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中華大學中華大學 9393 學年度前瞻研究計畫學年度前瞻研究計畫

MIMO-OFDMMIMO-OFDM 無線系統的整合研究與應用 無線系統的整合研究與應用 Study on Technologies and Study on Technologies and

Applications of MIMO-OFDM Wireless Applications of MIMO-OFDM Wireless SystemsSystems

電機系教授：李柏坤、黃啟光、辛錫進通訊系教授：鍾英漢、顏名慶、王志湖、陳棟洲、田慶誠

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報告內容報告內容 整合計畫說明整合計畫說明

–研究動機研究動機–整合研究目標整合研究目標–解決方案解決方案

各子計畫成果各子計畫成果 結論結論

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研究動機研究動機 無線網路需求的趨勢無線網路需求的趨勢 ::

– 有限的無線網路資源，大量增加的無線網路流量需求，與用戶移動性有限的無線網路資源，大量增加的無線網路流量需求，與用戶移動性的需求。的需求。

滿足用戶端的需求滿足用戶端的需求 ::– 提高無線網路用戶連線的信號品質，降低斷線機率提高無線網路用戶連線的信號品質，降低斷線機率 (Blocking rate)(Blocking rate) ，，

滿足不同服務類型的滿足不同服務類型的 QoSQoS 要求。要求。 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 架構的優越性架構的優越性 ::

– 多輸入多輸出多輸入多輸出 (MIMO) OFDM(MIMO) OFDM 的架構，在具有時變與頻率選擇衰竭的頻的架構，在具有時變與頻率選擇衰竭的頻道下能增強系統的容量。道下能增強系統的容量。

產業應用產業應用 : : – 無線區域網路的應用到無線都會網路無線區域網路的應用到無線都會網路 (IEEE 802.16a, IEEE (IEEE 802.16a, IEEE 802.16d,IEEE 802.16e)802.16d,IEEE 802.16e) 的應用的應用

整合研究目標整合研究目標 ::– 各領域的整合研究，以達到無線網路應用的整合目標。 各領域的整合研究，以達到無線網路應用的整合目標。

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無線網路應用的整合研究目標：無線網路應用的整合研究目標： 發揮系統資源應用：發揮系統資源應用：

– 無線網路系統的頻寬及傳送功率的資源最佳化無線網路系統的頻寬及傳送功率的資源最佳化 有限的資源，最佳的效用：有限的資源，最佳的效用：

– 保證不同類型連線的傳輸信號品質與服務品質保證不同類型連線的傳輸信號品質與服務品質– 功率控制、速率控制、與網路資源管理的整合研究功率控制、速率控制、與網路資源管理的整合研究– 系統資源的最佳效用與無線網路用戶的最佳滿意度 系統資源的最佳效用與無線網路用戶的最佳滿意度

提升網路的性能：提升網路的性能：– 降低封包的流失率降低封包的流失率– 提高網路系統的提高網路系統的 ThroughputThroughput– 用戶對於系統的頻寬及傳送功率資源分享的公平性用戶對於系統的頻寬及傳送功率資源分享的公平性– 保證不同服務類型的保證不同服務類型的 QoSQoS 要求要求

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本計畫所提的解決方案：本計畫所提的解決方案： 滿足連線的不同滿足連線的不同 QoSQoS 要求要求

– 建立流量管理或流量排程機制建立流量管理或流量排程機制– 提升網路系統的多工使用效率，提高通道使用率提升網路系統的多工使用效率，提高通道使用率

動態頻寬調整動態頻寬調整– 建立適應動態頻寬資源管理機制建立適應動態頻寬資源管理機制

做頻寬最佳化分配做頻寬最佳化分配 提高無線通道的使用效率提高無線通道的使用效率

– 建立建立 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 系統的適應調變，依照所估測的通道狀態訊息系統的適應調變，依照所估測的通道狀態訊息 網路功率資源應用的最佳化網路功率資源應用的最佳化

– 研究無線網路的用戶端功率控制及網路的功率資源分配研究無線網路的用戶端功率控制及網路的功率資源分配– 保證無線用戶傳輸信號的信號雜訊干擾比的品質保證無線用戶傳輸信號的信號雜訊干擾比的品質– 降低斷線機率降低斷線機率

多重天線與多重天線與 RFRF 電路研究及設計製作電路研究及設計製作– 面積縮小、週邊外接元件減少的功能面積縮小、週邊外接元件減少的功能– 降低降低 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 系統的製作成本系統的製作成本

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The Studied MIMO-OFDM System and the The Studied MIMO-OFDM System and the Structure of the Integrated ProjectStructure of the Integrated Project

AdaptiveFEC

Encoding

AdaptiveInterleaving

Adaptive Subcarrier

Bit Allocation

and Mapping

OFDM Modulation

MIMO Encoding

Tx

Tx

AdaptiveFEC

Decoding

AdaptiveDe-

interleaving

Adaptive Subcarrier

mode selection andDemapping

OFDMDemodulation

MIMO Decoding

Rx

Rx

MAC/System Control

MAC/System Control

Feedback Chennel

Chennel

OFDM Modulation

OFDMDemodulation

Equalization

Channel Estimation

Syn.

Syn.

子計畫一 子計畫二 子計畫三 子計畫四

77

子計畫名稱及主持人子計畫名稱及主持人 子計畫一 子計畫一

– 計畫名稱計畫名稱 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的頻率同步、適應資源分配及符合服系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討務的流量排程策略的探討

– 主持人：通訊系 鍾英漢教授主持人：通訊系 鍾英漢教授 子計畫二 子計畫二

– 計畫名稱計畫名稱 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究系統的通道估測與功率控制研究– 主持人：電機系李柏坤教授主持人：電機系李柏坤教授

子計畫三 子計畫三 – 計畫名稱計畫名稱 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤技術更正碼之研系統的適應性調變與錯誤技術更正碼之研

究究– 主持人：通訊系陳棟洲教授主持人：通訊系陳棟洲教授

子計畫四 子計畫四 – 計畫名稱計畫名稱 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究系統的多重型天線及射頻電路研究– 主持人：通訊系田慶誠教授主持人：通訊系田慶誠教授

88

子計畫一介紹子計畫一介紹 -- 第一年目標第一年目標設計設計 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 的系統實體的系統實體 (PHY)(PHY) 層層設計設計 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 的介質擷取控制的介質擷取控制 (MAC)(MAC)層層

研究與研究與 PHYPHY 層有關的頻率同步技術層有關的頻率同步技術–應用到應用到 OFDMA MIMOOFDMA MIMO 系統的前導符元與固定及系統的前導符元與固定及移動的引導載波上移動的引導載波上

–分別預估粗略及殘餘載波頻率偏移分別預估粗略及殘餘載波頻率偏移

子計畫一子計畫一 :MIMO-OFDM:MIMO-OFDM 系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討

99

子計畫一介紹子計畫一介紹 -- 第二年目標第二年目標 研究跨於研究跨於 PHYPHY 層及層及 MACMAC 層的資源分配策層的資源分配策

略略– 依使用者不同的要求依使用者不同的要求

每一個分配給使用者的子載波在頻率選擇每一個分配給使用者的子載波在頻率選擇 時變的無線環境中，所受到的衰竭情形可能不同時變的無線環境中，所受到的衰竭情形可能不同

– 子載波適當地分配的子載波適當地分配的適應性資源分配技術適應性資源分配技術研究，研究，以增加系統容量或效能以增加系統容量或效能

推導近似的數學分析推導近似的數學分析– 分析描述系統的主要參數分析描述系統的主要參數

衰竭通道模型、通道容量衰竭通道模型、通道容量 調變模式、傳輸功率、信號對干擾及雜訊比調變模式、傳輸功率、信號對干擾及雜訊比 字元率、字元錯誤率字元率、字元錯誤率

子計畫一子計畫一 :MIMO-OFDM:MIMO-OFDM 系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討

1010

子計畫一介紹子計畫一介紹 -- 第三年目標第三年目標 研究研究 MACMAC 層的流量排程策略層的流量排程策略

– 針對中央控制的針對中央控制的 OFDMAOFDMA 系統，提出有效的系統，提出有效的用戶端流量排用戶端流量排程策略程策略

– 利用混合交換的概念來傳遞及時和非及時流量利用混合交換的概念來傳遞及時和非及時流量– 依不同依不同 QoSQoS 要求給與不同優先次序要求給與不同優先次序– 採用多次傳遞原理來安排對時間不敏感的不同優先次序採用多次傳遞原理來安排對時間不敏感的不同優先次序的流量的流量

目標目標 ::– 滿足各個不同型態使用者的服務品質滿足各個不同型態使用者的服務品質 (QoS)(QoS) 要求要求– 達到最大的資源使用率達到最大的資源使用率

子計畫一子計畫一 :MIMO-OFDM:MIMO-OFDM 系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討系統的頻率同步、適應資源分配及符合服務的流量排程策略的探討

1111

子計畫二介紹子計畫二介紹 -- 第一年目標第一年目標 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 系統中的通道判別系統中的通道判別 發展等化器發展等化器

–考慮一個廣泛使用的傑克模型來描述實際通道考慮一個廣泛使用的傑克模型來描述實際通道–建立一個軔性應用等化器建立一個軔性應用等化器–考慮通道判別的誤差差異數，改善信號檢測的性考慮通道判別的誤差差異數，改善信號檢測的性能能

–提出一個平行架構以實現所建議的等化器，減少提出一個平行架構以實現所建議的等化器，減少通道與通道之間干擾中的時變衰減的影響通道與通道之間干擾中的時變衰減的影響

子計畫二子計畫二 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究系統的通道估測與功率控制研究

1212

子計畫二介紹子計畫二介紹 -- 第二年目標第二年目標在在 MC-CDMAMC-CDMA 系統中的通道判別系統中的通道判別

–基於基於 adaptive unscented filter (AUF)adaptive unscented filter (AUF) ，發展，發展decision-directed channel trackingdecision-directed channel tracking 演算法演算法

–利用預估的平均值改善，預估現在的通道增益的利用預估的平均值改善，預估現在的通道增益的精確值精確值

設計強健設計強健 MMSEMMSE 等化器用於訊號檢測等化器用於訊號檢測–在在 AUFAUF 通道判別的計算程序中，應用通道判別中通道判別的計算程序中，應用通道判別中的誤差差異數來增加的誤差差異數來增加 MMSEMMSE 等化器的性能等化器的性能

–最佳化訊號檢測最佳化訊號檢測

子計畫二子計畫二 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究系統的通道估測與功率控制研究

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子計畫二介紹子計畫二介紹 -- 第三年目標第三年目標 最佳功率控制最佳功率控制 ::

–對於多使用者的對於多使用者的 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 系統，規劃一個最佳功系統，規劃一個最佳功率控制問題率控制問題

–考慮下列因素考慮下列因素迴路延遲、共通道干擾迴路延遲、共通道干擾 (CCI)(CCI) 、與隨時間變動的通道增、與隨時間變動的通道增益益

藉由藉由 SVDSVD 將將 MIMOMIMO 通道解藕合通道解藕合建立隨機的建立隨機的 MIMO ARMAXMIMO ARMAX 模式以代表模式以代表 CCICCI 與雜訊的特性與雜訊的特性

–建立預測模式與廣域最小差異量控制建立預測模式與廣域最小差異量控制在有限的功率限制下在有限的功率限制下將將 SINRSINR 的追蹤誤差極小化的追蹤誤差極小化

–研究一個平行運算的次最佳功率控制法則研究一個平行運算的次最佳功率控制法則子計畫二子計畫二 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究系統的通道估測與功率控制研究

1414

子計畫三介紹子計畫三介紹 -- 第一年目標第一年目標 針對系統架構以及通道環境，研究適應性通訊系針對系統架構以及通道環境，研究適應性通訊系統等關鍵性技術統等關鍵性技術– 適應性調變技術適應性調變技術– 適應性交錯技術適應性交錯技術– 適應性錯誤更正碼技術適應性錯誤更正碼技術

傳輸模式之切換準則傳輸模式之切換準則 針對針對 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 系統之相關技術進行研究系統之相關技術進行研究

– MIMOMIMO 通道特性通道特性– Space-Time CodesSpace-Time Codes– Space-Frequency CodesSpace-Frequency Codes– FFT/IFFTFFT/IFFT– OFDMOFDM 系統之系統之 PARPAR

子計畫三子計畫三 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究

1515

子計畫三介紹子計畫三介紹 -- 第二年目標第二年目標 適應性調變與通道編碼技術從窄頻通道環適應性調變與通道編碼技術從窄頻通道環

境延伸至寬頻通道環境境延伸至寬頻通道環境– 針對針對 MIMO-OFDMMIMO-OFDM 系統，探討系統，探討

適應性調變與通道編碼之相關技術適應性調變與通道編碼之相關技術 通道品質之估測通道品質之估測 傳輸模式之切換傳輸模式之切換

子計畫三子計畫三 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究

1616

子計畫三介紹子計畫三介紹 -- 第三年目標第三年目標 對前兩年之研究成果，做實例探討與系統實現對前兩年之研究成果，做實例探討與系統實現 實例探討實例探討

– IEEE 802.16a Fixed Broadband Wireless Access SyIEEE 802.16a Fixed Broadband Wireless Access System stem 之 之 Wireless MAN-OFDM PHY layerWireless MAN-OFDM PHY layer

硬體之實現硬體之實現– 配合其他子計畫配合其他子計畫– 完成完成 IEEE 802.16a Wireless MAN-OFDMIEEE 802.16a Wireless MAN-OFDM 系統之基頻傳收機系統之基頻傳收機

的軟體模擬環境建立，以及的軟體模擬環境建立，以及 FPGAFPGA 硬體之實現硬體之實現

子計畫三子計畫三 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究

1717

子計畫四介紹子計畫四介紹 -- 第一年目標第一年目標接收機的電路架構接收機的電路架構系統規格系統規格分項電路的設計製作分項電路的設計製作–分項電路設計包括分項電路設計包括 ::

寬頻全向性天線寬頻全向性天線寬頻通道及抗偽頻濾波器寬頻通道及抗偽頻濾波器寬頻可變增益低雜訊放大器寬頻可變增益低雜訊放大器IQIQ 調變器與解調器等電路的設計 調變器與解調器等電路的設計

子計畫四子計畫四 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究系統的多重型天線及射頻電路研究

1818

子計畫四介紹子計畫四介紹 -- 第二年目標第二年目標 各分項電路的設計與製作各分項電路的設計與製作

–分項電路設計包括分項電路設計包括寬頻指向性天線寬頻指向性天線基頻可變增益放大器基頻可變增益放大器基頻可變頻寬通道濾波器基頻可變頻寬通道濾波器寬頻四相位壓控振盪器寬頻四相位壓控振盪器寬頻頻率合成器寬頻頻率合成器

參與各子計畫分系統功能測試參與各子計畫分系統功能測試

子計畫四子計畫四 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究系統的多重型天線及射頻電路研究

1919

子計畫四介紹子計畫四介紹 -- 第三年目標第三年目標發展寬頻高效率功率放大器發展寬頻高效率功率放大器發展數位發展數位 // 類比及類比類比及類比 // 數位轉換器數位轉換器與子計畫二與子計畫二 // 三共同開發多重天線調三共同開發多重天線調整控制系統整控制系統

整合前兩年設計的各項電路，建構一整合前兩年設計的各項電路，建構一積體化的接收機積體化的接收機

子計畫四子計畫四 : MIMO-OFDM: MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究系統的多重型天線及射頻電路研究

2020

計畫間之相關性與計畫間之相關性與整合說明整合說明

Adaptive Modulation and Coding

RF Circuit

Channel Estimation

子計畫一 子計畫二 子計畫三 子計畫四

Frequency Synchronization/Timming Recovery

Power ControlChannelModel

OFDM Symbol

SamplingClock

Corrected OFDM Symbol

Channel Model via Feedback Channel

Beamforing Power Vector

Resource Management

SINR

Channel Model via Feedback Channel

Traffic Scheduling

Target BER

Ststistics of Bit rate and BER

ServiceRequest

MAC

Baseband

RF

Rate

Receiver

2121

各子計畫間之相關性與整合說明 各子計畫間之相關性與整合說明 MACMAC 層的流量排程與資源分配層的流量排程與資源分配 實體層的基頻信號處理實體層的基頻信號處理實體層的混合信號及射頻電路設計實體層的混合信號及射頻電路設計

2222

結論結論 研究研究

–每個子計畫每個子計畫 SCISCI 期刊論文期刊論文 11 到到 22 篇篇–每個子計畫研討會論文每個子計畫研討會論文 11 到到 22 篇篇– 22 到到 33 個專利個專利–無線通訊研究中心無線通訊研究中心

教學教學–無線通訊學程無線通訊學程

產學合作產學合作