簡介

近代行動通訊系統的成功，打破了傳統有線傳輸地域上的先天限制，並為普 世社會帶來了莫大的便利。同時，隨著個人化通訊需求的迅速發展及多媒體訊息 交流的急遽增加，世人對於新一代通訊系統的建置更是懷抱了無限的期待。相較 於現有第二、三代行動通訊系統，新一代無線通訊系統預期將提供更全面性的服 務，其中包括高速的資料傳輸、多媒體服務及數據行動通訊。然而在無線傳輸的 環境中，除了接收機本身熱雜訊可能引起的訊號失真之外，傳輸通道與生俱來的 非理想特性，例如衰褪（Fading）及遮蔽（Shadowing）效應，與多用戶信號間 的相互干擾亦常造成通訊品質不良的嚴重後果。面臨此一惡劣的傳輸環境，強化 無線接取技術（Wireless Access Technology）以因應高速、多元及高品質傳輸要 求，便成為發展新一代無線通訊系統時所須考量的重要課題。

傳統之高速率數據傳輸受限於有限頻寬所造成之符元間干擾（Inter Symbol Interference, ISI），因而易使接收的資料產生解調錯誤。要解決ISI問題，最簡單 的方法是增長符元時間進而減少因為有限頻寬所造成之時域擴散效應，但是這樣 做便失去高速率傳輸的原本目的；除此之外還有增長符元時間同時提高調變階數 (Modulation Order)或利用適應性等化器(Adaptive Equalizer)等方法可以解決 ISI問題，但這些方法會衍生其他不易解決的問題，像是容易受到雜訊的干擾而 使得錯誤率提高、接收器複雜度太高不易實踐等，所以為了克服高速率數據傳輸 之ISI缺點，正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）

技術便運應而生。正交分頻多工技術1960年代即已提出[1]-[6]，此技術使用多重 載波將傳輸通道切成數個正交的子通道來傳輸信號，並可利用增加載波的數目來 提升資料的傳輸率；傳送信號時，會在各封包（Packet）間加入一段具循環字首

（Cyclic Prefix）特性的保護時間（Guard Time），這不但可消除信號的符元間 干擾，也可使接收端不需使用複雜的等化器。在進行高速資料傳輸時，ODFM還 能將原本具頻率選擇性衰褪特性（Frequency- Selective Fading）的通道在每個子 通道上轉變成平坦式衰褪（Flat Fading）。雖有OFDM有上述諸多好處，但由於 當時硬體及數位處理技術並不發達，正交多載波及相對應濾波器之製作相當昂 貴、困難，因此該技術並不受歡迎。直到1971，Weinstein及Ebert提出利用快速 反傅立葉轉換（Inverse Fast Fourier Transform）及快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform）進行信號調變及解調取代類比之多載波製作，大幅降低了收發機之 設計複雜度，使得此技術得以再受重視；因此，以正交分頻多工為核心的多載波

多重接取技術已成為新一代通訊系統中無線接取技術的最佳選擇。

圖1.1 正交分頻多工收發機架構圖

為達成新一代行動通訊系統高速、高資料率及多媒體傳輸之目標，新設計之 通道編碼系統本身必須具備強大的錯誤更正能力，方能補償由接收機本身熱雜訊 及其他區塊（例如:通道估測，信號同步、解調等部份）所累積之信號誤差，進 而最佳化整體系統效能。在文獻[7]-[14]中，低密度位元檢測碼（Low-Density Parity Check Codes, LDPC Codes）搭配疊代式信度傳播解碼法（Iterative Decoding Based On Belief Propagation）已被證明能在可加性白色高斯雜訊（Additive White Gaussian Noise）通道下提供趨近謝農極限（Shannon Limit）的編碼效能。相較 於另一類可達謝農極限之渦輪碼（Turbo Codes），低密度位元檢測碼由於具備下 列優點，已逐漸取代渦輪碼而被許多新一代通訊系統所採用。

（一）低密度位元檢測碼不需搭配長度極長之交錯器（Interleaver），其效能即 可趨近謝農極限，因此可避免因採用交錯器所衍生之解碼延遲與相關硬體需 求。

（二）低密度位元檢測碼有較佳的區塊錯誤效能（Block Error Performance），

因此在多層網路通訊系統中可提供網路層較佳之通訊品質。

（三）低密度位元檢測碼在位元錯誤率（Bit Error Rate, BER）較低之區域方才 顯現錯誤遲滯（Error Floor）之現象，因此可適用於位元錯誤率需求極低之系 統（例如:光碟儲存系統）。

（四） 低密度位元檢測碼之解碼不需於其格狀結構進行，因此可大幅減低解 碼複雜度。此外，其位元檢測矩陣之低密度特性亦提供可平行處理、低複雜

Output data Input data

Modulation

IFFT D/A

A/D FFT

Demodulation

SpreadingDespreading

Channel

S/P P/S

在無線傳輸環境中，除了接收機本身熱雜訊可能引起訊號干擾，傳輸通道與 生俱來的非理想衰褪特性，亦常造成嚴重的訊號失真，傳統上欲解決此一問題，

多半是在接收端設置多根接收天線再搭配信號分集的概念進行信號解調。此外，

多重輸出輸入（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）系統已被證明能比單一輸 入輸出（Single-Input Single-Output, SISO）系統有更高的頻寬效益（Spectrum Efficiency）[15][16]，由於有上述優點所以目前被廣泛地使用。MIMO 技術的觀 念最早在 70 年代提出，目前使用 MIMO 觀念的應用技術主要分為空間多工技術

（Spatial Multiplexing）[17][18]和分集編碼（Diversity Coding）兩大類，空間多 工技術是將一串高傳輸率的資料流分成多個傳輸率較低的資料流，然後每一個資 料流各自用不同的傳輸天線傳送，這技術在高訊雜比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）的情況下能有很高的通道容量並且可獲得最大的分集增益（Diversity Gain ） ； 分 集 編 碼 是 利 用 空 間 分 集 的 編 碼 技 術 ， 新 一 代 的 時 空 編 碼 技 術

（Space-Time Coding）[19]-[24]即是一種分集編碼技術，它結合通道編碼與調變 系統並採用多重傳送及接收天線的架構，將傳送及接收分集技術一併應用於無線 系統。藉由從空間及時間維度對傳送資料進行適當的通道編碼，時空編碼技術不 僅可在不增加信號頻寬及傳輸功率的情況下同時獲得分集增益及編碼增益

（Coding Gain），其多重天線架構還能將原本單載波的窄頻無線通道轉換成可供 高資料量傳輸之寬頻管道。除了時空編碼技術之外，近期亦有相關研究投入結合 空間及頻率分集技術之空頻編碼技術（Space-Frequency Coding）[25]-[30]，空頻 編碼技術同時使用了 MIMO 和 OFDM 兩種技術，可以針對空間、頻率及時間維 度做設計，得到三個維度上的最佳分集增益，讓系統的效能大幅提升。除上述好 處，時空編碼技術還具備下列多項優點，

(一) 對行動通訊系統而言，輕薄短小與低功率耗損為設計手機的主要考量。

時空編碼技術利用傳送分集（Transmitter Diversity）的概念，可免除在手機 上設置多重天線的需求，同又時能獲得空間分集增益（Spatial Diversity Gain）以改善下傳鏈路（Downlink）的通訊品質。

(二) 在閉迴路（Close Loop）系統中，通常需要建立反向鍊路（Reverse Link）

來獲得通道狀態資訊（Channel State Information）以決定傳輸信號。然而反 向鍊路的建置不但十分昂貴，其可靠度在快速衰褪通道中又不見得能令人 滿意。時空編碼技術採用開迴路（Open Loop）操作模式，不需額外的通道 狀態資訊即可運作，因此免除了建立反向鍊路的需求。

(三) 時空編碼技術已被證明對於系統非理想性，例如天線相關性（Antenna Correlation）、通道估計誤差、都卜勒效（Doppler Effect），具有相當程度的 抵抗力（Robustness），因此可提升系統實際操作時的可靠度。

Encoder of Space-Time Code

Decoder of Space-Time Code S/P

圖 1.2 多天線時空編碼系統

如前文所述，新一代之通道編碼系統除了本身需具備強大的錯誤更正能力之 外，亦須能善用各類分集，以克服無線傳輸通道本身之非理想衰退特性。本計畫 之主要目標即是以低密度位元檢測碼為主體，結合多重輸出、入分集技術，擷取 二者優點以設計出橫跨空間、時域、頻域三重維度適合於高速無線多媒體傳輸之 通 道 編 碼 系 統 。 第 一 年 計 畫 中 我 們 是 以 多 重 輸 入 多 重 輸 出 - 正 交 分 頻 多 工

（MIMO-OFDM）技術為核心系統，針對新一代行動通訊系統進行高效能通道編 碼技術之研究。此外，我們研究發現使用電腦搜尋最佳碼的複雜度很高不易實 行，所以我們也提出次佳的通道編碼技術，讓搜尋通道碼的複雜度降低，但效能 仍近似於最佳碼。雖然多重輸入多重輸出-正交分頻多工系統有很多優點，但承 襲了原本正交分頻多工系統上高峰均功率比的缺點，造成功率放大器很容易操作 在非線性區域，使放大後的信號失真，讓整體的效能下降，所以在第一年計畫中，

也針對高峰均功率比之問題提出改善的方法，文獻中已有許多在 SISO-OFDM 系 統下降低峰均功率比的方法[31]-[39]，像是限幅法（Clipping）、區塊碼架構法

（Block Coding Scheme）、選擇性映射（Selected Mapping）等方法，這些方法雖 可以直接擴展到 MIMO-OFDM 系統下使用，不過複雜度會隨天線數變多而增 加，讓系統執行沒有效率；所以，我們的做法是針對多重輸入多重輸出-正交分 頻多工系統下的時空頻三維碼，融合降低峰均功率比技術之概念來做編碼的整合 設計，使重新設計的時空頻三維碼同時擁有低錯誤率、高傳輸率及低峰均功率比 特性，一來系統的複雜度不變，二來執行的速度會較快。

延續第一年計畫所研發之低峰均功率比時、空、頻三維碼，第二年之計畫將 其與低密度位元檢測碼結合，建構出可從空間、時域、頻域抵抗通道錯誤之新式 低密度位元檢測編碼系統，結合的第一步會先以串接方式做為我們研究改進的基 準，接著考慮使用最佳時空頻三維碼的情況下去設計與之搭配可得最佳效能的低 密 度 位 元 檢 測 碼 ， 設 計 的 過 程 是 先 繪 出 時 空 頻 三 維 碼 的 外 部 訊 息 交 換 圖

（Extrinsic Information Transfer Chart, EXIT Chart），然後使用曲線吻合（Curve

（Extrinsic Information Transfer Chart, EXIT Chart），然後使用曲線吻合（Curve