下一世代無線行動接取技術---子計畫四：同步、通道估計與內接收機設計(I)

Abstract

德籍學者麥爾（H. Meyr）將通訊接收機分為內部接收機與外部接收機兩大部。內部接收機負責將接數的信號處理成一同步且失真最少的數位序列以便外部接收機能正確的偵測出傳送的信號序列。在一典型的通訊環境中，內部接收機主要得完成同步與通道估測並利用上兩項結果透過適當的信號處理，將調整後的數位序列送到外部接收機做進一步處理。這邊所謂的同步，至少包含了載波（頻率及相位）、符元（時序）與框（frame）的同步。較複雜的通訊系統如CDMA系統另外還包括了亂碼或跳頻碼的同步及複徑(multipath)環境中的路徑偵測、選擇與追蹤。通道估測則涵蓋了增益控制(gain control)，信雜比與信號干擾比之估計、通道的時域脈衝響應或頻域響應之估測、追蹤與等化。一般而言，一個無線接收機之內部接收機的複雜度，耗電量大約佔整個接收機的60%至75%之間。為了簡化內部接收機的運算，通常傳送信號會有個碼框(frame)的架構，每個碼框的前段放置一些導引符元(pilot symbols)以及跟信號型態相關的資訊如編碼率、調變方式、以及碼框長度等，這一段通稱為頭端(header)。後段才放置要傳送的數據。以IEEE 802.11a的碼框結構為例，我們可以看到導引符元所組成的前奏(preamble)可用來完成碼框偵測、增益控制、頻移粗調與微調、符元同步與通道估測等內部接收機動作。由於這些導引符元已知，我們便無須費力去同時估測，大大簡化前述的這些運算。 本子計劃的目的便在於配合其他子計劃所提出之信號型態（調變、編碼、展頻、等技術）、載波數目、適應性法則與接取(access)方法來從事多天線無線寬頻系統的內部接收機之設計。當然，我們瞭解，同步與通道估測等動作事實上是互相關聯的。而內外接收機的劃分也不是那截然分明。以增益控制為例，在信號解調前、後的估計方法、準確度要求不同，在中頻或基頻的方法與目的也不太一樣。其功能、作用也隨著接收架構而有所變異。又如遞迴式的合併通道估計與解碼(iterated joint channel estimation and decoding)及渦輪式偵測(turbo detection)都已超越了這種內、外之分。以下茲分別簡述計劃兩年的研究重點。 .. 多通道多載波(MIMO-OFDM)系統之載波回復與碼框同步粗調 延續三年期計劃第一年的研發成果，在計畫的第二年我們將著手進行多通道多載波系統的後續頻率追蹤與碼框追蹤技術研發。多通道多載波系統的載波回復，尤其是頻率估計的正確性對系統性能優劣扮演相當重要的角色。同樣地，碼框同步的好壞也會嚴重地影響接收機性能。以往最常使用的方式是利用保護區間(guard interval)循環前置(cyclic prefix)的性質來完成頻移及碼框的同步，完全忽略這個區間可能的複徑或多用戶多天線干擾。其他較複雜的方法也往往忽視通道衰退(fading)的效應。除了將這些實際的因素列入考量之外，我們將針對多通道多載波系統提出低複雜度的盲蔽式(blind)及半盲蔽式（有用到少部分的pilot symbols）合併頻率與符元（即碼框）同步的演算法則。.. 信雜比估計及增益控制 此外，在這一年的計畫中，我們也將考慮增信雜比估計及益控制技術。增益控制隨著信號設計及系統架構有許多的不同功能與處理方式。而在多通道多用戶系統的接收方面，輸入信號強度的動態範圍大，增益控制尤顯得重要。我們主要的考量有五：（一）控制進入A/D轉換器的信號動態範圍，（二）控制各同步迴路的頻寬並同時作為相關的鎖相偵測電路，（三）控制各用戶各頻道之輸出功率與位元數，（四）決定符元判斷器(slicer)的門檻值、（五）信雜比變化預測與調變、編碼方式之調整。這幾項皆需要配合其他子計畫來處理。 .. 多通道多載波通道估計 關於通道估計部分，較常使用的方式是先利用導引符元(pilot symbol)或導引頻道(pilot channel)來估計這些導引位置的通道響應，再應用適當的內差來預測其他位置的響應。我們會從另一個角度來解決這個問題。我們會先忽略導引符元或導引頻道的存在，視為一個盲蔽的共同通道與符元估計(joint channel estimation and symbol detection)問題，運用組合最佳化的原理，推導出合理的估計演算法，再將導引符元或導引頻道考慮進去以簡化估計法。近年來發展的分解圖(factor graph)及其正規化的享尼式分解圖(Forney style factor graph)提供了一個較一般化且容易使用的設計界面，因而成為最近在統合設計上相當受到重視的圖型模式，也是我們將會採行的方法之一。這一部份，我們必須考慮子計畫一的展頻碼及通道傳譯碼設計。其次我們會配合子計畫三的編、解碼方式來設計共同通道估計與解碼方法。