OFDM 技術已經為歐洲應用於無線區域網路(WLAN)、高清晰度數位電視 (HDTV)和數位音頻廣播(DAB)等。此外，因為其具備較高的頻譜使用效率和良 好的抗多路徑干擾能力，亦被視為下一世代行動通訊的核心技術之一。
在本章中，首先將介紹 OFDM 技術的相關傳輸基本原理，包含多載波調變 原理、快速傅立葉轉換的實現和 OFDM 傳送技術中特有的循環前置碼特性。接 著，將對本論文所提出之正交分頻多工結合時域分碼多重接取(OFDM/CDMA) 系統的實體層參數做詳盡的設計原理介紹。
2-1 OFDM 技術傳輸原理
OFDM 技術可視為一種調變技術，亦可看成為一種多工技術。多載波調變 的主要觀念是將欲傳送的高速率資料串列(High Speed Data Stream)分散在 N 個彼 此正交(Orthogonal)的子載波(Sub-Carrier)，且作平行(Parallel)傳送，如圖 2.1 所 示。當N 個低速率資料串列傳送時，個別資料串列之符元間距(Symbol Duration) 將變大為 N 倍，在頻域中等效意義為子載波信號頻寬變小，多載波調變可容忍 多路徑衰落通道較小之同調頻寬(Coherence Bandwidth)，因此對於多路徑延遲擴 散(Multi-path Delay Spread)在時域所造成之訊號強度衰落效應容忍度亦隨之提 高。
1a 4b
Subcarrier 4
4b
3b 4a
2b
圖 2.1 單載波與多載波平行傳送技術
傳統的頻率多工系統(Frequency Division Multiplexing, FDM)中，將全部頻帶 切割為 N 個不重疊的載波，避免載波間產生干擾，卻造成了頻譜使用上的效率 低落問題。倘若將各載波間距作適當之調整，以維持載波彼此間之正交性。即使 互相有所重疊，仍不會產生子載波干擾(Inter-Carrier Interference, ICI)。理論上，
當子載波數趨近於無窮大時，使用子載波頻譜重疊的頻譜效益為傳統方式的二倍 [8]。
Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 Ch9 Ch10
Ch1 Ch2 ………… Ch10
Saving of Bandwidth
OFDM 訊號由子載波上之相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)或正交振幅調 變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 符元所構成。假設d 表示為複數的訊i 號符元，N 為子載波的數目，T 為符元區間及s f 為載波頻率，則 OFDM 訊號之c
( ) ( )
(Nyquist Sampling Theorem)，即取樣頻率必須大於兩倍信號頻寬。意即為真正可 用於載送訊號之子載波數目為 2k+1須小於設計之OFDM 系統子載波數目N ，s 則可避免系統之頻譜產生頻疊效應(Aliasing Effect)[9]隨著子載波個數N 增加，OFDM 訊號頻譜旁波瓣(Sidelobe)無超出二分之一s 取樣頻率的現象，但是唯有N 趨近無窮大時，頻寬才會等於 0.5 而不產生頻疊現s 象。然而實際系統並無法使用無限多的子載波傳送，因此系統設計時欲用於載送 信號之子載波個數必須小於N 以避免頻疊現象的產生。而這些未使用於載送信s 號的子載波稱為虛擬載波(Virtual Carriers)。
OFDM 傳輸技術之所以能成為未來通訊的核心技術之一是由於它具有高度 對抗多路徑延遲擴散效應的能力。高速率資料串列分散為N 個低速率資料串s 列，在彼此正交的子載波上作平行傳送，故個別資料串列之符元間距隨之變大為 原來的N 倍，使得傳輸延遲擴散相對上遠小於符元間距，可以減少傳輸延遲擴s 散造成不同OFDM 區塊間的碼際干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)。在 OFDM 系統中，於每一個OFDM 區塊中加入保護區間(Guard Interval, GI)或稱為循環前 置碼(Cyclic Prefix)。保護區間長度的選擇，必須大於預期的最大傳輸延遲擴散，
使得前一個OFDM 符元的傳輸延遲擴散部分，不會干擾到後一個 OFDM 符元。
雖然保護區間不傳送任何訊號，可以避免相鄰的 OFDM 符元干擾，但將會產生 載波間干擾(Inter-Carrier Interference, ICI)問題，使得子載波間不再具有正交性，
如圖2.3 所示。
圖 2.3 子載波干擾效應
因此，為了消除子載波干擾效應，於保護區間內置入 OFDM 區塊之部分複 製循環展延訊號，如圖2.4 所示。
OFDM Symbol Interval
Guard Time FFT Interval
Duplicate
圖 2.4 循環前置碼產生方式
圖2.5 所示，以三個子載波受二個路徑延遲傳輸為例。實線部分為未受延遲 效應影響，虛線則為被延遲的訊號。觀察三個OFDM 區塊，經 BPSK 調變後的
OFDM 訊號，在區塊交界處會出現 180 度的相位跳躍(Phase Jump)。在此例中，
多路徑傳輸延遲小於保護區間，使得保護區間內的信號出現相位偏轉的變化，但 在完整的 FFT 區間中不會有相位偏差的改變，因此不影響在接收端所觀察完整 FFT 區間之子載波正交特性，得以正確的解調變。反之，若多路徑傳輸延遲大於 保護區間，則會破壞載波間的正交性，造成錯誤的解調變。
圖 2.5 OFDM 信號多路徑傳輸效應
保護區間的長度N 取決於系統所處之多路徑衰減通道環境的延遲擴散，一g 般設計為通道均方根延遲擴散的四～五倍。然而因為循環前置碼的置入，造成所 傳送之 OFDM 信號損失(
(
Ng /Ng +Ns)
的傳輸功率，因為 FFT 區間長度設計通 常選擇為使得傳輸功率損耗小於1dB 之長度[2-1-1]。2-2 OFDM/CDMA 系統介紹
目前並無已商業運轉的行動通訊規格採用OFDM-CDMA 技術，因此本系統 的 設 計 選 擇 由 論 文 中 尋 找 可 供 參 考 的 資 料[10][11][12][13] ， 衍 生 設 計 出 之 OFDM/CDMA 系統。參考之系統採用 OFDM 技術為基礎，提供高資料傳輸速率 的能力，並能支援使用者之移動行為，符合下一世代行動通訊系統之特性，因此 我們據此設計一相關研究平台。
在 本 系 統 平 台 之 實 體 層 為 正 交 分 頻 多 工 結 合 時 域 上 分 碼 多 重 接 取 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing / Code Division Multiple Access)當作
系統設計之技術基礎。採用 1024 點的快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)，下傳資料採用 OFDM / Time Domain-CDMA，上傳資料則採用第三代行動 通訊系統UMTS(Universal Mobile Telecommunication Services)的制定的規格[14]。
在此，先對本研究平台模擬的範圍和參數，做個介紹：
1. 模擬的系統：OFDM/CDMA，採用分頻多工(Frequency-Duplex Division, FDD)，只模擬下傳通道(Downlink)。
2. 蜂巢(Cellular)結構，重復使用係數(Reuse Factor)為 1。
3. 無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)相關研究。
4. 由表 2.1 看出，採取的頻帶間格(Frequency Spacing)為 80 KHz ，保護區間為 1/5 倍的 OFDM 信號長度，因此，一個細胞所佔的總頻寬約為 8 MHz 。系統 之下傳子載波共1024 個，真正會使用到的子載波是 768 個，不會使用到的 子載波左右各為128 個，作虛擬載波之用。
System Parameter Value N ：Number of subcarriers, total ST 1024 NSD：Number of data subcarriers 768
∆F：Subcarrier frequency spacing 80 KHz
TFFT：IFFT/FFT period 12.5 s
µ
(1/∆F) T ：Guard Interval period GI 3.125 sµ
TOFDM：Symbol interval 15.625 s
µ
(TFFT +TGI) 表 2.1 碼框架構相關時間參數5. 本模擬平台參考 UMTS 所規範之使用者移動模型[15]。採用的載波中心頻率 (Carrier Frequency)為 2GHz，定義同調時間(Coherence Time)為通道自相關 係數值(Autucorrelation)大於 98%的時間間隔。根據 Stuber 著作[16]的理論 並加以模擬得圖 2.6。此時同調時間與最大都卜勒偏移(Maximum Doppler Shift)的關係為∆ =tc 0.28 / fd，換算出不同使用者之移動速度環境下所能使用 之最大時域展頻係數(Time-domain Spreading Factor)得出移動速度模型相關 參數表2.2。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -1
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time Delay
Autocorrelation
Jo(x) is the zero-order Bessel function of the first kind
圖 2.6 通道自相關係數值與時間延遲關係圖
表 2.2 移動速度模型相關參數 Mobility Model Indoor Pedestria
n
Vehicular Vehicular
v：velocity (km hr/ ) 3 30 120 250 f ：Max. Doppler Shift ( Hz ) d 5.56 55.56 222.22 462.96
tc
∆ ：Coherence Time (ms) 50.4 5.04 1.26 0.605
,max
Gt ： Max. Available Tme-domain Spreading Factor
>>256 256 64 32
6. 由表 2.3 可知，在本系統的架構下，可用之相關參數較諸以往的已存之系統 為多，故資料傳輸速率的種類相對具多樣性，完全與當時使用者的需求，和 系統資源的分配習習相關。當時系統仍有可使用功率資源的前提下，使用者 的資料傳輸速率由選定的實體層參數組合†－調變機制(Modulation Scheme,
M )、編碼速率(Coding Rate, C)、時域展頻係數(Time-Domain Spreading Factor, SF )及子載波個數(Number of Sub-carrier, t N )－透過(2.4)式共同決 定以滿足使用者對於服務品質(Quality of Service, QoS)的要求。
M ：Modulation Scheme BPSK OFDM ( M =1) QPSK OFDM ( M =2) 16-QAM OFDM ( M =4) 64-QAM OFDM ( M =6)
Error Correcting Code K =7(64 states) convolutional code C：Coding Rate 1/2, 3/4
SF ：Spreading Fator t 1、2、4、8、16、32、64、128、256 N：Number of subcarriers 768
TOFDM：OFDM symbol duration 15.625 s
µ
T ：Guard Interval GI 3.125 sµ
BW：Occupied Bandwidth 81.92 MHz表 2.3 OFDM/CDMA 系統實體層主要參數
當使用者的參數組合選擇調變機制為 1，編碼速率為 1/2，時域展頻係數為 256，且選擇子載波個數為 1，將其傳輸速率定義為基本單位資料傳輸速率(Basic Unit Data Rate, RBU)等於 0.125 Kbps 。 資源重新分配。在本系統平台中，同時模擬即時性服務(Real-Time Service, RTS)，
如語音服務等，和非即時性服務(Non-Real Time Service, NRT)，如數據傳輸等。
使用者所需要的功率資源除了依據通道狀況有所增減，更因不同形式的服務而有 差異，在每一次資源重新分配時間內，即時性服務將比非即時性服務優先被分配 資源，換句話說，等到即時性服務全部被分配後，若系統資源仍有剩餘，才進行 非即時性服務的分配。但不論何種服務，在每一次資源重新分配時間內均可完全 掌握住被分配到的資源，直到下一次的資源重新分配程序，如圖2.7：
T ime ( OFDM symbol period) Power Resource
(unit)
Use r 1
32
Resource reallocation period
Use r 2
64 96 128 160 192 224 256
圖 2.7 資源重分配週期示意圖
許多學者專家已經開始針對下一世代行動通訊的系統技術進行研究，目前的 研究方向大致可以分成兩個方向，第一種是研究新的傳輸技術，目得是要能提供 高傳輸速率、高移動能力與低功率的系統；另一個研究方向是多系統的整合技 術，其目的是希望能提供隨時隨地上網且高傳輸速率的服務，如蜂巢式網路(如 GSM, GPRS, 3G)與無線區域網路(如 IEEE 802.11 Wireless LAN)的技術整合。在 第一種方向來說，許多學者認為：因為3G 之將引進全新的無線介面，以大幅突 破現有UMTS 384 Kbps 的速率，可能達到數十至上百 Mbps ，以提供更高頻寬之 即時多媒體服務，預期它不僅將採用如 OFDM 之新一代調變技術，勢必也將要 使用全新的頻譜。
3G 之後的系統包含了眾多可能性，但我們針對 OFDM 為基礎的系統，先對 3G 之後的系統伸入觸角，為此類系統做初步規劃與介紹，可以先提供 3G 之後 系統規劃一個初步藍圖和建議，且藉由此規劃可以在配合第七章做無線資源管理 的演算法，做各項不同演算法之研究，看出各項系統的參數彼此牽連的關係，與 此系統之可行性，和是否有更好的演算法與參數的設定，這同時是本篇論文的期 望，能對3G 之後的系統做個釐清與介紹，讓更多的研究能藉由此平台，使系統 更完整與周詳。