適用於WiMAX系統之SFBC MIMO-OFDM 峰值對平均功率比縮減技術的研究與實現

近幾年來，通訊科技的發展已漸漸呈現出朝向一個整合聚集 (converged) 網路的發展趨勢，我們可看到有線通訊與無線通訊，電話語音通訊與電視廣播、ADSL系統與有線電視系統甚至是手機系統逐漸整合在一起形成一個單一網路；就通訊的內容而言，具備語音、資料、多媒體通訊的行動通訊設備也已是現在消費者的使用趨勢。為了因應這種趨勢，提供一個高品質、高傳輸速率的行動式通訊系統的要求日益殷切，而WiMAX(the Worldwide Interoperability for Microwave Access) 系統即是近幾年來最熱門的解決方案之一。WiMAX是由國際電子暨電機工程師學會IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) 802.16 Working Group 所提出的一個商業化規格，預計2009年可完成正式的IEEE 802.16-2009規格書，此系統所設定的通訊範圍為31英里，通訊速率預定為對低移動性的用戶提供 1 Gbps，對高移動性的用戶提供100 Mbps，所能容許的移動速度為120km/h，因此使用WiMAX 可以迅速建立一個行動式無線寬頻都會網路WMAN (wirelessmetropolitan area network) 達成Ubiquitous Communications的理想。WiMAX規格在實體層上採用了OFDM 或OFDMA 調變技術，並且為了提高系統的傳輸容量 (capacity) 與通訊品質，亦引進了多輸入多輸出 MIMO天線技術，因此一種結合MIMO與OFDM的通訊技術已成為WiMAX系統主要的通訊傳送技術。在本計畫中，我們將探討在WiMAX 規格中所使用的MIMO-OFDM 系統，所遭遇的峰值對平均功率比 (PAPR，peak-to-average power ratio) 縮減問題。如我們所知OFDM系統的一個重大缺點便是傳送訊號具有較高的PAPR，此缺點會造成類比-數位(analog-to-digital) 轉換器與數位-類比 (digital-to-analog) 轉換器的複雜度增加與需要較大線性區域的功率放大器 (power Amplifier)，並造成In-band distortion 與out-bandradiation，如此會造成晶片設計廠商的成本增加，效能降低；而MIMO系統卻又是具有多根的傳輸天線，這意味著MIMO系統需要多個功率放大器，因此PAPR縮減問題更益顯得重要。在本計畫中，我們預計利用MIMO 系統特有的時空編碼 (STBC，space-timeblock code) 或時頻編碼 (SFBC，space-time block code)所提供的天線間自由度，發展縮減MIMO-OFDM系統的PAPR技術，此技術已有初步的成果發表在2009 IEEE VehicularTechnology Conference - Spring (VTC 2009-Spring)中 [98]，此技術與傳統PAPR縮減技術相較，具有較優PAPR縮減效能且並不影響MIMO系統的SFBC編碼。雖然此初步成果令我們興奮，然而我們發現此方法並不是一個最佳的解決方法，此初步技術仍有進一步探討與改進的空間。我們預計在本計畫的二年執行期間，發展出適用於MIMO-OFDM系統的SFBC PAPR 縮減演算法的general form解決方案，並進行系統效能的評估與驗證，同時我們亦注意到縮減PAPR演算法所需的高計算複雜度問題，我們將以之前發表於IEEE Transactions on Signal Processing方法的經驗 [95]，研究降低演算法計算複雜度的可行性。同時在我們的計畫中，我們除了以電腦模擬驗證演算法外，我們亦計畫將我們所發展的演算法，在Lyrtech 公司的小型軟體無線電 (SDR) 開發平台與SignalWAVeDSP+FPGA 驗證版上實現 (本實驗室已有此兩項設備)，藉以驗證所發展演算法的實際效應並訓練增加學生實作能力。最後，我們亦計畫以整個系統的觀點，試圖完成一簡化MIMO-OFDM接收機軟體雛形系統。我們預期在二年內完成下列的工作項目：第一年 (九十八年八月至九十九年七月)：(1.1) 尋找系統性的方法，找出所有可適用在MIMO-OFDM PAPR縮減的SFBC編碼方式。(1.2) 探討如何組合這些編碼方式以得到最佳的PAPR縮減效能。(1.3) 將步驟 (1.1)、(1.2)所發展的演算法，完成浮點與定點運算系統性能模擬。(1.4) 將步驟 (1.3) 所發展的演算法，在Lyrtech公司的小型軟體無線電 (SDR) 開發平台與SignalWAVe DSP+FPGA驗證版上實現。第二年 (九十九年八月至一百年七月)：(2.1) 針對可適用在MIMO-OFDM PAPR 縮減的SFBC 編碼方式，探討其在MIMO-OFDM系統的數學特性與降低編碼複雜度的可行性。(2.2) 運用之前發表於IEEE Transactions on Signal Processing方法的經驗 [94]、[95]，研究降低MIMO-OFDM PAPR縮減技術計算複雜度的可行性。(2.3) 將步驟 (2.1)、(2.2) 所發展的演算法，完成浮點與定點運算系統性能模擬。(2.4) 將步驟 (2.3) 所發展的演算法，在Lyrtech公司的小型軟體無線電 (SDR) 開發平台與SignalWAVe DSP+FPGA驗證版上實現，藉以驗證所發展演算法的實際效應。(2.5) 結合步驟 (1.4)、(2.4) 演算法，建立一個實際的MIMO-OFDM 通訊系統接收機雛形，並藉以驗證所發展演算法的整體效應。

系統編號:PB9808-2400
原計畫編號:NSC98-2221-E182-023