多路徑干擾消除技術簡介

圖 2.7 多路徑干擾消除技術運作原理示意圖

但可想而知的，由於作通道估計時，領航訊號除了同樣經過多重 路徑衰減外，更是與資料訊號同時被接收，故領航訊號將會受到自己 與資料訊號的嚴重干擾，造成通道估計的不準確，如此也影響接下來 的資料決策、多路徑干擾重建等動作，最終降低系統效能。是故上述 的第二個步驟將反覆地進行多次，而接收訊號的 SINR 也將隨之提升，

終達到理想的通道估計、資料決策與系統效能的表現。

第三章

多載波分碼多重進接系統 傳送機架構和通道模型

介紹完 OFDM 與 CDMA 技術，並簡要說明如何將兩者結合後，

本章將詳細說明本論文使用的 MC-CDMA 系統在傳送端的架構與運作 機制，並對系統使用的展頻碼與通道模型做一個介紹。

3.1 傳送端架構

本論文使用的 MC-CDMA 系統傳送端架構[10]如下頁圖 3.1 所示。

基地台欲傳送 K 筆資料，每一組的資料將分別依序經過 QPSK 調變與 展頻的動作，接著再將此 K 組展頻過後的資料疊加起來，經過 IFFT 將 資料進行正交分頻多工調變以放在不同的次載波上，此時的訊號被視 為由頻域轉至時域，然後再將此時域訊號加上一份亦經過展頻動作的 領航訊號，以方便接收端進行通道估計的動作，供多路徑干擾消除機 制使用。最後，每個資料訊號與領航訊號加總而得的資料框(Frame)在 傳送前尚需各別加上一段護衛間隔，以協助訊號抵抗通道所產生的 ISI 現象。

圖 3.1 MC-CDMA 系統傳送端架構圖

其中 F^-1代表 IFFT 矩陣。接著此訊號再與固定為 1 並經下一小節會介

m-序列可利用一組平移暫存器(Shift Register)產生，碼的長度 N 與 暫存器長度 m 有著 N=2^m-1 的關係，如下頁圖 3.2 所示。而一般在展頻

圖 3.2 m-序列產生器

華氏碼的正交性，使得它可以用來作不同用戶之間的展頻碼。假

其中

τ

為第二條路徑相對於第一條路徑的時間延遲，而a (t)₁ 與a (t)₂ 為 兩條路徑的複數變數增益，可表示成 N 個弦波相加，分別由兩個獨立 (independent)的傑克衰減模型(Jake's fading model)[17]所產生，其數學式 如下。 訊(Additive White Gaussian Noise，AWGN)的向量在頻域上的展現。

(3.9)

Channel output d diag H H H

第四章

搭配多路徑干擾消除技術之

多載波分碼多重進接系統接收端

介紹完傳送端的架構與通道模型後，此章將說明本論文所設計之多路 徑干擾消除技術如何與 MC-CDMA 系統接收端結合，並詳細敘述其運 作機制與流程。

4.1 接收端架構

搭配多路徑干擾消除技術之 MC-CDMA 系統接收端如下圖 4.1 所 示

圖 4.1 搭配多路徑干擾消除技術之 MC-CDMA 系統接收端

由通道輸出接收並轉基頻後的訊號，經過串列轉序列後移除護 衛間隔並進行 FFT，以利訊號在頻域做處理。此頻域訊號除暫存一份 做保留外，將依序經過一次類型一與多次類型二的干擾消除與重建

(Interference Cancellation and Reconstruction，ICR)方塊。第一級干擾消 除與重建方塊的輸出為資料粗估後重建的多路徑干擾，而第二級干擾 消除方塊就以此重建的干擾與當初保留的頻域訊號做輸入，進行干擾 消除與重建的工作，重建後的干擾再搭配當初保留的頻域訊號作為下 一級的輸入，重複進行干擾消除重建的動作…，因為多路徑的干擾逐 漸被消除乾淨，使得展頻碼之間的完美正交性漸漸被還原，多重進接 干擾逐漸降低，系統效能(Performance)也逐漸提升。下面我們就介紹類 型一與類型二的干擾消除重建方塊內部運作原理。

4.2 干擾消除與重建方塊：類型一

類型一的干擾消除與重建方塊內部架構如下圖 4.2 所示

圖 4.2 干擾消除與重建方塊內部架構：類型一

此方塊的功能是針對轉為頻域的接收端訊號進行通道估計、領航訊號

1. 最大比例合併方式(Maximum Ratio Combining，MRC)

此種通道匹配方式將各次載波上的相位均調整為零，且乘上與原 本通道頻率增益大小相同的值，如此則可以得到最大的訊號對雜訊功 率比(Signal to Noise power Ratio，SNR)。在一個傳送訊號只收到雜訊 影響，沒有干擾的情況下，最大的訊號對雜訊功率比即可保證最好的 系統效能表現，亦即此時 MRC 就是最好的通道匹配方式。

2. 強制歸零合併方式(Zero Forcing Combining，ZFC)

次載波上的雜訊也因此被放大許多，產生所謂的雜訊增強(Noise enhancement)效應，降低系統的效能。

3. 相同增益合併方式(Equal Gain Combining，EGC)

此種通道匹配方式將各次載波上的相位均調整為零，且對原本通 道的頻率增益大小做正規化。此種方式對訊號造成的效應有點像 MRC 與 ZFC 的綜合體，既調整了相位卻又不將通道的頻率增益完全還原。

4. 部份等化合併方式(Partial Equalization Combining)[18]

此種通道匹配方式將各次載波上的相位均調整為零，而在次載波

4.2.3 資料解展頻與資料決策

而重建的第 p 個路徑的干擾 Ip亦可以表示如下

4.3.1 通道估計與領航訊號干擾消除

的主要來源，故我們只要使用 MRC 對各路徑的資料作通道匹配即可，

Data before despreading

d

4.4 軟性多路徑干擾消除技術

計平均值(Mean)與變異數(Variance)，故我們首先就是對解展頻後的資

現在我們就要分別計算(4.7)式中第二、三項的平均值與變異數，

d c c 視做一個二項分佈(Binomial distribution)的隨機變 數y_i^{，則由觀察可得}x_i與

我們先用動差產生函數(Moment-generating function)的觀念來計算

[ ]

²

E ϕ 的值。若我們對一個隨機變數的動差產生函數 M(t)取自然對數 (Nature logarithm)得到函數 R(t)，稱為累積產生函數(cumulant-generating function) )，則 R(t)與 M(t)之間有如下的關係：

所以

推導至此，我們終於有足夠的資訊可以計算d_j 的可靠度，並藉以 (Hypertangent)函數作一個映射的動作，將其值域對應至±1的區間，再 作比例調整，即成為軟決策後的資料輸出，以數學表示如下

4.4.2 資料軟決策與干擾重建：類型二

有了x₀的機率分布後，我們就可用此求得x₀^的可靠度

就是此資料符元的可靠度，而其中E d

[ ]

k 的期望值，我們則利用上一

既然為了找出對系統效能最佳化的β值，首先我們就要先為系統 的“最佳效能＂下一個定義，能滿足此條件的β值就是最佳化的β值。

最直覺的定義就是讓系統的位元錯誤率(Bit Error Rate，BER)最低，也 就是讓訊號對干擾與雜訊功率比最高，而由 4.2.1 節的推導，訊號、

第五章

電腦模擬

本論文提出在MC-CDMA 系統下鏈傳輸架構中，使用硬性資料決 策與軟性資料決策結果重建多路徑干擾，並以遞迴的方式消除多路徑 干擾之硬/軟性多路徑干擾消除技術。

在本章中，我們將模擬搭配硬/軟性多路徑干擾消除技術的

MC-CDMA 系統下鏈接收機，使用不同的通道匹配方式，在雙路徑固 定通道與雙路徑衰減通道下的系統效能表現。

5.1 模擬環境與參數

本論文電腦模擬使用之通道模型與假設條件為：

1.能量一樣的雙路徑固定通道

2.能量一樣的雙路徑衰減通道，由傑克衰減模型產生

z 假設接收端已達到完美通道估計

z 假設接收端已知傳送端所有的展頻碼。

z 假設傳送端與接收端已達成載波同步與符元同步。

z 假設傳送端的功率放大器與類比/數位轉換器均是線性的。

z 假設來自其它蜂巢的干擾為零。

本論文電腦模擬使用之參數為：

表 5.1 搭配多路徑干擾消除技術的MC-CDMA 系統之電腦模擬參數

調變方式(modulation) QPSK 載波頻率(carrier frequency) 2 GHz 頻寬(total bandwidth) 5 MHz 次載波個數(number of subcarriers) 256 有效符元長度(useful symbol time) 51.2 us

護衛間隔長度(guard interval) 12.8 us 完整符元時間(overall symbol time) 64 us

展頻因數(spreading factor) 256 車速(vehicle speed) 120 km/hr 都普勒頻率(Doppler frequency) 222 Hz

路徑個數(path number) 2 最大延遲擴散(max delay spread) 3.2 us

通道匹配方式(Channel matching)

MRC，EGC，ZFC，

PEC with =0.7 (雙路徑固定通道) PEC with =0.5 (雙路徑衰減通道)

MMSEC, Optimum PEC

5.2 模擬結果與討論

5.2.1 硬性多路徑干擾消除技術之效能討論

圖 5.1 顯示了未加上多路徑干擾消除技術的MC-CDMA 系統在雙 路徑固定通道下的系統效能。很明顯地其系統效能表現與通道匹配的 方式有關：使用MRC 通道匹配的系統在低 SNR，也就是以雜訊為位 元錯誤主要來源的環境下有較好的效能；而在較高的SNR，也就是以 多路徑干擾為位元錯誤主要來源的狀況下，使用ZFC 通道匹配則有較 好的表現；EGC 通道匹配的效能則介於 ZFC 與 MRC 匹配方式之間；

而β=0.7 的 PEC 通道匹配方式在較低的 SNR 下表現較類似於 ZFC (β=1) 通道匹配，而在SNR 具有一定水準(>11dB)的環境下，其表現就則大幅 的超越其餘各種的通道匹配方式，這是因為藉由β值的選擇，使PEC 通道匹配能在雜訊與干擾的抑制中取得較為平衡的結果，但其效能仍 與理論值有著一定的差距(位元錯誤率 10^-3處仍有約 8.3dB 的差距)。

圖5.2 顯示了加上硬性多路徑干擾消除技術的 MC-CDMA 系統，

在雙路徑固定通道下搭配不同通道匹配方式的系統效能。很明顯地，

隨著多路徑干擾消除技術遞迴次數的增加，各種通道匹配方式的系統 效能均會有改善的現象，改善的程度則隨著通道匹配方式的不同而 異。值得注意的是，不論使用何種通道匹配，系統效能改善的程度都 會隨著遞迴次數的增加而越趨漸緩，其中尤以使用MRC 與 PEC 通道 匹配方式的系統，系統效能改善減緩的現象特別明顯。

圖5.3 將第四級硬性多路徑干擾消除並搭配不同通道匹配方式的

路徑固定通道的結果(圖 5.3)比較，PEC 通道匹配與和其他通道匹配方

圖5.10 顯示了加上軟性多路徑干擾消除技術的 MC-CDMA 系統，

在雙路徑衰減通道下搭配不同通道匹配方式的系統效能。與使用硬性 多路徑干擾消除技術的系統效能相比(圖 5.5)，整體而言此處的系統均 有著較好的表現，其原因仍是因為此處使用了軟決策後的資料進行干 擾的重建與消除，是故在決策後資料的可靠度較低時，可以降低錯誤 的干擾重建造成的效能損失。另外值得一提的是，由此處的結果搭配 圖5.2、5.5 與 5.7 可以發現，軟性與硬性多路徑干擾消除技術的效能差 異，在有衰減變化的通道下會比在固定的通道下明顯一些。

圖5.11 顯示了加上軟性多路徑干擾消除技術的 MC-CDMA 系統，

在雙路徑衰減通道下使用本論文提出的最佳化PEC 通道匹配方式的系 統效能，並與使用MMSEC 通道匹配方式的效能做比較。此處我們可

在雙路徑衰減通道下使用本論文提出的最佳化PEC 通道匹配方式的系 統效能，並與使用MMSEC 通道匹配方式的效能做比較。此處我們可

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