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1 中華大學 93 學年度前瞻研究計畫 MIMO-OFDM 無線系統的整合研究與應用 Study on Technologies and Applications of MIMO-OFDM Wireless Systems 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

2 報告內容  整合計畫說明 – 研究動機 – 整合研究目標 – 解決方案  各子計畫成果  結論

3 研究動機  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 (Blocking rate) ，滿足不同服務類型的 QoS 要求。  MIMO-OFDM 架構的優越性 : – 多輸入多輸出 (MIMO) OFDM 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。  產業應用 : – 無線區域網路的應用到無線都會網路 (IEEE a, IEEE d,IEEE e) 的應用  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。

4 無線網路應用的整合研究目標：  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  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 – 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  提升網路的性能： – 降低封包的流失率 – 提高網路系統的 Throughput – 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 QoS 要求

5 本計畫所提的解決方案：  滿足連線的不同 QoS 要求 – 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  動態頻寬調整 – 建立適應動態頻寬資源管理機制  做頻寬最佳化分配  提高無線通道的使用效率 – 建立 MIMO-OFDM 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 – 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 – 降低斷線機率  多重天線與 RF 電路研究及設計製作 – 面積縮小、週邊外接元件減少的功能 – 降低 MIMO-OFDM 系統的製作成本

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

7 子計畫名稱及主持人  子計畫一 – 計畫名稱 : 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 – 主持人：通訊系鍾英漢教授  子計畫二 – 計畫名稱 : MIMO-OFDM 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  子計畫三 – 計畫名稱 : MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤技術更正碼之研究 – 主持人：通訊系陳棟洲教授  子計畫四 – 計畫名稱 : MIMO-OFDM 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

8 子計畫一介紹 - 第一年目標  設計 MIMO-OFDM 的系統實體 (PHY) 層  設計 MIMO-OFDM 的介質擷取控制 (MAC) 層  研究與 PHY 層有關的頻率同步技術 – 應用到 OFDMA MIMO 系統的前導符元與固定及移動的引導載波上 – 分別預估粗略及殘餘載波頻率偏移子計畫一 :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

9 子計畫一介紹 - 第二年目標  研究跨於 PHY 層及 MAC 層的資源分配策略 – 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  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適應性資源分配技術研究，以增加系統容量或效能  推導近似的數學分析 – 分析描述系統的主要參數  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  字元率、字元錯誤率子計畫一 :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

10 子計畫一介紹 - 第三年目標  研究 MAC 層的流量排程策略 – 針對中央控制的 OFDMA 系統，提出有效的用戶端流量排程策略 – 利用混合交換的概念來傳遞及時和非及時流量 – 依不同 QoS 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的流量  目標 : – 滿足各個不同型態使用者的服務品質 (QoS) 要求 – 達到最大的資源使用率子計畫一 :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

11 子計畫二介紹 - 第一年目標  MIMO-OFDM 系統中的通道判別  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 – 建立一個軔性應用等化器 – 考慮通道判別的誤差差異數，改善信號檢測的性能 – 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子計畫二 : MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究

12 子計畫二介紹 - 第二年目標  在 MC-CDMA 系統中的通道判別 – 基於 adaptive unscented filter (AUF) ，發展 decision-directed channel tracking 演算法 – 利用預估的平均值改善，預估現在的通道增益的精確值  設計強健 MMSE 等化器用於訊號檢測 – 在 AUF 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 MMSE 等化器的性能 – 最佳化訊號檢測子計畫二 : MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究

13 子計畫二介紹 - 第三年目標  最佳功率控制 : – 對於多使用者的 MIMO-OFDM 系統，規劃一個最佳功率控制問題 – 考慮下列因素  迴路延遲、共通道干擾 (CCI) 、與隨時間變動的通道增益  藉由 SVD 將 MIMO 通道解藕合  建立隨機的 MIMO ARMAX 模式以代表 CCI 與雜訊的特性 – 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  將 SINR 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子計畫二 : MIMO-OFDM 系統的通道估測與功率控制研究

14 子計畫三介紹 - 第一年目標  針對系統架構以及通道環境，研究適應性通訊系統等關鍵性技術 – 適應性調變技術 – 適應性交錯技術 – 適應性錯誤更正碼技術  傳輸模式之切換準則  針對 MIMO-OFDM 系統之相關技術進行研究 –MIMO 通道特性 –Space-Time Codes –Space-Frequency Codes –FFT/IFFT –OFDM 系統之 PAR 子計畫三 : MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究

15 子計畫三介紹 - 第二年目標  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 – 針對 MIMO-OFDM 系統，探討  適應性調變與通道編碼之相關技術  通道品質之估測  傳輸模式之切換子計畫三 : MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究

16 子計畫三介紹 - 第三年目標  對前兩年之研究成果，做實例探討與系統實現  實例探討 –IEEE a Fixed Broadband Wireless Access System 之 Wireless MAN-OFDM PHY layer  硬體之實現 – 配合其他子計畫 – 完成 IEEE a Wireless MAN-OFDM 系統之基頻傳收機的軟體模擬環境建立，以及 FPGA 硬體之實現子計畫三 : MIMO-OFDM 系統的適應性調變與錯誤更正碼技術之研究

17 子計畫四介紹 - 第一年目標  接收機的電路架構  系統規格  分項電路的設計製作 – 分項電路設計包括 :  寬頻全向性天線  寬頻通道及抗偽頻濾波器  寬頻可變增益低雜訊放大器  IQ 調變器與解調器等電路的設計子計畫四 : MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究

18 子計畫四介紹 - 第二年目標  各分項電路的設計與製作 – 分項電路設計包括  寬頻指向性天線  基頻可變增益放大器  基頻可變頻寬通道濾波器  寬頻四相位壓控振盪器  寬頻頻率合成器  參與各子計畫分系統功能測試子計畫四 : MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究

19 子計畫四介紹 - 第三年目標  發展寬頻高效率功率放大器  發展數位 / 類比及類比 / 數位轉換器  與子計畫二 / 三共同開發多重天線調整控制系統  整合前兩年設計的各項電路，建構一積體化的接收機子計畫四 : MIMO-OFDM 系統的多重型天線及射頻電路研究

20 計畫間之相關性與整合說明

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

22 結論  研究 – 每個子計畫 SCI 期刊論文 1 到 2 篇 – 每個子計畫研討會論文 1 到 2 篇 –2 到 3 個專利 – 無線通訊研究中心  教學 – 無線通訊學程  產學合作