MIMO-OFDM系統之峰值對平均功率比縮減技術的研究與其在軟體無線電平台的實現

研究計畫: 國家科學及技術委員會(原科技部) 國家科學及技術委員會學術補助

研究計畫-專案詳細資料

摘要

近幾年來,隨著半導體與電子技術的蓬勃發展,電子資訊產品已漸漸成為現代人生活中不可或缺的一部份,而人類對於通信的需求,也由早期的人對人的語音通信,逐漸轉變為人對人的數據通信,甚至也將包含機器對機器(machine-to-machine,M2M) 的數據通訊。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,而國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU) 所提出的4G行動通訊標準IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication-Advanced) 即是目前最熱門的解決方案。目前IMT-Advanced 通訊技術中的LTE-A與WiMAX2技術,為了達到4G寬頻無線的要求,都同時使用了MIMO天線技術來增加傳輸速率,但是當MIMO技術使用在頻率選擇性通道(frequency selective channel) 時,則接收機的通道等化程序將使接收機的複雜度大大提升,這種情形往往造成用戶端的接收機製造成本增加。由於OFDM傳輸技術可將其傳輸的頻帶切割成許多個非常小的傳輸頻帶來傳送資料,並且在每一小的傳輸頻帶上,通道變化相當於一平坦的非頻率選擇性通道,因此OFDM傳述技術可有效解決MIMO技術的等化器問題。因此一種結合MIMO與OFDM技術的MIMO-OFDM通訊傳輸技術,已成為目前高傳輸速率與高品質通訊系統的主流。在本計畫中,我們將探討在MIMO-OFDM系統中,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-band radiation,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-time block 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 Vehicular Technology Conference - Spring (VTC 2009-Spring)中,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。雖然目前我們已經完成了一些初步成果的測試,但是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可以探討與改進的空間。我們預計在本計畫的兩年執行期間,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[90]、[91],研究降低演算法計算複雜度的可行性。另外,我們亦計畫將我們所發展的演算法,實現在Rice大學所發展的無線開放式研究開發平台WARP (Wireless pen-Access Research Platform) 上,此開發平台本實驗室已購買兩套,我們預計將以此平台已提供的OFDM reference design 為基礎,在Xilinx Virtex-4 FPGA上發展實際可收發的MIMO-OFDM傳輸系統,並且也將我們所發展的PAPR縮減演算法在此平台上驗證並探討其實際效益。經由此種實際開發過程,不僅可以使參與此計畫的人員得到通訊Simulink軟體與Xilinx FPGA硬體的整合開發訓練,為國家培養堅強優秀的通訊人才,更可以在未來通訊系統的建構與研究上,儲備相關軟體與硬體的基礎實力。我們預期在二年內完成下列的工作項目:第一年 (一百零一年八月至一百零二年七月):(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) 訓練參與計畫的學生熟悉Xilinx System Generator與Simulink的協同開發技術,並在WARP平台的Analog board上建立一個簡化的MIMO-OFDM傳輸收發器硬體雛形系統(不包含射頻天線部分)。(1.5) 將步驟 (1.3) 所發展的演算法,在(1.4)所發展的平台上實現並評估所發展演算法的實際效應。第二年 (一百零二年八月至一百零三年七月):(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[90]、[91],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) 加入Radio board射頻天線部分,在WARP平台上建立一個包含多根天線的MIMO-OFDM傳輸通訊系統,並使學生具有通訊Simulink軟體與Xilinx FPGA硬體之整合開發能力(2.5) 將步驟 (2.3) 所發展的演算法,在(2.1) 所建構出的MIMO-OFDM平台上實現,藉以驗證所發展演算法的實際效應,並完成一個完整的MIMO-OFDM通訊系統接收機。

Project IDs

系統編號:PB10202-1068
原計畫編號:NSC101-2221-E182-048-MY2
狀態已完成
有效的開始/結束日期01/08/1331/07/14

Keywords

  • 電信工程
  • 資訊工程--硬體工程
  • 資訊科學--軟體

指紋

探索此研究計畫-專案觸及的研究主題。這些標籤是根據基礎獎勵/補助款而產生。共同形成了獨特的指紋。