智能天線在WLAN接入點中的應用

陳朝陽，李小魁，宋雪潔

(河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451191)

智能天線在WLAN接入點中的應用

陳朝陽，李小魁，宋雪潔

(河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451191)

研究了一種應用智能天線的WLAN接入點，使用固定賦形多波束進行信標廣播和探測請求全向接收及自適應賦形波束進行用戶數(shù)據(jù)點對點傳輸?shù)姆椒?，實驗證明該方法可有效降低WLAN接入點和終端站點的發(fā)射功率，也降低了和周圍藍牙設備相互干擾的概率.

固定多波束賦形；自適應波束賦形；智能天線；無線局域網(wǎng)

WLAN系統(tǒng)和藍牙系統(tǒng)都工作在免許可的ISM頻段.WLAN網(wǎng)絡已經(jīng)得到了廣泛的應用，現(xiàn)在幾乎所有的筆記本電腦和大部分移動終端都內(nèi)置了WLAN芯片，支持WLAN功能.藍牙系統(tǒng)的用戶數(shù)也在日益增多,特別是WLAN和藍牙雙模設備，如便攜電腦和移動終端越來越多地同時支持WLAN傳輸和藍牙設備.但也因此，WLAN和藍牙設備之間的干擾問題越來越突出.

彭菊紅等[1]研究分析了消除藍牙和WLAN系統(tǒng)共存時相互干擾的算法，支榮昕等[2]研究分析了藍牙自適應跳頻及其改進的認知跳頻抗干擾方法，熊海蘭等[3]研究分析了WLAN和藍牙的協(xié)作機制信道避免及重傳.上述方法均是讓藍牙規(guī)避WLAN使用的頻點，盡量減少兩者在時域和頻域的重疊，造成藍牙的可用頻點數(shù)減少，嚴重影響了藍牙的傳輸.特別是重傳機制，加重了藍牙的時隙浪費和時延增加.

朱剛[4]和談振輝[5]研究了克服兩種系統(tǒng)間干擾的方式，合作方式和非合作方式，提出可以考慮降低無線系統(tǒng)發(fā)射功率來削弱相互間的干擾、提高系統(tǒng)的吞吐量，但沒有提出具體的方案.

陳慧慧[6]針對藍牙和WLAN之間的干擾進行了測試，證實了干擾確實存在，在藍牙適配器與無線路由器之間特別明顯，現(xiàn)有的自適應跳頻技術(AFH)、跳頻擴頻技術(FHSS)、時分復用技術(TDM)等都不能完美解決它們之間的干擾.

由于WLAN系統(tǒng)的傳輸距離相對較遠，發(fā)射功率較大，所以WLAN對藍牙的干擾往往嚴重影響藍牙的音頻傳輸.降低WLAN的發(fā)射功率，也就降低了WLAN對周圍藍牙設備的干擾.在WLAN的接入點中采用智能天線技術，可以在保證本系統(tǒng)通信質(zhì)量的前提下，降低WLAN的接入點和終端站的發(fā)射功率，從而有效降低對周圍藍牙設備的干擾.

智能天線技術是提高用戶信噪比、規(guī)避干擾，同時又盡量不干擾其他同頻段設備的技術，波束形成是智能天線實現(xiàn)的關鍵.該技術最早應用于軍用設備，近年來，逐漸進入移動通信領域并得到了廣泛應用，而且在我國第三代移動通信系統(tǒng)——TD-SCDMA系統(tǒng)中取得了良好的使用效果.

波束形成運用信號處理技術將形成的波束用于接收或發(fā)射特定方向的信號，同時衰減其他方向的信號，目標是根據(jù)系統(tǒng)性能指標形成對基帶用戶信號的最佳組合或者分配[7].

現(xiàn)在，越來越多的無線終端和智能終端采用ARM芯片，大多數(shù)ARM芯片均內(nèi)置FPGA和DSP處理功能，非常適合在既需要進行算法處理又需要控制功能的終端系統(tǒng)中使用.本研究提出了利用現(xiàn)有無線終端和智能終端設備中已應用的ARM芯片實現(xiàn)WLAN 接入點智能天線固定多波束賦形和自適應波束賦形的具體實現(xiàn)方案.

1 技術方案

以S3C6410X ARM微處理器作為本方案的主處理器，它是一款由Samsung公司為手持設備設計的功耗低、集成度高的基于ARM1176JZF-S核的微處理器.S3C6410X微處理器包括優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數(shù)據(jù)帶寬要求.接口分為兩路，DRAM端口和Flash/ROM/DRAM端口.DRAM端口可以通過配置來支持Mobile DDR，DDR，Mobile SDRAM，SDRAM；Flash/ROM/DRAM端口支持NOR-Flash，NAND-Flash，OneNAN，CF，ROM等類型的外部存儲器及任意的Mobile DDR，DDR，Mobile SDRAM，SDRAM存儲器.為了降低整個系統(tǒng)的成本并提升總體功能，S3C6410X微處理器包括很多硬件功能外設，有系統(tǒng)管理單元(電源時鐘等)、4通道的UART、32通道的DMA、4通道定時器、通用I/O口、內(nèi)部的PLL時鐘發(fā)生器等，該芯片廣泛應用于移動通信和無線通信設備中.

系統(tǒng)的硬件處理模塊主要包括智能天線、收發(fā)信機、ARM處理子系統(tǒng)等，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 The system hardware structure

系統(tǒng)完成無線射頻信號的發(fā)射和接收、從射頻信號到基帶信號的頻率變換和智能天線、基帶的數(shù)據(jù)處理，并完成IEEE 802.11b協(xié)議處理和網(wǎng)絡應用處理.收發(fā)信機包括收發(fā)選擇矩陣、智能天線控制器和發(fā)射機、接收機.本方案中，發(fā)射機包括4個發(fā)射機通道,接收機包括4個接收機通道.智能天線自適應控制由ARM處理器根據(jù)廣播和單用戶鏈接工作階段的不同進行控制.在廣播階段，接入點選擇固定多波束模式，對覆蓋區(qū)內(nèi)的所有終端站點進行廣播；在空閑階段，接入點使用固定多波束模式，可以及時完成覆蓋區(qū)內(nèi)終端站點的探測，定位終端站點的初始方位；在單用戶鏈接階段，使用自適應波束賦形，一方面可將波束主瓣的最大增益方向?qū)视脩艚K端站點,另一方面可通過固定旁瓣對消技術規(guī)避干擾，從而避免對周圍WLAN站點或者藍牙設備的干擾.

WLAN接收機采用兩級中頻變頻，一級中頻頻率為246.1MHz，二級中頻頻率為21.387 5MHz.WLAN發(fā)射鏈路采用一級中頻變頻方案，中頻頻率為336MHz.

接收時，從天線下來的4路接收信號經(jīng)過收發(fā)選擇矩陣，進入對應的4路接收機進行低噪聲放大和二級下變頻，經(jīng)A/D變換，進行數(shù)字下變頻處理，將數(shù)據(jù)速率進一步變換到基帶速率，然后進入ARM處理子系統(tǒng).在單用戶鏈接階段，由用戶波束自適應賦形控制器進行到達角估計，然后數(shù)字加權(quán)移相器進行各天線數(shù)據(jù)移相加權(quán)處理；在空閑階段，由固定多波束賦形控制器產(chǎn)生各天線通道權(quán)值，再由數(shù)字加權(quán)移相器對各天線數(shù)據(jù)進行加權(quán)移相，接著由通道數(shù)據(jù)分配單元把多通道數(shù)據(jù)合并成一路調(diào)制信號,依次進行接收數(shù)據(jù)的基帶處理、MAC層及網(wǎng)絡高層的協(xié)議處理.

發(fā)送時，業(yè)務數(shù)據(jù)首先在ARM處理子系統(tǒng)中經(jīng)過高層處理，再進入MAC層和物理層基帶處理，調(diào)制后的基帶數(shù)據(jù)被傳送到通道數(shù)據(jù)分配單元.通道數(shù)據(jù)分配單元把數(shù)據(jù)分配到4個發(fā)射通道，然后由數(shù)字加權(quán)移相器進行波束形成處理，各天線權(quán)值在廣播階段由固定波束賦形控制器產(chǎn)生,在用戶鏈接階段由用戶波束自適應賦形控制器產(chǎn)生,然后進入數(shù)字中頻進行插值處理以提高數(shù)據(jù)速率，經(jīng)D/A變換進入發(fā)射機，發(fā)射機把發(fā)射信號從中頻變頻到射頻并進行功率放大，最后通過智能天線陣列的4根陣元天線發(fā)射出去.其中，智能天線控制邏輯由ARM處理器完成，智能天線控制的功能模塊包括數(shù)字加權(quán)移相器、通道數(shù)據(jù)分配器、用戶波束自適應賦形控制器和固定多波束賦形控制器等.

通道數(shù)據(jù)分配器負責把從基帶數(shù)據(jù)處理器輸出的用戶數(shù)據(jù)分配到4個發(fā)射通道上，由數(shù)字加權(quán)移相器進行加權(quán)移相處理,再把從數(shù)字加權(quán)移相器得來的4個接收通道的數(shù)據(jù)進行合并，形成一路用戶數(shù)據(jù)送給基帶數(shù)據(jù)處理器進行后續(xù)處理.

固定多波束賦形控制器負責廣播階段和空閑階段產(chǎn)生固定均勻多波束，產(chǎn)生各天線加權(quán)移相系數(shù)，將這些系數(shù)提供給數(shù)字加權(quán)移相器使用.其中，廣播階段的天線加權(quán)移相系數(shù)用于天線發(fā)射信息,空閑階段的天線加權(quán)系數(shù)用于天線接收信息.

圖2 ARM處理器完成的協(xié)議處理功能Fig.2 The protocol functions runon ARM processor

用戶波束自適應賦形控制器在接入點單用戶鏈接接收時，首先要進行用戶到達角估計，根據(jù)到達角估計的結(jié)果形成各天線加權(quán)系數(shù).在接入點單用戶鏈接發(fā)射時，根據(jù)用戶和干擾源的方位角，使用固定旁瓣對消技術形成指向用戶終端站點的窄波束，把窄波束的天線加權(quán)移相系數(shù)提供給數(shù)字加權(quán)移相器使用.

數(shù)字加權(quán)移相器根據(jù)接入點工作的不同階段(廣播發(fā)射階段、空閑接收階段、單用戶鏈接發(fā)射階段、單用戶鏈接接收階段)，從固定多波束賦形控制器或者用戶波束自適應賦形控制器獲取天線加權(quán)移相系數(shù)，對各通道的發(fā)射或接收數(shù)據(jù)進行加權(quán)移相.在發(fā)射階段，從通道數(shù)據(jù)分配器取得各通道數(shù)據(jù)，加權(quán)移相后送入發(fā)射機通道；在接收階段，從各接收機通道取得接收數(shù)據(jù)，加權(quán)移相后送入通道數(shù)據(jù)分配器進行合并.

除此之外，ARM處理器還負責用戶信息的基帶處理和協(xié)議棧處理等.ARM處理器完成的WLAN協(xié)議處理功能如圖2所示.

ARM處理器完成網(wǎng)絡層處理、LLC層處理、MAC層處理和物理層處理.物理層處理包括PLCP幀處理和基帶處理，基帶處理又包括擴頻和解擴處理、復用/解復用處理、CCK處理、調(diào)制/解調(diào)處理等.ARM處理器還要完成固定多波束賦形進程和用戶波束自適應賦形進程的轉(zhuǎn)換控制.用戶波束自適應賦形進程是當網(wǎng)絡層發(fā)現(xiàn)用戶請求時通知用戶波束自適應賦形進程開始，當網(wǎng)絡層發(fā)現(xiàn)用戶請求結(jié)束時通知用戶波束自適應賦形進程結(jié)束.用戶波束自適應賦形進程從網(wǎng)絡控制獲得用戶和干擾源的方位信息，以此進行用戶波束自適應賦形.系統(tǒng)的其他時間都工作于固定多波束賦形進程，網(wǎng)絡控制模塊控制用戶的波束自適應賦形控制器和固定多波束賦形控制器的交替工作.基帶處理的上行數(shù)據(jù)來自收發(fā)信機，基帶處理的下行結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到收發(fā)信機.

圖3 系統(tǒng)工作流程Fig.3 Flow chart of the system working

2 軟件設計

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，C語言具有尋址方便、編程效率高、程序可讀性好、方便軟件功能的擴展的優(yōu)點，又由于選用ARM系列處理器，故采用C語言編程是一個可行的選擇.

自適應多波束形成軟件包括固定多波束賦形狀態(tài)和自適應波束賦形狀態(tài).系統(tǒng)工作流程如圖3所示.

其中，設備開機上電以后就工作在固定多波束賦形狀態(tài)，接入點在這個狀態(tài)使用均勻多波束覆蓋.系統(tǒng)使用這個狀態(tài)發(fā)射信標幀或者接收用戶終端站點的探測請求，其中信標每100ms發(fā)射一次，用戶終端站點利用信標幀和接入點同步.如果接入點接收到用戶終端站點的探測請求，就可以判斷用戶終端站點處于哪個波束，也就是可以判斷出用戶站點的方位.接收到用戶請求之后，系統(tǒng)切換到自適應波束賦形狀態(tài)，根據(jù)用戶和干擾源的方位信息進行波束賦形及自適應波束賦形.當用戶請求結(jié)束之后，系統(tǒng)再回到固定多波束賦形狀態(tài).

固定多波束賦形狀態(tài)的主要任務是確定用戶的方位，本研究使用均勻直線陣的智能天線，所以選擇適用于均勻直線陣的最小范數(shù)到達角估計方法確定用戶的方位.最小范數(shù)算法通過求解優(yōu)化問題來使權(quán)值向量最優(yōu)：

(1)

式中：w表示天線陣權(quán)值；ES=[eM-D+1eM-D+2…eM]表示D個信號特征向量的子空間；M表示天線陣元個數(shù)，本研究中M=4；D表示到達信號個數(shù)，本研究中D=1；u1=[1 0 0 … 0]T表示笛卡爾積向量.

解優(yōu)化問題得最小范數(shù)的偽譜：

(2)

式中：EN=[e1e2…eM-D]表示M-D個噪聲特征向量的子空間；a(θ)是天線陣導向向量.可以將偽譜歸一化得

(3)

自適應波束賦形狀態(tài)的主要任務是利用賦形波束跟蹤用戶移動，本研究選擇使用針對動態(tài)信號環(huán)境的動態(tài)最小二乘恒模算法，其天線陣權(quán)值更新算法為

(4)

動態(tài)最小二乘恒模算法是對靜態(tài)最小二乘恒模算法的改進，每次迭代都對數(shù)據(jù)塊進行更新，只需幾次迭代，天線權(quán)值就能可靠收斂.

3 結(jié)語

本研究設計的智能天線窄波束WLAN的接入點系統(tǒng)有效減少了WLAN接入點和藍牙設備間的相互干擾，只有當藍牙設備恰好位于窄波束的覆蓋范圍時，WLAN的接入點才會受到藍牙設備的干擾.利用實驗系統(tǒng)對便攜電腦上的藍牙系統(tǒng)進行了近距離干擾測試，測試位于40m2的實驗室內(nèi)，測試200次，測試結(jié)果證明智能天線窄波束WLAN接入點對藍牙設備的干擾次數(shù)只有15次，其干擾概率是全向覆蓋的10%左右，這種方案在接入點內(nèi)的用戶數(shù)較少時尤其適用.

在接入點中采用指向性好的窄波束，使WLAN接入點的天線增益提高了10lgN倍,其中N是天線的根數(shù)，本方案中的N=4，故可以提高天線增益6dB，在保證終端站點接收信號質(zhì)量的前提下降低了接入點的發(fā)射功率，實驗證明了可以將接入點的發(fā)射功率降低5dB左右，在保證接入點接收信號質(zhì)量的前提下降低終端站點的發(fā)射功率，從而減少對處于干擾范圍的藍牙設備的干擾.

[1] 彭菊紅，胡麗莉.消除藍牙與WLAN系統(tǒng)共存干擾技術的研究與分析[J].計算機工程與應用，2005(22):150-152.

[2] 支榮昕，張陸勇，周正.藍牙散射網(wǎng)抗干擾的研究[EB/OL].北京：中國科技論文在線，[2008-01-30].http:∥www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200801-887.

[3] 熊海蘭，王平.一種適用于藍牙與無線局域網(wǎng)系統(tǒng)共存的機制[J].計算機工程，2005,31(21)：110-114.

[4] 朱剛，談振輝.藍牙與802.11b的干擾與共存問題[J].北方交通大學學報：自然科學版，2004,28(2)：1-7.

[5] 談振輝.短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)[J].北京交通大學學報：自然科學版，2010,34(2)：1-10.

[6] 陳慧慧.2.4GHz無線設備抗相互干擾性研究[J].中南林業(yè)科技大學學報：自然科學版，2010(1)：34-37.

[7]FRANKG.智能天線：MATLAB版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

Application of smart antenna in WLAN AP

CHEN Chaoyang, LI Xiaokui, SONG Xuejie

(CollegeofElectricalInformationEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

The WLAN access point using multi-beamforming smart antenna is researched. The method of omnidirectional broadcasting beacon and receiving probe request, and adaptive beamforming for point-to-point transmitting and receiving data is proved to decrease the WLAN access point transmitting power, and the interference probability to the bluetooth station nearby.

multi-beamforming; adaptive beamforming; smart antenna; WLAN

2016-01-12

河南工程學院博士基金資助項目(D2014013)

陳朝陽(1968-)，男，河南孟州人，講師，博士，主要研究方向為無線通信技術.

TN929.5

A

1674-330X(2016)02-0047-05