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分散式無線多輸出入多媒體通訊系統---子計畫四：分散式無線多輸出入通訊系統之先進上行傳輸技術
(2008)
馮智豪
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Fung Carrson C.
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
不論在通道容量(channel capacity)或是鏈路可靠性(link reliability)上，多天線系統皆提供具有前瞻性的增益表現，並且絲毫沒有犧牲頻譜效率。當互相獨立的平行通道在傳輸端與接收端之間形成，空間分集多樣性(spatial diversity)被充分利用，多輸入輸出(MIMO)系統的理論通道容量增益已被證明會隨著傳輸與接收天線的數量呈線性成長。更甚者，在一個多用戶(multiuser)環境，如果充分利用多用戶分集多樣性(multiuser diversity)，將能達成更高的頻譜效率(spectrum efficiency)。正交分頻多重進接(OFDMA)這類的技術常常搭配MIMO系統來「平坦化」或「對角線化」(flatten or diagonalize)頻率選擇性(frequency-selective)通道，因為在通道中每個使用者被分配到不同的頻帶。如此一來，透過這類技術，等化通道過程可以被簡化。然而，此類型技術需要傳輸端注入循環週期字首(cyclic prefix)當作防衛區間(guard interval)，浪費了寶貴的頻寬。在眾多的系統標準中，例如IEEE 802.16e，上行傳輸需要一段很長的循環字首來防衛通道延遲(channel delay spread)與不同用戶間不同步所造成的符號/區塊間干擾(ISI/IBI)與載體間干擾(ICI)。然而，某些嚴苛傳輸環境可能導致通道延遲時間超過循環字首的最大長度，進一步導致ISI與ICI。例如在都市環境中，每個基地台蜂巢狀覆蓋區的邊緣。還有當不同使用者之間的傳輸延遲(propagation delay)很明顯時，ICI會存在於接收到的信號之中。為了維持高頻譜效率，可以使用很多點數的快速傅立葉轉換(FFT)。但是，這樣帶來的缺點包括：增加傳送端硬體複雜度、減少載體間隔、讓系統更容易受頻率偏差與震盪器雜訊影響。而且，較高數目的子載體(sub-carrier)會增加鋒對均功率值(peak-to-average-power ratio, PAPR)，必須使用高度線性的功率放大器。針對這方面的改進，日前被提出來的單載波分頻多重進接(SC-FDMA)已經用於3GPP LTE的上行傳輸。這造就一種新穎的混合OFDM-SC解決方案：移動終端使用SC-FDMA於上行傳輸，基地台使用OFDMA於下行傳輸。為了進一步減少傳送端的能量消耗，尾隨零(trailing-zero, TZ)可以用來取代循環字首。吾人欲針對防衛區間長度不足的情形（故造成接收端IBI），進行等化技術的研究，特別是用於reduced-TZ MIMO-OFDM系統與reduced-TZ MIMO-SC系統。目前，WiMAX802.16e標準提出使用OFDMA於上行與下行傳輸。如前言所提，可以想見未來系統中OFDM與SC可能會同時存在，讓傳送端得以利用許多區塊傳輸單載波系統(block based SC system)的優勢。但在多用戶情境中，共同通道干擾(co-channel interference, CCI)將會大幅弱化系統表現。CCI可能來自單一或多個蜂巢單位(cell)的使用者。在OFDMA中，蜂巢式內部干擾可能在時間與/或頻率同步錯誤時發生。當已知欲求信號方向與陣列幾何形式(array manifold)，適應性天線陣列技術(adaptive antenna array techniques)傳統上常被用來壓抑CCI。很不幸地，在典型無線通訊系統中，由於多路徑反射的緣故，接收端會收到許多份傳送訊號，讓陣列幾何形式難以定義。為了支援WiMAX與SC-FDMA系統（例如3GPP LTE）的上行傳輸，我們提議研究MIMO-OFDMA與MIMO-SC-FDMA盲目波束成形器(blind beamformer)於未知/無法測量的陣列幾何形式，以便抑制上行傳輸必然發生的CCI。總結來說，我們提議依此時程在以下領域進行研究：第一年： • 調查已知的上行傳輸通道等化技術，針對以下系統： o 循環字首正交分頻多工(CP OFDM) o 尾隨零正交分頻多工(TZ OFDM) o 循環字首單載波(CP SC) o 尾隨零單載波(TZ SC) • 與子計畫3共同合作提供不足防衛區間(insufficient guard interval)上行傳輸的分析與建議。 • 調查已知的上行傳輸共同通道干擾抑制演算法(CCI suppression algorithms)。 • 建構可以衡量這些演算法的模擬平台。第二年： • 設計針對不足尾隨零多輸出入正交分頻多工系統(reduced-TZ MIMO-OFDM)上行傳輸的演算法。 • 設計針對不足尾隨零多輸出入單載波系統(reduced-TZ MIMO-SC)上行傳輸的演算法。第三年： • 設計多輸出入正交分頻多重進接(MIMO-OFDMA)系統上行傳輸的盲目空間與時間-空間波束成形器(blind spatial and spatial-temporal beamformer)演算法來抑制CCI。 • 設計多輸出入單載波分頻多重進接(MIMO-SC-FDMA)系統上行傳輸的盲目空間與時間-空間波束成形器演算法來抑制CCI。 • 系統整合，評估與展示。
寬頻合作式無線多輸出入通訊系統---子計畫四：合作式多輸入輸出上行傳輸之干擾消除技術研究( II )
(2010)
馮智豪
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Fung Carrson C.
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
寬頻合作式無線多輸出入通訊系統---子計畫四：合作式多輸入輸出上行傳輸之干擾消除技術研究(I)
(2009)
馮智豪
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Fung Carrson C.
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
下一世代的無線通訊系統，例如IEEE 802.16m或3GPP Long Term Evolution (3GPP LTE)，必須提供給高速移動終端用戶更高的頻譜效率以及連結可靠度。以IEEE 802.16m系統來說，基地台(Base Station, BS)與終端用戶的連結必須能在120-350 km/hr的高速維持15.0 bps/Hz的頻譜效率。然而，太長的通道延遲效應(channel delay spread)、快速衰弱(fast fading)通道與巢內外(intra/inter-cell)干擾會嚴重降低系統性能表現。近來有兩種新興的傳輸技術可以解決上述問題：網路多輸出入(Network MIMO)與協力中繼(cooperative relay)。可以想見的是，結合這些現代科技將能夠大幅提昇表現增益。即使終端用戶在巢邊(cell edge)或是只具備單一天線，也能提供可靠、無干擾與高速的服務。我們將稱這種技術為合作式多輸出入(Cooperative MIMO)，並且探討與Cooperative MIMO系統等化以及干擾抑制相關的議題。 MIMO系統的分析設計中，吾人常假設MIMO通道具有平坦衰弱(flat fading)性質，這種性質在多載波調變使用下成立。例如正交分頻多工(OFDM)可以將頻率選擇(frequency selective)通道轉化成多個平坦衰弱通道。然而，此類型技術需要傳輸端注入循環週期字首(cyclic prefix, CP)當作防衛區間(guard interval, GI)，浪費了寶貴的頻寬。在眾多的系統標準中，例如IEEE 802.16e，上行傳輸需要一段很長的循環字首來防衛通道延遲(channel delay spread)與不同用戶間不同步所造成的符號/區塊間干擾(ISI/IBI)與載波間干擾(ICI)。然而，某些嚴苛傳輸環境可能導致通道延遲時間超過循環字首的最大長度，進一步導致ISI與ICI。例如在都市環境中，每個基地台蜂巢狀覆蓋區的邊緣。還有當不同使用者之間的傳輸延遲(propagation delay)很明顯時，ICI會存在於接收到的信號之中。為了維持高頻譜效率，可以使用很多點數的快速傅立葉轉換(FFT)。但是，這樣帶來的缺點包括：增加傳送端硬體複雜度、減少載波間隔、讓系統更容易受頻率偏差與震盪器雜訊影響。而且，較高數目的子載波(subcarrier)會增加鋒對均功率值(peak-to-average-power ratio, PAPR)，必須使用高度線性的功率放大器。針對這方面的改進，日前被提出來的單載波(Single Carrier, SC)調變已經用於3GPP LTE的上行傳輸。這造就一種新穎的混合OFDM-SC解決方案：移動終端使用SC-FDMA於上行傳輸，基地台使用OFDMA於下行傳輸。為了進一步減少傳送端的能量消耗，尾隨零(trailing-zero, TZ)可以用來取代循環字首。我們提議研究在GI不足情況下的等化技術以增進頻譜效率與解決不同用戶間的同步問題，因為此時接收機會有ISI, IBI以及ICI(針對OFDM系統)。明確而具體來說，我們想將目前成果，針對單輸出入(SISO)與單輸入多輸出(SIMO)OFDM系統GI不足的等化技術，延伸至MIMO-OFDM、SISO-SC、SIMO-SC與MIMO-SC系統，以達成在準靜止(quasi-static)與快速衰弱通道中的上行傳輸。更甚者，我們將開始研究利用空間-頻率區塊編碼(space-frequency block coding, SFBC)與分散式空間-時間-頻率區塊編碼(space-time-frequency block coding, STFBC)的等化技術來改進RS、BS之間的頻譜效率。除了通道引起的干擾之外，共同通道干擾（co-channel interference, CCI）也是降低系統準確性的常見原因。CCI可能來自單一或多個蜂巢單位(cell)的使用者。在OFDMA中，蜂巢式內部干擾可能在時間與/或頻率同步錯誤時發生，造成子載波之間正交性的喪失。只要採用較小的傳輸區塊，此點可以輕易地解決。然而，要抑制不同cell間用戶不同步的干擾並不是這麼容易。已發表文獻中有提到，系統表現可以經由BS間相互合作傳輸而大幅提昇，此法被定名為網路多輸出入（Network MIMO）。缺點是，這種技術需要所有BS之間的高速連結。更甚者，消除干擾需要準確的通道狀態資訊(channel state information, CSI)。在不嚴重犧牲系統表現的前提之下，我們提議探討BS不需要完整CSI的干擾消除技術。我們將採用疊加訓練序列(superimposed training sequence)來設計空間與空間-時間合作式波束成形器消除OFDMA、SC-FDMA系統中CCI。總歸來說，我們提議在下列幾方面做出貢獻：第一年： • 針對reduced GI MIMO-OFDM系統上行傳輸設計演算法，此法必須具備在quasi-static與快速衰弱通道中抑制CCI能力。 • 針對reduced GI SISO-SC, SIMO-SC與MIMO-SC系統上行傳輸設計演算法，此法必須具備在quasi-static與快速衰弱通道中抑制CCI能力。 • 初步探討使用分散式SFBC與分散式STFBC來支持RS與BS間的上行通訊。 • 與子計畫三合作，針對GI不足情況的上行傳輸，提供分析與建議。第二年： • 針對合作式MIMO-OFDMA系統上行傳輸設計CCI抑制演算法，以空間與空間-時間波束成形器的型態呈現。 • 針對合作式MIMO-SC-FDMA系統上行傳輸設計CCI抑制演算法，以空間與空間-時間波束成形器的型態呈現。 • 系統整合，評估與展示。
行動合作網通之無線訊號與訊息處理技術研究-子計畫二：合作型感知通訊之機會式傳輸技術
(2012)
馮智豪
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Fung Carrson C.
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
由於最近研究結果顯示，核照頻譜90%的時間處於閒置狀態，也因許多通訊設備皆使用ISM頻譜，不難想像想像不久之將來，無線通訊將面臨頻譜匱乏的窘境。感知無線是解決此問題的技術。感知技術可以讓感知使用者在不干擾使用者的前提之下進行傳輸。其中最常被討論的就是交錯法(Interweave method)，或稱為先聽後說(Listen before talk, LBT)，感知使用者必須先偵測是否有其他使用者正在使用該頻段，以避免擾亂正在進行的傳輸。此模式可應用在自我組態(self-configuring) 的無線網路，例如物聯網。 LBT有其優點，但也有其缺點。缺點是感知使用者必須等到無使用者佔用頻帶時方可使用，頻譜效能必然降低。相較於前述方法，機會式空間頻譜分享更能提升頻譜效能。拜多根天線所賜，感知傳輸端可調整能量傳輸方向以避免造能對其他使用者的干擾。然而，這種方法仍然仰賴精確的通道資訊，事實上，通道資訊都無法如此精確。本計畫中，我們將針對單一使用者以及多重使用者進行在MIMO以及MIMO-OFDM的感知系統中之穩健機會式傳輸技術之研究。藉由提出較不保守的錯誤模型，所提出的方法將會在位元錯誤率上比之前的方法有更好的效能。我們也將提出方法以改善「機率限制最佳方法」的缺點。即便如此，此所提的穩健傳輸效能也只是次佳的，這是因為假設所有的通道資源包含中繼點都是同等重要。這樣的假設並不實際，因為所有的通道包含中繼點都是會變化的。因此，針對這一點我們將分別對直接傳輸以及中繼系統傳輸提出穩健資源分配的解決方法。我們將研究在通道不確定的前提之下，資源如何做到最佳分配。此問題包含決定通道數目、中繼點數，以及通道是如何備使用的。以下是未來兩年工作項目第一年 在感知無線MIMO/MIMO-OFDM系統上開發穩健機會傳輸演算法 a. 單一使用者 b. 多重使用者 將演算法以MATLAB實現第二年 在感知無線MIMO/MIMO-OFDM系統上開發單模以及多模穩健資源分配演算法 a. 直接傳輸系統 b. 中繼協傳系統 i. 單一中繼站 ii. 虛擬天線陣列 將演算法以MATLAB實現
關聯性FIR-MIMO通道之空間-時間前編碼器與等化器系統設計
(2007)
馮智豪
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Fung Carrson C.
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
多重天線系統的優點目前已廣為人知，它可以在不影響頻譜的使用效能下，有優異的容量（capacity）增益與聯結可靠度（link reliability）。學理上也已經證明多重輸入多重輸出（MIMO）的傳輸容量正比於傳送天線個數M及接收天線個數N。這個理論值成立的條件，是當空間多樣性（diversity）受到完整利用，以致所有傳送與接收天線間可用的獨立平行通道同時建立，也就是說，天線在空間域是無相關性的。然而，受限於傳輸設備本身的大小，一般而言這個假設幾乎不成立，例如手機、筆記電腦、與PDA，都可能限制傳送或接收天線的角度分佈。本計畫重點在於將空間-時間前編碼器與等化器系統的空間關聯性減到最低或是消除，來達到多樣性的最大化與空間域多工增益。過去的相關研究多假設通道本身無記憶性 (flat-fading) 來設計前編碼器與等化器而降低或消除空間關聯性。當正交分頻多工（OFDM）用於展開或對角化有限長度脈衝響應 (diagonalize FIR) (頻率選擇frequency-selective) 通道時，這個假設是成立的。然而，正交分頻多工需使用循環字首 (cyclic prefix)，在傳輸上必然增加資料量，造成寶貴頻寬的消耗。在先前的成果可以看出，我們的空間-時間前編碼器與等化器系統可以傳輸比正交分頻多工較少額外的資料 (redundancy) 來等化空間無關聯性的FIR MIMO通道。我們稱這個收發機為Space-Time Minimal Transmit Redundancy (MTR) Precoder-Equalizer System。因此，我們的目標為設計適當的前編碼器與等化器組合，用於有關聯性的 FIR MIMO通道，而能達成與無關聯性通道相近的聯結可靠度。此外，也將研究此類無關聯性與有關聯性FIR-MIMO通道之系統容量。總結來說，我們預期在下列幾個方面提出貢獻： 1. 研究空間關聯性對S-T MTR 前編碼器與等化器系統容量的影響。 2. 設計前編碼器與等化器組以減低或消除傳送端與接收端的空間關聯性。 3. 比較其他空間-時間系統如OFDM-VBLAST進行聯結可靠度與傳輸容量表現。 4. 在硬體上實現所提出的系統。
預籌未來應用之寬頻異質無線傳輸介面研究-子計畫二：合作型感知通訊之機會式傳輸技術(I)
(2011)
馮智豪
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Fung Carrson C.
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
本報告在此提出一應用在感知無線通訊系統下之機率式錐形偵測器。即使在信號模型失準的情形之下，本偵測器能精準的偵測主使用者(Primary User)是否正在使用特定頻段。與其他既定式(Deterministic)方法相較起來，本偵測器擁有較精準的表現。在雜訊已知以及中斷機率(Outage Probability)為0.8的條件下，初步結果顯示本偵測器較既定式方法多0.5 dB的增益。進一步的研究仍在進行中。另一方面，本方法亦可考慮干擾訊號以及雜訊失準的情況設計。