使用方向性天線於無線系統的跨階層設計之研究:分時雙工分碼多工存取系統以及載波感知多重擷取協定的無線區域網路

Abstract

在設計無線網路時，由於訊號之間的干擾問題會影響網路流量以及系統容量，因此如何降低彼此的干擾是目前很重要的課題。本論文研究如何克服在分時雙工(Time Division Duplex, TDD)分碼多工存取(Code Division Multiple Access, CDMA)系統中，交錯時槽(Cross-slot)的干擾訊號，以及在無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)中多用戶間之相互干擾。方向性天線是一項簡單但有效的技術，除了有較大的天線增益以及減少干擾的好處外，在媒體擷取控制層(Medium Access Control, MAC)而言，善用方向性天線還能進一步侷限干擾範圍，以致於改善系統容量。本論文所要探討的課題有兩個方向：一是分時雙工分碼多工存取系統，另一個是無線區域網路。 在分時雙工分碼多工存取系統中，當兩個鄰近細胞於同一時槽進行相反鏈路方向的傳輸時，會產生所謂的交錯時槽干擾。由於訊號的彼此干擾會降低系統容量，因此許多的無線電資源分配演算法雖然已被提出來解決這樣的交錯時槽干擾，然而這些演算法通常都需要對系統中每一個時槽的傳輸方向進行全域的控制，而無法兼顧低干擾及高容量的需求。 本論文藉由分析方向性天線在分時雙工分碼多工存取系統中可能發生的干擾情形，我們發現方向性天線的指向性能在空間上具有區隔能力，所以能侷限彼此的干擾範圍。在論文中我們提出一能利用方向性天線低干擾好處的分散式無線電資源分配演算法，此演算法能讓每一個細胞有彈性地設定最符合需求的上下鏈路頻寬分配方式，以提供低干擾且高容量的無線網路系統。 在第二個課題無線區域網路方面，本論文研究如何分析方向性天線在實體層及媒體擷取控制層對無線區域網路的性能分析。由於無線通道在同一時間只容許一個封包進行傳送，當有兩個以上的封包同時進行傳送時會有相互干擾，碰撞將使封包無法被接收而浪費傳送時間，同時減低網路流量。目前對於減少封包碰撞的研究可以大略分成兩方面，一是從改善網路傳輸協定使碰撞的機率降低，另一方面是從實體層方面著手，例如使用天線技術以減少干擾範圍。本論文提出一個新的分析方法將實體層的效應，如方向性天線及捕獲效應(Capture effect)整合至無線區域網路中媒體擷取控制通訊協定的性能分析。 總而言之，本論文研究如何對無線通訊系統做跨階層性能分析及設計，針對分時雙工分碼多工存取系統及無線區域網路系統為例，我們加上方向性天線做跨階層之分析及設計，我們發現跨階層之設計觀念能有效地提高無線系統之性能，是另一個值得更深入研究的領域。