1.1 研究動機
1990 年代，無線通訊開始迅速的發展，也由於現今通訊所需傳輸的資料包 括影像、聲音以及多媒體等，因此更大的頻寬需求是必然的趨勢，如第四代行動 通信(4G)在室內傳輸速率要求為 1Gb/s，室外傳輸速率要求 100Mb/s，是一個相 當高速的無線通訊系統。
多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)無線通訊系統能夠利用發 射端的多根天線各自獨立發送信號，同時在接收端用多根天線接收並恢復原信 息。MIMO 能夠在不需要增加總發送功率耗損(transmit power expenditure）的 情況下大幅地增加系統的資料吞吐量（throughput）及傳送距離，使得此技術於 近幾年受到許多矚目。而 MIMO 的核心概念為利用多根發射天線與多根接收天線 所提供之空間自由度來有效提升無線通訊系統之頻譜效率，以提升傳輸速率並改 善通訊品質。
根據收發兩端天線數量，相對於傳統的的單輸入單輸出系統（Single-Input Single-Output，SISO），MIMO 此類多天線技術尚包含早期所謂的「智慧型天線」
[1]，亦即單輸入多輸出系統（Single-Input Multi-Output，SIMO）和多輸入單 輸出系統（Multiple-Input Single-Output，MISO）。智慧型天線工作型態可大 致區分為兩種類型，第一類型為將智慧型天線系統應用於發射端，根據使用者所 在位置的不同形成特定的波束，使其發射端有方向性的傳送信號；第二種類型為 將智慧型天線系統應用於接收端，使其接收端有方向性的接收信號。上述智慧型 天線系統一般採用較窄的天線間距來實作此波束，一般以發送訊號之一半波長做 為實體的天線間距，以滿足空間上的取樣定理[2]且避免旁瓣輻射（grating
lobes）[3]，亦即空間上的混疊。
然而波束形成技術的缺點乃是在都市的環境中，信號容易朝向建築物或移動 的車輛等目標分散，因而模糊其波束的集中特性。然而此項缺點卻隨著空間多樣 及空間多工的技術在 1990 年代末的發展而突然轉變為優勢，這些方法利用多重 路徑傳遞(multipath propagation）現象來增加資料吞吐量、傳送距離或減少位 元錯誤率。這些型態的系統在選擇實體的天線間距時，通常以大於被發送信號的 波長距離為實作，以確保 MIMO 通道間的低關聯性(correlation)及高多樣階數 (diversity order）。
MIMO 通訊技術包括以下領域：
z 空間多工（spatial multiplexing）：工作在 MIMO 天線系統下，能夠在不增 加頻寬的條件下，相比 SISO 系統成倍地提升信號傳輸速率，因而提高了頻 譜利用率。在發射端，高速率的數據流被分割為多個較低速率的子數據流，
不同的子數據流在不同的發射天線上在相同頻段上發射出去。如果發射端與 接收端的天線陣列之間構成的空間通道足夠不同，即能夠在時域和頻域之外 額外提供空域的維度，使得在不同發射天線上傳送的信號之間能夠相互區 別，因此接收機能夠區分出這些並行的子數據流，而不需付出額外的頻率或 者時間資源。空間復用技術在高訊雜比條件下能夠極大提高通道容量，並且 能夠在發射端無法獲得通道資訊的條件下使用。Foschini 等人提出的「貝 爾實驗室分層空時」（BLAST）是典型的空間復用技術。
z 空間多樣（spatial diversity）：利用發射或接收端的多根天線所提供的多 重傳輸途徑發送相同的資料，以增強資料的傳輸品質。
z 波束形成（beamforming）：藉由多根天線產生一個具有指向性的波束，將能 量集中在欲傳輸的方向上，增加訊號品質並減少對於其他用戶的干擾。
z 預編碼（precoding）:傳送端利用已知的通道矩陣資訊，不同的子數據流可 以藉由不同的傳送和接收權重向量同時獨立傳送於相同的通道中，如同空間 多工的優點，能夠大幅提升信號傳輸速率。
以上 MIMO 相關技術並非相斥，而是可以相互配合應用的，如一個 MIMO 系統 可以同時包含空間多工和多樣的技術。
MIMO 此技術與平坦衰減通道（flat fading channel）兼用時可以達到最佳 的效果，能夠降低接收端通道等化器之複雜度及維持接收端的低功率耗損。而正 交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系統為多子 載波的系統，可將信號分配到不同子載波上，利用分頻多工的概念可以滿足高速 傳輸的需求，且由於每個子載波使佔用的頻帶相當小所以可視為平坦衰減通道，
故能夠有效對抗多重路徑產生的失真與干擾等種種優勢。也因此 MIMO 多半與正 交分頻多工結合為複合技術。MIMO-OFDM 同時為 IEEE 802.16 及 IEEE 802.11n HT 的採用標準之一。WCDMA 的系統，如 HSDPA，亦進行將 MIMO 技術標準化的動作。
然而事實上並非所有的 MIMO 技術都能適用於任何的通道情況，特別是在低 訊雜比且空間通道並沒有提供足夠多樣性(diversity)的條件下，波束形成是唯 一能提供高品質通訊的多天線技術[18]。有別於一般對波束形成的研究所採用的 無相關度瑞雷衰減(uncorrelated Rayleigh fading)通道模型[26]，在實際的戶 外行動通訊中，通道一般會呈現所謂的半相關度(semi-correlated)[29]的特 性。從傳送端的觀點來看，傳送角度有很低的角度擴展(angle spread，AS)性；
然而從接收端的觀點來看，來自於信號遭受到鄰近障礙物所造成的高度反射和散 射的影響，接收角度會呈現很高的角度擴展性。上述的特性造成整個通道並非呈 現對稱關係，這造成傳送和接收端所使用的波束形成技術會有很大的差異性存 在。
本研究主要探討如何將波束形成技術有效應用於正交分頻多工系統中，特別 針對下鏈(downlink)傳輸的通訊模式，也就是信號由基地台傳送至個別用戶端的 情況。分別針對時變和非時變的半相關度通道模型，找出傳輸通道和波束形成之 間的關聯性，進而提出最佳化的波束形成策略和相對應的演算法。
1.2 研究目標
本研究將從對半相關度通道模型的探討為出發點，提出一種以空間特徵結構 為基礎的 MIMO-OFDM 波束形成技術。從空間的特徵結構性分析整個傳輸通道，可 以證明在時變通道的情況下，傳送和接收所使用波束形成可以獨立分離設計且不 會降低系統的整體效能。在發射端採用一種稱為傳送波束形成(transmit beamforming)[18][19][23]的技巧，這種技術類似於預編碼的方式，發射端是利 用已知的通道矩陣資訊做最佳化的波束形成，而唯一的不同處是預編碼為多重子 數據流而傳送波束形成卻為單一數據流的情況。而針對於接收端的波束形成，將 提出一種新的演算法，在頻域(frequency domain)上分別針對干擾的消除和通道 的等化做信號處理。
執行傳送波束形成的技巧必須事先知道整個通道的狀態，所以接收端必須將 所估測到的通道訊息回傳給發射端，然而如此的回授量是相當耗費頻寬資源。為 了避免因回授通道資訊所佔用的通道資源，通常採用一種稱為權重向量編碼設計 (codebook design)[17][20][21]的方式來降低回授資訊量。本篇論文將所提出 的通道空間特徵結構概念應用於權重向量編碼設計上，並且分析因編碼設計上的 差異所產生相對應的效能影響。
所提出的通道空間特徵結構概念，也能應用於多重使用者傳送波束形成的技 術中。不同於大部份的演算法只針對在單一時間槽中做最佳化的探討，本篇論文 將提出結合多重使用者傳送波束形成[24][25]和時間槽排程的觀念，利用所提出 的通道空間徵結構找出最佳化的時間空間使用者排程組合。
1.3 論文架構
本論文分為八章
第一章 : 介紹研究動機和研究目標。
第二章 : 說明智慧型天線的原理及介紹天線陣列信號處理的技巧。
第三章 : 介紹正交分頻多工系統的基本概念。
第四章 : 介紹基礎的傳送和接收波束形成技術。
第五章 : 討論在行動通訊中所使用的通道模型特性。
第六章 : 根據所提出的通道空間特徵結構概念，設計新式波束形成器。
第七章 : 模擬分析、效能和複雜度的比較。
第八章 : 結論與未來展望。