时,还会增加硬件额外开销。通过在多个信号路径之间共享电路和构建模块可以降低硬件开销,芯片高集成度和高效的封装技术也可以降低设备的成本。 信道衰落模型 首先来考察一个有代表性的QAM系统,如图1所示。接收到的采样由等式1给出: [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3E1.GIF[/img] 上式中,gk表示无线介质中的衰落,Ak是QAM符号,nk为加性噪声,所有变量一般都是复数值。这是对在一个被加性噪声破坏的衰减信道上传输的QAM符号的一个概括描述,该等式所表示的模型既可以是一个时域模型也可以是一个频域模型。在一个采用有限数量 (如N)固定频率的OFDM系统中,模型(1)假设第(k+iN)个符号占据第k个频率进行传输,此处i为非负整数,k从1到N,即频率是以一种连续性的方式从第一个到最后一个依次被占用,然后又回到第一个,如此反复。 现在考察采用一个发射天线和两个接收天线时的信道模型,参见图2。这个模型可以直接推广到与采用多个接收天线(甚至是多个发射天线)相对应的多个信道,该模型没有采用发射天线分集技术。两个天线的接收采样为: [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3E2.GIF[/img] 式中的双下标用来表示信道衰落参数和噪声,以区别两条接收路径。在图2中,位-符号映射模块将固定数目的位转换成一个QAM符号,非线性处理器通过以某种最优或次优的方法结合这两个接收到的采样,对传送的位数据进行判断。根据对象的复杂度/性能的折衷考虑,该过程可以通过软件或硬件实现。对于802.11a选择的特定OFDM格式,上述接收采样对应着52个子载波之一的幅度的噪声观测值。衰落参数g1,k代表这个信道在一个具体频带上对于一个特定天线的频率响应。 对两个天线的信道频率响应进行测量的环境是在一个带铁内壁和干炉渣砖墙的开阔建筑物内。如果没有任何多径延迟扩展,将得到比较平坦的频率响应。实际测试结果显示,频率响应并不平坦,信道的频率选择性很明显。 接收分集模式 为了清楚起见,本文在讨论各种接收天线分集方案时主要针对两个接收天线的情况,但该结果可以直接推广到多个天线的情况。 a. 无分集(单天线模式) 只有一个接收天线,这是最简单的情况。具有实现简单,功耗最低的特点。 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3F2.GIF[/img] b. 交换式分集 在接收过程中的任意给定时刻只有一个接收天线,它建立在一些规定的选择标准之上。当检测到的链路质量降低到一个规定的阈值以下时,将进行天线连接切换。 c. 选择分集 选择具有较大信噪比(SNR)或信号强度的一个天线。信噪比或信号强度的测量可以在接收到的数据包的起始码期间内进行。因此,大部分时间只有一个天线连接,但在测量信噪比或信号强度期间,必须建立两个天线的连接。实际的选择/交换过程也可以在数据包接收之间进行,可以在逐个数据包的基础上进行,或者每隔若干个数据包后或指定的时间段执行一次。 d. 完全分集 在任何时候两个天线都处于连接状态。由于两条接收路径都必须加电,这种模式产生的功耗最大,但与其它配置相比,尤其是延迟扩展较大的严重衰落环境下,它提供的性能增益最大。采用这种多路径接收,还可增强数字前端的性能,如信号检测、帧同步与载波频偏估计/校正等。 链路质量评估 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3F3.GIF[/img] 在一般室内WLAN应用中,通常在发送器端根据数据包传输速率的测量值来对给定通信链路的数据率进行调整。当信道状况恶化,如当接收站点远离发送站点,或移动站点的天线方向变化时,链路数据率将向下调整,此时在原速率下进行可靠通信已不可行。 与常规系统相比,动态分集在较为不利的信道条件下允许较高的链路速率,同时避免收发器/调制解调器部件的总体功耗增大。与常规的基于发送器端链路质量评估的WLAN系统相反,动态分集需要进行接收机端链路质量测量。 图3中的状态转换图显示了允许在完全分集和无分集之间进行动态选择的一个具体策略。链路质量恶化时,接收机从单天线连接转换为完全分集模式,当得到链路质量显著改善的指示时,又重新恢复到单天线连接。转换到单天线配置时,通过两个天线接收路径上接收信号的比较很容易得到一个优选的天线连接。 分集模式和天线连接之间的转换由检测到的链路质量水平变化来进行指示。通常,根据应答数据包和重传的次数而估计得到丢包率,由此来评估发送端链路的质量。不过,动态分集所需的接收机端链路质量评估基于以下的一个或几个因素:信噪比、调制解调器质量检测和MAC层链路质量检测。 从测到的接收信号强度指示(RSSI)和无线电路的给定噪声特性可以估计出信噪比的大小。平均信噪比与延迟扩展或多径干扰测量相结合,可以提供精确的链路质量评估。在OFDM系统中,多径信道的相关带宽(延迟扩展的倒数)可以由下面的近似频率相关函数得出: [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3E3.GIF[/img] 式中,Hk代表第k个频带的信道频率响应,N为子载波总数。B50表示50%的相关带宽,其定义为这个频率相关函数在50%峰值处的宽度。因此,对延迟扩展的均方根经验估计为: [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3E4.GIF[/img] 采用其它技术可能从测得的信道频率响应中获取延迟扩展信息。根据给定网络中所存在的统计变化,某些技术可能比其它的技术更为有效。图4显示了采用延迟扩展估计方法的结果,该结果基于与相邻子载波对应的信道响应之差的观测值基础上,这些估计代表了100多个数据包的平均数值。从图中可以看出,在200ns以内的均方根延迟扩展可能得到高精度的估计。 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3F4.GIF[/img] 另一个可以促成较好链路质量测量的PHY级参数是检测质量测量(DQM),它可以在调制解调器内进行观测。例如,检测质量反映在维特比检测器输入上得到的软决策的平均幅度中。由于这样一个DQM与位误码率或数据包误码率之间的函数关系可以凭经验获得,根据DQM可以进行模式选择、天线选择或者同时对天线与模式二者的选择。无论采用哪种方法,MAC层功能必须保持校验MAC报头中的接收机地址字段,以保证数据包确实是发送给期望的接收站。 MAC层评估 评估链路质量的另外一类方法是MAC层参数。适用于WLAN的一种方法是检测MAC报头中的“Retry” 字段,并检查“Retry”数据包出现的频率。当这个频率达到特定的阈值时,可以改变天线连接或分集模式,以建立一个更好的链路。采用MAC层参数很方便,因为链路的质量可以独立于数据率或多径效应进行评估。 实现动态分集的一个特别有效的方法是同时采用MAC层参数和PHY层参数。例如,接收机可以依靠检查“Retry” 字段来检测链路质量的恶化,并指示向完全分集模式进行转换。另一方面,当RSSI水平提升到某个规定的数量(可以是一个与数据率相关的数值)时,可以触发从完全分集模式向较简单的天线设置的反向转换。 动态分集的具体实现方法千差万别,但可以概括成相关于单天线模式、完全分集和选择分集的三种相近的方案(参见图5)。此处采用的具体动态分集策略中,与每个数据包对应的RSSI在起始码时间段内进行测试,并作出关于是否在接收数据包的数据部分期间让两个接收路径都启动的决策。当两个数据包的RSSI都处在一个预先设定的阈值之下时,就应采用完全分集模式。否则,就选择RSSI更高的那条路径来实现单天线模式。 根据选择的阈值水平,动态分集的性能介于完全分集与选择分集的性能之间。图中还给出了动态分集在不同信噪比条件下接收模式的功耗。总接收模式功耗可以通过计算在完全分集时接收到的数据包数目进行估计,可忽略在起始码期间所消耗的功率。根据假设,在接收数据包期间,单天线模式和完全分集模式的功耗分别为1瓦和1.6瓦。 [img]http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003APR/B/0304B_DC_S3F5.GIF[/img] 由图可见,动态分集可以实现接近完全分集的性能,同时与单天线模式相比功耗增加很小。一般而言,通过调整阈值可以在功耗与性能之间进行灵活的折衷。 本文小结 虽然本文只讨论了与使用多接收天线有关的多径问题,但是,如果正确地使用多接收路径,也可以使OFDM PHY中的时间和频率同步达到相当精确的水平。信号的多重接收也使前端信号检测性能相应提高。因此,采用多接收天线的真正性能优势远不止是对分集增益进行传统分析所得到的预测。为了进一步提高带宽效率,可以采用多发送天线,这种系统即为所谓的多入多出(MIMO)系统。通过在发送器中进行正确的编码,在接收机中进行匹配信号处理,对于同一传输频带,该系统可以大大地提高数据传输速率。 作者:Jaekyun Moon Email: jmoon@bermai.com 首席科学家 Younggyun Kim 高级工程师 Email:ykim@bermai.com Bermai公司



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