次世代無線傳輸通道特性模擬與量測

一、背景說明

對於寬頻無線通訊系統而言,為求更高的頻寬使用效率與傳輸可靠度,多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)已是必然使用的架構,多天線技術是近年來在無線通訊系統實體層中的重要發展技術,藉由天線數量的增加,使得在傳輸上,除了傳統的頻率跟時間之維度以外,多了”空間”之維度,可有效增加通訊的品質與資料傳輸速率。透過裝設於傳送端及接收端的天線陣列,並配合特定的信號處理技術,MIMO 能在相同的無線資源(例如:頻寬、時間或發射功率)之下,有效地提高頻譜使用效率(Spectrum Efficiency)。因此MIMO 除了在學術界是備受矚目的課題之外,在產業界亦已成為各項無線通訊系統主流標準(如IEEE 802.11ac與LTE-A)的核心技術,在未來的第五代通信(5G)標準中亦將扮演重要的角色。我國在通訊產品組裝的技術雖已具水準,但發展的產品附加價值偏低,亟需深植關鍵性基礎技術,讓開發之產品具國際競爭力。政府已將MIMO技術列於電信產業重要的發展關鍵技術,於手持式裝置中加入多天線技術,或開發具MIMO功能的小型基站或中繼站皆是結合寬頻無線通訊與網際網路之未來電信發展趨勢,多天線技術可提升無線網際網路的服務與內容,帶動國家整體電信產業之發展。

本計畫將設計一系列理論與實務並重的通道特性相關的課程模組,深化專業實務教學與加強與產業接軌,提供學生零距離之產業科技認知,縮短學校教育與業界人才需求之距離。本模組教材之目標為教授無線傳輸通道之特性原理、模擬與量測技術,為通訊系統產業培訊所需的專業人員。教材也著重於通道效應對系統效能之影響評估及其技術的實現為主。課程中也將介紹MIMO OTA量測標準與通道模擬器之基本原理,並規劃完整實習教材,使培訓學員能熟悉無線通道對通訊系統效能的影響,且可以獲得實做驗證之經驗。此外,在B4G以及5G時代,為了提供消費者更大的流量,可能會使用小型基地台(Fento-Cell),以廣建接取點的手段,大幅提升通訊頻寬。不過要在小型平台上實現分集多天線系統,有相當的困難,必須充分利用天線的空間分集、場型分集、極化分集等特性,增加多天線系統的有效涵蓋範圍,也要解決近距離天線分隔所可能產生的耦合問題,才能增加天線的數目,因此本課程也規劃多天線系統分集效能課程模組,介紹如何評估與驗證天線間隔離度的需求與實務驗證。

二、主要達成之目標

「無線傳輸通道特性、模擬與量測」課程模組系列全程規劃四年,除了介紹無線通道的基本特性與原理之外,將會以NI的USRP軟體無線電模擬平台建置MIMO OFDM的收發機制並模擬通道的特性用以評估不同通道特性對MIMO系統的影響,本課程模組亦將開發一個操作方便、建置價格便宜的天線分集增益量測系統,用以快速有效的評估行動裝置或小型平台上多天線系的分集效能,該系統也可用來評估傳播環境是否富含多重路徑。透過課程模組的設計,學生將學習天線分集技術與MIMO多輸入多輸出技術的天線與傳播環境需求、天線分集效能的評估參數及其物理意義、多天線系統的設計技巧。而透過實驗單元的設計,也可讓同學操作天線分集增益量測系統,並透過訊號處理程式的撰寫,認識富含多重路徑的通道環境特性。本課程模組將著重與其他課程的整合應用,與大型陣列天線及收發機模組設計課程作緊密的結合,從基頻技術、射頻技術與天線技術,逐步的介紹系統中的每一個環節,使用深入淺出的方式讓學生可以瞭解到整個MIMO系統。除此之外,也會將主要開發之實驗模組進行整合,使學生不僅僅可以瞭解技術的內容,也可以透過實習與實作對於未來5G的多天線系統技術有更深刻的體認與掌握。

本課程之設計將以編撰團隊過去在通道特性與模擬及陣列天線的研究經驗與成果加上實體系統的建置,教學目標在對學生施以理論與實務並重的完整專業訓練,使其具備5G MIMO系統工程之設計、製造與應用的專業技能,藉以培養學生提出創新與解決問題的能力。為求深化實務教學與產業接軌,提供學生零距離之產業科技認知,縮短學校教育與業界人才需求之距離,部分課組將會遴聘業界專家協同教學或邀請業界師資前來演講,業界專家教學內容以協同實務課程教學為主,包括共同規劃課程及編撰個案式教材、指導學生實務專題、校外競賽、證照考試及展演等。在協同教學期間,教學單位會辦理提升教學職能之研習與座談活動,以增進教學品質。此計畫之執行,應能讓學生畢業後快速與業界職場銜接,而減少學生畢業後的職場技術落差,期望能培訓出5G通訊技術所需的專業人員,具備多天線系統之基礎技術與實務開發能力。

 

三、課程大綱

本課程發展之課程模組分為三部分:多天線系統分集效能、MIMO OFDM收發平台實作與MIMO OFDM系統於無線傳輸通道之效能評估。

模組一:多天線系統分集效能

課程綱要 課程內容說明
多輸入多輸出技術 介紹可大幅提升通訊頻寬的MIMO多輸入多輸出技術,包含其物理原理與實行上所需的軟硬體配合。
天線分集與多天線系統 介紹實行MIMO技術必備的多天線系統與其達到天線分集的原理,並闡述小型化多天線系統中進行天線解耦合的設計方法。
多重路徑傳播環境 介紹傳播環境與MIMO技術施行的關係,以及如何使用天線分集增益量測系統評估通道是否富含多重路徑的方法。
天線分集增益量測系統操作實驗 介紹本課程模組所開發的天線分集增益量測系統,並使用該系統對行動裝置上的多天線系統進行量測。
天線分集增益評估實驗 介紹天線分集增益量測系統輸出的量測結果格式與所需的訊號處理程序,分析量測值統計分布的物理意義。
分集天線設計與實作 介紹分集天線之設計原理,由學生透過實作完成分集天線之設計與實現
多天線系統效能量測技術 介紹多天線系統之量測技術,由學生透過實作多天線系統之量測

模組二:MIMO OFDM收發平台實作(共24小時)

課程綱要 課程內容說明
 OFDM 技術介紹 介紹OFDM技術之基本原理與應用。
MIMO OFDM 技術介紹 介紹MIMO OFDM技術之原理與應用,空時/空頻編碼MIMO OFDM技術之原理與實現,空間多工之MIMO OFDM技術之原理與實現。
OFDM之同步技術 介紹OFDM技術之同步演算法及如何在SDR平台上實現。
OFDM之通道估測技術 介紹OFDM技術之通道估測演算法及如何在SDR平台上實現。
以USRP實現OFDM信號之收發 以USRP實現OFDM信號之收發,包括如何產生OFDM之訊框,如何同步與實現通道估測,以及如何計算OFDM信號之BER。
以USRP實現2×2 SFBC OFDM信號之收發 以USRP實現2×2 SFBC OFDM信號之收發,包括如何產生兩組經過編碼之OFDM信號,如何在接收端進行兩組信號之同步、通道估測與計算BER。
以USRP實現2×2 Spatial Multiplexing OFDM信號之收發 以USRP實現2×2 Spatial Multiplexing OFDM信號之收發,包括如何產生兩組獨立之OFDM信號,如何在接收端進行兩組信號之同步、通道估測與計算BER。
以USRP實現4×4 MIMO OFDM信號之收發 以USRP實現4×4 MIMO OFDM信號之收發,包括如何利用兩台USRP產生四組獨立之OFDM信號,如何在接收端進行信號之同步、通道估測與計算BER。

 

模組三:MIMO OFDM系統於無線傳輸通道之效能評估(21小時)

課程綱要 課程內容說明
 無線通道特性 介紹large-scale fading 與 small-scale fading之通道特性,以及常用之室內或室外SISO 通道模型。
MIMO 通道特性與模型 介紹MIMO系統之通道特性,以及常用之MIMO通道模型,如SCM之Uma 與UMi 模型。
以USRP實現SISO通道模型 使用USRP實現常用之室內或室外SISO 通道模型,以及模擬OFDM在SISO 通道模型下之系統效能。
以USRP實現MIMO通道模型 使用USRP產生符合SCM之UMa 與UMi 模型之無線通道。
評估MIMO OFDM信號於MIMO通道之效能 以USRP實現2×2 SFBC OFDM信號或2×2 Spatial Multiplexing OFDM信號,搭配MIMO OTA chamber於UMa 與UMi 模型下量測BER效能。
高速移動之通道特性與模式化 介紹MIMO系統應用於高速移動載具,如高鐵或無人飛行載具(UAV)實所面臨之通道特性,以及如何建立高速之通道模型。
以USRP實現MIMO OFDM信號於高速移動通道之量測與效能評估 以USRP實現MIMO OFDM信號,搭配MIMO OTA chamber於高速通道模型下量測BER效能。

 

各實作內容說明

實驗項目 內容說明
以USRP實現OFDM信號之收發 以USRP實現OFDM信號之收發,包括如何產生OFDM之訊框,如何同步與實現通道估測,以及如何計算OFDM信號之BER。
以USRP實現2×2 SFBC OFDM信號之收發 以USRP實現2×2 SFBC OFDM信號之收發,包括如何產生兩組經過編碼之OFDM信號,如何在接收端進行兩組信號之同步、通道估測與計算BER。
以USRP實現2×2 Spatial Multiplexing OFDM信號之收發 以USRP實現2×2 Spatial Multiplexing OFDM信號之收發,包括如何產生兩組獨立之OFDM信號,如何在接收端進行兩組信號之同步、通道估測與計算BER。
以USRP實現4×4 MIMO OFDM信號之收發 以USRP實現4×4 MIMO OFDM信號之收發,包括如何利用兩台USRP產生四組獨立之OFDM信號,如何在接收端進行信號之同步、通道估測與計算BER。
以USRP實現SISO通道模型 使用USRP實現常用之室內或室外SISO 通道模型,以及模擬OFDM在SISO 通道模型下之系統效能。
以USRP實現MIMO通道模型 使用USRP產生符合SCM之UMa 與UMi 模型之無線通道。
評估MIMO OFDM信號於MIMO通道之效能 以USRP實現2×2 SFBC OFDM信號或2×2 Spatial Multiplexing OFDM信號於UMa 與UMi 模型下之BER效能。
以USRP實現MIMO OFDM信號於高速移動通道之量測與效能評估 以USRP實現MIMO OFDM信號,搭配MIMO OTA chamber於高速通道模型下量測BER效能。

 

四、團隊成員

主持教師:林信標

參與教師:廖文照、鄭獻勳、曾銘健、莊嶸騰
     
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