通道訊號強度

無線系統中有許多因素會影響訊號的接收，由於環境中存在多種不同無線通 道的效應，使得訊號在傳送過程中會遭受到不同程度和不同型態的衰減。基本上 無線通道的效應可以根據環境因素而分成三種不同的衰減：路徑損失 (Path loss)、

遮蔽衰減 (Shadow fading)和多重路徑衰減 (Multi-path Fading)，下陎的章節中將 分別詳細說明這些通道效應。

圖 2- 3、無線傳播環境示意圖(參閱自行政院國家科學委員會專題研究計畫-編號：

NSC92-2219-E-009-024-主持人-張仲儒 2004)

2.3.1 路徑損失

路徑損失是用來表示訊號在自由空間傳播時，因傳輸距離增加而導致訊號強 度的衰減。基地台至 UE 之間的傳播路徑損失(1)(2)[12]：

(𝑡) ( ) ( ) ( ) ( ( )) ( (𝑡)) ( )

( ) ( ( ) ) ( ( ) ) ( )

f 表示傳輸的頻率(MHz)， 表示基地台的高度(meter)， 表示行動端的高度 (meter)， ( )表示行動天線相關係數， (𝑡)表示基地台與 user 之距離，單位為 公里(km)。接收訊號的強度會隨著傳播距離的增加而衰減，而傳播路徑損失會依 距離增加而增加。 (𝑡)代表第 i 個用戶在時間 t 時的路徑遺失(dB)，路徑損失 (path loss)只考慮距離的關係，但卻沒有考慮到傳輸半徑中雖然距離相同但因為周 遭的環境不同也會影響接收到的訊號強度。

圖 2- 4、路徑損失示意圖(參閱自無線多媒體通訊無線傳輸技術 http://csie.ntut.edu.tw/~labaspl/edu/Wireless_Trans_Tech.pdf)

2.3.2 遮蔽衰減

圖 2- 5、遮蔽效應示意圖(參閱自無線多媒體通訊無線傳輸技術 http://csie.ntut.edu.tw/~labaspl/edu/Wireless_Trans_Tech.pdf)

2.3.3 多重路徑衰減

由於通訊系統的快速發展，訊號從有線傳輸發展到無線傳輸，這使得原本在 有線傳輸通道上的訊號失真問題運用到無線傳輸上會變得更嚴重，以無線通道來 說，除了雜訊還有通道衰減造成訊號上的失真，或是其他因素例如干擾。在無線 的通道環境中，電波的傳遞因為建築物等障礙物的阻礙使得訊號反射、繞射、散 射的情況發生，而形成多重路徑(multi-path)傳播導致訊號的交錯重疊，間接造成 符元間干擾。此時每一條路徑上的訊號會產生振幅及相位上的變化，這些路徑在 接收端加總時，會造成在接收端對原始訊號的破壞，因此在接收端收到的訊號會 有失真現象。如圖 2-6 所示。

圖 2- 6、多重路徑衰減示意圖(參閱自

http://wshnt.kuas.edu.tw/network/s9/Multipath-Mitigation.htm) 多重路徑衰減是屬於小範圍衰減，主要是因發射機、接收機或環境在移動改變時 而產生，以短時間快速的方式，使得信號的振幅和相位產生變動而發生信號失真 現象。一般在室外都市地區約呈現 20~30 dB 的帄均訊號衰減，其影響性相較於 大範圍衰減則甚為明顯，此外由於在蜂巢式行動通訊系統常可透過細胞配置以及 傳輸功率控制有效的降低大範圍衰減的影響，因此多重路徑衰減則成為通道衰減 特性中最被重視的衰減因素。多重路徑衰減主要在描述電波信號在一個較短的傳 輸距離或信號週期時間的情況下，由於周圍環境物體的阻擋、接收端天線或是周 遭物體的移動等因素，所形成的反射、折射以及散射現象，促使接收端天線接收 到來自不同方向且不同延遲時間的多重傳輸電波，這些傳輸電波彼此間互相干擾，

使得合成的接收信號呈現快速的衰減變化。一般來說多重路徑衰減對傳輸信號所 造成的影響，主要可細分成時間延遲擴散、都卜勒偏移二個衰減因素。我們參考 瑞利分布(Rayleigh distribution)[18]來計算多重路徑增益，假設在任何時間即時的 多重路徑衰減增益會隨著 RB 不同而有所改變而路徑損失增益和遮蔽效應增益在 每個 RB 都是固定的。

2.4 AMC(Adaptive Modulation and Coding)介紹

AMC 技術在 LTE 和 WIMAX 中扮演重要的角色。簡單來說，由於 WIMAX 和 LTE 實體層與採用的是 OFDM 技術，資料分別在不同的子通道帄行傳輸，

為了讓系統得到最佳化或有效率，根據不同的通道特性或環境，依照通道條件來 判斷將要採用的調變技術與編碼技術，以達到最大的資料傳輸率。WIMAX 支援 不同的編碼技術與調變技術，由此可知，為了使得系統更有彈性選擇適合的調變 技術或是編碼技術，不管是上傳或是下載，都可以通道條件作判斷，再適當選擇 系統支援的技術作傳輸。此外在接收端經過通道估測後，大致上可以知道通道的 好與壞。參考圖 2-8[24]，利用此假定設計之模型，我們可依照計算後的通道數值，

選擇已經設定好的調變階層與編碼技術，如：SINR = 2 時，系統建議使用的調變 技術為 QPSK，而編碼建議使用迴旋碼，其碼率(code rate)為 1/2。在本論文中，

我們假設通道狀態資訊 CSI(Channel State Information)為已知，也就是可以知道每 個子通道上的頻率響應。我們提出基於子通道的調適性混合調變與編碼之演算法，

為每一個子通道更精確的判斷適合的調變階層，使得整個系統在每個符元時間有 更高的資料傳輸率。

圖 2-7、吞吐量(Throughput)與訊號對干擾及雜訊的能量比(SINR)(假設此方式對 於每一個 SINR 有最好的調變與編碼配置)(參閱自文獻[24])

而本論文研究在正交分頻多工系統的調適性調變與編碼即是參考這兩項標 準規範的概念，不論是通道編碼的技術或者是資料調變方式的採用都與兩標準相 同。在本論文中，我們使用的資料調變技術為 QPSK、16QAM 64QAM。只採用 這三種調變的主要原因是，在 3GPP 以及 WIMAX 的通訊標準規格下，在下行 方向 (downlink direction)，兩標準都只採用這三種調變方式。為了可以將我們提 出的方法應用到兩標準規格中，於是在調變的選定上，就以這三種調變為基準。

其星座圖分別表示為圖 2-8、圖 2-9 與圖 2-10，經過編碼的位元使用格雷碼 (Gray code)編排方式的星座圖作符元的映射，此編排方式目的在於避免接收端收 到訊號 後， 因訊 號 受到干 擾造 成解調 時誤判 為鄰 近的符 元。其 中指 示因子 (indicated factor) c 是將星座圖上的符元作能量上的正規化(normalized)，使得每一 個符元的帄均能量為 1。

2.4.1 調變介紹

相位偏移調變，又稱相位移鍵（PSK，Phase Shift Keying）是一種利用相位 差異的訊號來傳送資料的調變方式。該傳送訊號必頇為正交訊號，其基底更頇為 單位化訊號。PSK 又可稱 M-PSK 或 MPSK，目前有 BPSK、QPSK、16PSK、64PSK 等等，常用的只有 QPSK。而 M 是代表傳送訊號的符號（symbol）種類。符號越 多，傳送的位元數越多，自然在固定時間可傳送越多的資料量（bps）。假設各 MPSK 皆在同一能量下傳送，PSK 會因為符號種類（M）的提昇使位元錯誤率（Bits Error Rate，BER）快速上升。所以在符號數 M 大於 16 後都由 QAM 來執行調變 工作。QPSK 如果用格雷碼對映的方式，其 BER 會和 BPSK 一樣。所以目前常用 的只有 QPSK。

BPSK 是 PSK 系列中最簡單的一種。它是使用兩個相位差 180°且正交的訊號

表示 0 及 1 的資料。它在座標圖放置的點並無特別設計，兩點皆放在實數軸，分 別在 0°的點及 180°的點。這種系統是在 PSK 系列中抗雜訊能力（SNR）是最佳 的，在傳送過程中即使嚴重失真，在解調時仍可盡量避免錯誤的判斷。然而，由 於只能調變 1 bit 至 symbol 上，所以不適合用在高頻寬資料傳送需求的系統上。

圖 2- 8、BPSK 格雷碼編碼的星狀圖(參閱自維基百科 http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-shift_keying)

QPSK，有時也稱作四位元 PSK、四相位 PSK、4-PSK，在座標圖上看是圓 上四個對稱的點。通過四個相位，QPSK 可以編碼 2 位元符號。圖中採用格雷碼 來達到最小位元錯誤率（BER）是 BPSK 的兩倍. 這意味著可以在 BPSK 系統帶 寬不變的情況下增大一倍數據傳送速率或者在 BPSK 數據傳送速率不變的情況下 將所需帶寬減半。

圖 2- 9、QPSK 格雷碼編碼的星狀圖(參閱自維基百科 http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-shift_keying)

2.4.3 正交振幅調變

訊量就越大。但是，如果在星座圖的帄均能量保持不變的情況下增加星座點，會 使星座點之間的距離變小，進而導致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低 階要差。

圖 2- 10、16QAM 格雷碼編碼的星狀圖(參閱自維基百科 http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-shift_keying)

與其他調變技術相比，QAM 編碼具有能充分利用頻寬、抗雜訊能力強等優 點。但 QAM 調變技術用於 ADSL 的主要問題是如何適應不同電話線路之間較大 的性能差異。要取得較為理想的工作特性，QAM 接收器需要一個和發送端具有 相同的頻譜和相應特性的輸入訊號用於解碼，QAM 接收器利用自適應均衡器來 補償傳輸過程中訊號產生的失真，因此採用 QAM 的 ADSL 系統的複雜性來自於 它的自適應均衡器。當對數據傳輸速率的要求高過 8-PSK 能提供的上限時，一般 採用 QAM 的調變方式。因為 QAM 的星座點比 PSK 的星座點更分散，星座點之 間的距離因此更大，所以能提供更好的傳輸性能。但是 QAM 星座點的振幅不是 完全相同的，所以它的解調器需要能同時正確檢測相位和振幅，不像 PSK 解調只 需要檢測相位，這增加了 QAM 解調器的複雜性。

2.5 訊框格式

LTE 系統同時定義了分頻雙工(Frequency Division Duplexing, FDD)以及分時

雙工(Time Division Duplexing, TDD)兩種不同的傳輸方式，下行鏈路傳輸架構是 以傳統式的 OFDM 為基礎，上行鏈路則採用 SC-FDMA 技術。FDD 是在兩個對 稱頻率通道上進行傳送與接收，通道間用保護頻段(Guard Band)分隔。FDD 必頇 採用成對的頻率，並依頻率來區分上下行鏈路，其單向的資源在時間上是連續的；

TDD 是用時間來作為傳送與接收通道的分隔，其單向的資源在時間上是不連續的，

時間資源在兩個方向隨著不同的結構(Configuration)設定而進行不同的分配。

圖 2-11、訊框架構(參閱自 An Introduction of 3GPP Long Term Evolution-ppt Speaker: Tsung-Yin Lee)

以 FDD-LTE 為例，LTE 規格定義最小的單位為資源單位(Resource Element, RE)，

而資料傳輸的最基本單位為一對資源區塊(Resource Block, RB)。在 LTE FDD 下 行鏈路的系統架構中，一個訊框(Frame)是由十個子訊框(sub frame)組成的，一個 子訊框包含兩個時槽(Slot)，而依循環前綴(CP)的長短不同分別定義為長循環前綴 (Extended CP)及標準循環前綴(Normal CP)，一個時槽分別由六個 OFDM 符元 (Symbol)與七個 OFDM 符元組成。

而資料傳輸的最基本單位為一對資源區塊(Resource Block, RB)。在 LTE FDD 下 行鏈路的系統架構中，一個訊框(Frame)是由十個子訊框(sub frame)組成的，一個 子訊框包含兩個時槽(Slot)，而依循環前綴(CP)的長短不同分別定義為長循環前綴 (Extended CP)及標準循環前綴(Normal CP)，一個時槽分別由六個 OFDM 符元 (Symbol)與七個 OFDM 符元組成。