智能天线在WLAN接入点中的应用

陈朝阳，李小魁，宋雪洁

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

智能天线在WLAN接入点中的应用

陈朝阳，李小魁，宋雪洁

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191)

研究了一种应用智能天线的WLAN接入点，使用固定赋形多波束进行信标广播和探测请求全向接收及自适应赋形波束进行用户数据点对点传输的方法，实验证明该方法可有效降低WLAN接入点和终端站点的发射功率，也降低了和周围蓝牙设备相互干扰的概率.

固定多波束赋形；自适应波束赋形；智能天线；无线局域网

WLAN系统和蓝牙系统都工作在免许可的ISM频段.WLAN网络已经得到了广泛的应用，现在几乎所有的笔记本电脑和大部分移动终端都内置了WLAN芯片，支持WLAN功能.蓝牙系统的用户数也在日益增多,特别是WLAN和蓝牙双模设备，如便携电脑和移动终端越来越多地同时支持WLAN传输和蓝牙设备.但也因此，WLAN和蓝牙设备之间的干扰问题越来越突出.

彭菊红等[1]研究分析了消除蓝牙和WLAN系统共存时相互干扰的算法，支荣昕等[2]研究分析了蓝牙自适应跳频及其改进的认知跳频抗干扰方法，熊海兰等[3]研究分析了WLAN和蓝牙的协作机制信道避免及重传.上述方法均是让蓝牙规避WLAN使用的频点，尽量减少两者在时域和频域的重叠，造成蓝牙的可用频点数减少，严重影响了蓝牙的传输.特别是重传机制，加重了蓝牙的时隙浪费和时延增加.

朱刚[4]和谈振辉[5]研究了克服两种系统间干扰的方式，合作方式和非合作方式，提出可以考虑降低无线系统发射功率来削弱相互间的干扰、提高系统的吞吐量，但没有提出具体的方案.

陈慧慧[6]针对蓝牙和WLAN之间的干扰进行了测试，证实了干扰确实存在，在蓝牙适配器与无线路由器之间特别明显，现有的自适应跳频技术(AFH)、跳频扩频技术(FHSS)、时分复用技术(TDM)等都不能完美解决它们之间的干扰.

由于WLAN系统的传输距离相对较远，发射功率较大，所以WLAN对蓝牙的干扰往往严重影响蓝牙的音频传输.降低WLAN的发射功率，也就降低了WLAN对周围蓝牙设备的干扰.在WLAN的接入点中采用智能天线技术，可以在保证本系统通信质量的前提下，降低WLAN的接入点和终端站的发射功率，从而有效降低对周围蓝牙设备的干扰.

智能天线技术是提高用户信噪比、规避干扰，同时又尽量不干扰其他同频段设备的技术，波束形成是智能天线实现的关键.该技术最早应用于军用设备，近年来，逐渐进入移动通信领域并得到了广泛应用，而且在我国第三代移动通信系统——TD-SCDMA系统中取得了良好的使用效果.

波束形成运用信号处理技术将形成的波束用于接收或发射特定方向的信号，同时衰减其他方向的信号，目标是根据系统性能指标形成对基带用户信号的最佳组合或者分配[7].

现在，越来越多的无线终端和智能终端采用ARM芯片，大多数ARM芯片均内置FPGA和DSP处理功能，非常适合在既需要进行算法处理又需要控制功能的终端系统中使用.本研究提出了利用现有无线终端和智能终端设备中已应用的ARM芯片实现WLAN 接入点智能天线固定多波束赋形和自适应波束赋形的具体实现方案.

1 技术方案

以S3C6410X ARM微处理器作为本方案的主处理器，它是一款由Samsung公司为手持设备设计的功耗低、集成度高的基于ARM1176JZF-S核的微处理器.S3C6410X微处理器包括优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求.接口分为两路，DRAM端口和Flash/ROM/DRAM端口.DRAM端口可以通过配置来支持Mobile DDR，DDR，Mobile SDRAM，SDRAM；Flash/ROM/DRAM端口支持NOR-Flash，NAND-Flash，OneNAN，CF，ROM等类型的外部存储器及任意的Mobile DDR，DDR，Mobile SDRAM，SDRAM存储器.为了降低整个系统的成本并提升总体功能，S3C6410X微处理器包括很多硬件功能外设，有系统管理单元(电源时钟等)、4通道的UART、32通道的DMA、4通道定时器、通用I/O口、内部的PLL时钟发生器等，该芯片广泛应用于移动通信和无线通信设备中.

系统的硬件处理模块主要包括智能天线、收发信机、ARM处理子系统等，如图1所示.

图1 系统硬件结构Fig.1 The system hardware structure

系统完成无线射频信号的发射和接收、从射频信号到基带信号的频率变换和智能天线、基带的数据处理，并完成IEEE 802.11b协议处理和网络应用处理.收发信机包括收发选择矩阵、智能天线控制器和发射机、接收机.本方案中，发射机包括4个发射机通道,接收机包括4个接收机通道.智能天线自适应控制由ARM处理器根据广播和单用户链接工作阶段的不同进行控制.在广播阶段，接入点选择固定多波束模式，对覆盖区内的所有终端站点进行广播；在空闲阶段，接入点使用固定多波束模式，可以及时完成覆盖区内终端站点的探测，定位终端站点的初始方位；在单用户链接阶段，使用自适应波束赋形，一方面可将波束主瓣的最大增益方向对准用户终端站点,另一方面可通过固定旁瓣对消技术规避干扰，从而避免对周围WLAN站点或者蓝牙设备的干扰.

WLAN接收机采用两级中频变频，一级中频频率为246.1MHz，二级中频频率为21.387 5MHz.WLAN发射链路采用一级中频变频方案，中频频率为336MHz.

接收时，从天线下来的4路接收信号经过收发选择矩阵，进入对应的4路接收机进行低噪声放大和二级下变频，经A/D变换，进行数字下变频处理，将数据速率进一步变换到基带速率，然后进入ARM处理子系统.在单用户链接阶段，由用户波束自适应赋形控制器进行到达角估计，然后数字加权移相器进行各天线数据移相加权处理；在空闲阶段，由固定多波束赋形控制器产生各天线通道权值，再由数字加权移相器对各天线数据进行加权移相，接着由通道数据分配单元把多通道数据合并成一路调制信号,依次进行接收数据的基带处理、MAC层及网络高层的协议处理.

发送时，业务数据首先在ARM处理子系统中经过高层处理，再进入MAC层和物理层基带处理，调制后的基带数据被传送到通道数据分配单元.通道数据分配单元把数据分配到4个发射通道，然后由数字加权移相器进行波束形成处理，各天线权值在广播阶段由固定波束赋形控制器产生,在用户链接阶段由用户波束自适应赋形控制器产生,然后进入数字中频进行插值处理以提高数据速率，经D/A变换进入发射机，发射机把发射信号从中频变频到射频并进行功率放大，最后通过智能天线阵列的4根阵元天线发射出去.其中，智能天线控制逻辑由ARM处理器完成，智能天线控制的功能模块包括数字加权移相器、通道数据分配器、用户波束自适应赋形控制器和固定多波束赋形控制器等.

通道数据分配器负责把从基带数据处理器输出的用户数据分配到4个发射通道上，由数字加权移相器进行加权移相处理,再把从数字加权移相器得来的4个接收通道的数据进行合并，形成一路用户数据送给基带数据处理器进行后续处理.

固定多波束赋形控制器负责广播阶段和空闲阶段产生固定均匀多波束，产生各天线加权移相系数，将这些系数提供给数字加权移相器使用.其中，广播阶段的天线加权移相系数用于天线发射信息,空闲阶段的天线加权系数用于天线接收信息.

图2 ARM处理器完成的协议处理功能Fig.2 The protocol functions runon ARM processor

用户波束自适应赋形控制器在接入点单用户链接接收时，首先要进行用户到达角估计，根据到达角估计的结果形成各天线加权系数.在接入点单用户链接发射时，根据用户和干扰源的方位角，使用固定旁瓣对消技术形成指向用户终端站点的窄波束，把窄波束的天线加权移相系数提供给数字加权移相器使用.

数字加权移相器根据接入点工作的不同阶段(广播发射阶段、空闲接收阶段、单用户链接发射阶段、单用户链接接收阶段)，从固定多波束赋形控制器或者用户波束自适应赋形控制器获取天线加权移相系数，对各通道的发射或接收数据进行加权移相.在发射阶段，从通道数据分配器取得各通道数据，加权移相后送入发射机通道；在接收阶段，从各接收机通道取得接收数据，加权移相后送入通道数据分配器进行合并.

除此之外，ARM处理器还负责用户信息的基带处理和协议栈处理等.ARM处理器完成的WLAN协议处理功能如图2所示.

ARM处理器完成网络层处理、LLC层处理、MAC层处理和物理层处理.物理层处理包括PLCP帧处理和基带处理，基带处理又包括扩频和解扩处理、复用/解复用处理、CCK处理、调制/解调处理等.ARM处理器还要完成固定多波束赋形进程和用户波束自适应赋形进程的转换控制.用户波束自适应赋形进程是当网络层发现用户请求时通知用户波束自适应赋形进程开始，当网络层发现用户请求结束时通知用户波束自适应赋形进程结束.用户波束自适应赋形进程从网络控制获得用户和干扰源的方位信息，以此进行用户波束自适应赋形.系统的其他时间都工作于固定多波束赋形进程，网络控制模块控制用户的波束自适应赋形控制器和固定多波束赋形控制器的交替工作.基带处理的上行数据来自收发信机，基带处理的下行结果数据发送到收发信机.

图3 系统工作流程Fig.3 Flow chart of the system working

2 软件设计

在嵌入式系统开发中，C语言具有寻址方便、编程效率高、程序可读性好、方便软件功能的扩展的优点，又由于选用ARM系列处理器，故采用C语言编程是一个可行的选择.

自适应多波束形成软件包括固定多波束赋形状态和自适应波束赋形状态.系统工作流程如图3所示.

其中，设备开机上电以后就工作在固定多波束赋形状态，接入点在这个状态使用均匀多波束覆盖.系统使用这个状态发射信标帧或者接收用户终端站点的探测请求，其中信标每100ms发射一次，用户终端站点利用信标帧和接入点同步.如果接入点接收到用户终端站点的探测请求，就可以判断用户终端站点处于哪个波束，也就是可以判断出用户站点的方位.接收到用户请求之后，系统切换到自适应波束赋形状态，根据用户和干扰源的方位信息进行波束赋形及自适应波束赋形.当用户请求结束之后，系统再回到固定多波束赋形状态.

固定多波束赋形状态的主要任务是确定用户的方位，本研究使用均匀直线阵的智能天线，所以选择适用于均匀直线阵的最小范数到达角估计方法确定用户的方位.最小范数算法通过求解优化问题来使权值向量最优：

(1)

式中：w表示天线阵权值；ES=[eM-D+1eM-D+2…eM]表示D个信号特征向量的子空间；M表示天线阵元个数，本研究中M=4；D表示到达信号个数，本研究中D=1；u1=[1 0 0 … 0]T表示笛卡尔积向量.

解优化问题得最小范数的伪谱：

(2)

式中：EN=[e1e2…eM-D]表示M-D个噪声特征向量的子空间；a(θ)是天线阵导向向量.可以将伪谱归一化得

(3)

自适应波束赋形状态的主要任务是利用赋形波束跟踪用户移动，本研究选择使用针对动态信号环境的动态最小二乘恒模算法，其天线阵权值更新算法为

(4)

动态最小二乘恒模算法是对静态最小二乘恒模算法的改进，每次迭代都对数据块进行更新，只需几次迭代，天线权值就能可靠收敛.

3 结语

本研究设计的智能天线窄波束WLAN的接入点系统有效减少了WLAN接入点和蓝牙设备间的相互干扰，只有当蓝牙设备恰好位于窄波束的覆盖范围时，WLAN的接入点才会受到蓝牙设备的干扰.利用实验系统对便携电脑上的蓝牙系统进行了近距离干扰测试，测试位于40m2的实验室内，测试200次，测试结果证明智能天线窄波束WLAN接入点对蓝牙设备的干扰次数只有15次，其干扰概率是全向覆盖的10%左右，这种方案在接入点内的用户数较少时尤其适用.

在接入点中采用指向性好的窄波束，使WLAN接入点的天线增益提高了10lgN倍,其中N是天线的根数，本方案中的N=4，故可以提高天线增益6dB，在保证终端站点接收信号质量的前提下降低了接入点的发射功率，实验证明了可以将接入点的发射功率降低5dB左右，在保证接入点接收信号质量的前提下降低终端站点的发射功率，从而减少对处于干扰范围的蓝牙设备的干扰.

[1] 彭菊红，胡丽莉.消除蓝牙与WLAN系统共存干扰技术的研究与分析[J].计算机工程与应用，2005(22):150-152.

[2] 支荣昕，张陆勇，周正.蓝牙散射网抗干扰的研究[EB/OL].北京：中国科技论文在线，[2008-01-30].http:∥www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200801-887.

[3] 熊海兰，王平.一种适用于蓝牙与无线局域网系统共存的机制[J].计算机工程，2005,31(21)：110-114.

[4] 朱刚，谈振辉.蓝牙与802.11b的干扰与共存问题[J].北方交通大学学报：自然科学版，2004,28(2)：1-7.

[5] 谈振辉.短距离低功率无线通信接入系统[J].北京交通大学学报：自然科学版，2010,34(2)：1-10.

[6] 陈慧慧.2.4GHz无线设备抗相互干扰性研究[J].中南林业科技大学学报：自然科学版，2010(1)：34-37.

[7]FRANKG.智能天线：MATLAB版[M].北京：电子工业出版社，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

河南工程学院博士基金资助项目(D2014013)

陈朝阳(1968-)，男，河南孟州人，讲师，博士，主要研究方向为无线通信技术.

TN929.5

A

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