60 GHz高速無線區域網路前瞻性技術研究－子計畫一：60 GHz WLAN 通道特性的量測、數據分析與系統模擬(3/3)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

60 GHz 高速無線區域網路前瞻性技術研究--子計畫一：60

GHz WLAN 通道特性的量測、數據分析與系統模擬(3/3)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型 計 畫 編 號 ： NSC 95-2219-E-002-003- 執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣大學電信工程學研究所 計 畫 主 持 人 ： 李學智 共 同 主 持 人 ： 曹恆偉 計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：黃偉傑 碩士班研究生-兼任助理：林佳宏、白承宗、吳信宏、張理 淵、江尚偉 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 11 月 28 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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60 GHz 高速無線區域網路前瞻性技術研究

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60 GHz WLAN 通道特性的量測、數據分析與系統模擬(子計畫一)

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整合型計畫 計畫編號：NSC 95-2219-E-002-003 執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 計畫主持人：李學智 教授 計畫參與研究生：曾文方、林佳宏、羅勳章、許正乾、白承宗 本成果報告包括以下應繳交之附件： F赴國外出差或研習心得報告一份 F赴大陸地區出差或研習心得報告一份 F出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 F國際合作研究計畫國外研究報告書一份 執行單位：國立台灣大學電信工程學研究所 中 華 民 國 96 年 9 月 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

60 GHz 高速無線區域網路前瞻性技術研究-子計畫一：60 GHz WLAN 通道

特性的量測、數據分析與系統模擬(3/3)

計畫編號: 95-2219-E-002-003

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：李學智 教授

計畫參與人員：曾文方、林佳宏、羅勳章、許正乾、白承宗

一、中文摘要 本年度的計畫，我們提出了改良型的 室內無線通道模型。我們將室內的多路徑 波分解成直接波成份及間接波成份。我們 發現間接波成份的統計特性如多路徑波的 平均功率，功率延遲剖面斜率及多路徑波 的平均到達速率與收發天線所在的位置及 天線間距沒有很大的關係。但直接波的大 小則受收發天線的間距及阻擋情形影響甚 大。然而直接波的成份是可以依據實際的 通 道 情 形 來 加 以 預 測 。 本 報 告 亦 探 討 60GHz 受人體阻擋的損失與天線型式及 阻擋情形的關係。同時探討室內 MIMO 系 統的天線極化特性對通道容量的影響。 （關鍵字：室內電波傳播模型，60GHz 通 道特性，MIMO 通道特性，MIMO 通道容 量，MIMO 極化效應） 二、英文摘要

In the project of this year, we propose an improved modified S-V channel model for indoor wireless environments. The multipaths are divided into the direct path part and the diffused path part. We found that the stastical properties of the diffused portion, such as the mean power, the slopes of the power delay profile, the mean arrival rate of multipath components, are irrelevant to the location and separation of the transmitting and receiving antennas. However, the amplitude of the direct path is

highly dependent on the separation and blockage condition between the transmitting and receiving antennas. However, its value can be easily predicted. In this report we also experimentally study the blockage effect when people are standing between antennas for different types of antennas being used at 60GHz. We have measured the MIMO channel matrices for different polarization combinations and study the effect of antenna polarization on the MIMO channel capacity.

（Keywords: Indoor channel model, 60GHz Channel Characteristics, MIMO Channel capacity, Polarization Effect for MIMO Channels） 三、計畫緣由與目的： 多媒體應用快速的發展，使得無線寬 頻數據傳輸的需求更加迫切。具高速傳輸 能力及高傳輸品質是無線通訊技術發展的 主要目標，要滿足高傳輸速率需使用更大 的頻寬及更高的頻段。 60GHz 的通道特性包括：較大的自由 空間損失，更大的人員阻擋損失，較小的 繞射現象以及更大的穿透損失。對於 15 公分厚的牆壁，穿透損失可以高達 36dB。 因此室內環境 60GHz 的 WLAN，每一房 間需要一個 Access point。由於 cell 小，多 路徑延遲擴散小，若使用方向性天線，可

以再減少延遲擴散，因此傳輸速率可以更 加提高。 60GHz/5GHz/2.4GHz 是 WLAN 應用 最常被使用的頻段。本計畫建立了 60GHz 通道特性的量測系統，亦進行了通道量 測，本計畫將比較不同頻段的通道特性及 受人體阻擋的影響。 充份的多路徑散射現象可以使不同天 線之間的通道效應不相關，因此不同天線 可以傳送不同的訊息，頻譜使用效率也可 以隨之提高，MIMO 系統已被證明是提升 頻譜效率的有效方法，MIMO 系統的通道 容量與天線之間的相關係數以及接收信號 的訊雜比有關。一般的觀念認為不同極化 的天線，其輻射場型及極化特性不同，因 此所產生的多路徑波之間的相關係數較 小，有助於 MIMO 通道容量的提升。然而 不同極化天線由於極化不匹配，會造成接 收功率及訊雜比的降低，這會使得 MIMO 系統的通道容量下降。室內環境 MIMO 系 統到底應使用何種的極化組合，才可獲得 較高的通道容量？本計畫設計了不同極化 組合的 MIMO 系統，實測其通道特性，並 比較所能獲致的通道容量。 四、研究方法與成果 1.室內無線通道模擬，量測及模型參數的 萃取 室內無線通道模型最常被引用的是 S-V(Saleh-Valenzuela)模型[1]，該模型已有 廣泛的討論。本團隊亦提出了改善式的模 型[2,3]。針對該模型，我們分別使用射線 追蹤法來產生特定環境下的通道模擬數 據，以及使用量測的通道數據，來萃取 S-V 模型的參數，並加以比較，我們已提出了 參數萃取的法則[2]。 我們發現在室內的環境，S-V 模型 的參數看似與發射天線及接收天線的間 距及阻擋情形有很大的關係，但是，如 果我們將室內的多路徑波分解成直接波 與其他多路徑波，我們發現，在同一房 間內，其他多路徑波的統計特性，如多 路 徑 波 的 平 均 功 率 ， 功 率 延 遲 剖 面 （power delay profile）的斜率及多路徑 波的平均到逹速率（Mean Arrival Rate） 與天線所在的位置及天線的間距没有很 大的關係，但是直接波的大小則受天線 的間距及阻擋情形況影響甚大，然而直 接波的成份可以依據實際的通道情況， 很容易的預估出來。另外，我們也可以 使用射線追蹤法來模擬不同室內環境， 如不同傢俱擺置，不同 AP 位置，不同 房間大小的多路徑波的統計特性，尋求 數種不同典型室內環境下的 S-V 模型參 數值。利用本計畫所建立的改善型 S-V 模型及所建立的參數值，可以來產生典 型環境的通道數據做為未來各種系統傳 輸效能的模擬基礎。 室 內 環 境 場 強 的 衰 落 模 式 主 要 有 Rayleigh fading 和 Rician fading 如何由窄 頻的空間場強量測值來求得 Rician factor 文獻中已有討論，本計畫則利用寬頻量測 先獲得延遲剖面，從而分解出直接波和間 接波的成份，由直接波成份的功率與間接 波成份的總功率來決定該區域場強衰落分 佈的 K 值（Rician factor）。由此所獲得的 K 值再與文獻方法所得到的結果來加以比 較。比較結果可以參考[4]。 2.天線場型及人體阻隔對 60GHz 傳輸的影 響 人體對 60GHz 的電波會有很大的衰 減。高增益的天線，直接波會被加強，但 其他的多路徑波則會減弱。一般的觀念， 認為高增益天線的直接波被人體阻擋後， 功率會有很大的衰減，這將不利於整體系 統的信號傳輸。為避免因人體阻擋所造成 的系統傳輸損失，宜使用全向性天線。然 而人體阻擋所造成的損失，亦與阻擋的情 況有關。當人體直接擋在天線之前，阻擋

3 角度範圍大，衰減量亦大，人體若是擋在 兩天線的中間，電波可經由繞射通過身體 到達接收天線，因此阻擋損失會減少。我 們使用不同增益的天線，並令人體在收發 天線間不同位置阻擋。天線間距為 5 公 尺，發射天線為全向性天線，接收天線分 別使用全向性天線，20dB 號角型天線及 23dB 號角型天線。人體站在距離傳送端每 隔 0.5 公尺量測寬頻信號（頻寬 1GHz）響 應。依序量 0.5 公尺，1 公尺，1.5 公尺，… 直到 4.5 公尺的阻擋為止。同時量測沒有 阻擋時的頻率響應，以作為計算阻擋損失 的參考值。我們先將寬頻量測信號做傅氏 轉換以得到延遲剖面（delay profile），以 分析出直接波和多路徑波，並比較在不同 阻擋情況下及使用不同增益的接收天線 下，觀察直接波功率及所有路徑波平均功 率受衰減情形，量測結果示於圖 1(a)及 (b)。結果顯示，除了當人體直接阻擋在天 線之前外，在其他的情況下高增益天線都 會有較高的平均接收功率。因此對 60GHz 的室內無傳輸應用，仍宜使用高增益天線 [4]。 3.MIMO 系統的天線極化特性對通道容量 的影響[4,5] MIMO 系統天線間的相關係數值會影 響 MIMO 系統的容量。相關係數值愈大， 通道容量會減小。一般的觀念認為使用不 同的極化天線可以減少天線間的相關性， 因而有助於整個 MIMO 系統通道容量的 提升。然而收發天線使用不同的極化，因 極化的不匹配會使得接收到的功率及信號 雜訊比降低而造成通道容量的降低。 本計畫在發射端及接收端分別使用不 同極化型式的天線，如圖所示，在室內量 測 MIMO 的通道響應矩陣，並據以求出發 射天線間的相關係數矩陣及接收天線間的 相關係數矩陣。同時求出各種極化之間的 接收功率矩陣，以瞭解各種極化配對的功 率接收情況。我們亦從各個位置所量到的 ＭIMO 頻率響應矩陣，去求出各個頻率的 通道容量，並求出不同極化組合所能獲得 的通道容量分佈圖。圖 2 是不同極化組合 所獲得的通道容量分佈圖。 結論： 本年度計畫，我們提出了改良型的室 內無線通道模型，可以用來產生室內無線 通道數據，以進行室內無線通訊傳輸模 擬。我們探討了 60GHz 受人體的阻擋效 應，並比較使用不同天線及不同阻擋狀況 的阻擋損失。我們亦設計了幾種不同極化 組合的 MIMO 系統，並探討了不同極化組 合所能獲致的 MIMO 系統。 參考文獻：

1. A. Saleh, R. Valenzuela, “A statistical Model for Indoor Multipath Propagation”, IEEE Journal on Selected Area in Communications, Vol.5, No.2, Feb, 1987. p.p128-137。 2. 游宗樺：「室內向量寬頻通道模型及其 在 無 線 區 域 網 路 及 多 天 線 系 統 的 應 用」，國立台灣大學電信工程學研究所 碩士論文，2005 年 6 月。 3. 陳柏穎：「多輸入多輸出通道之分析探 討及其在無線通訊領域之應用」，國立 台 灣 大 學 電 信 工 程 學 研 究 所 博 士 論 文，2006 年 7 月。 4. 許正乾：「室內無線通訊通道模式之研 究」，國立台灣大學電信工程學研究所 碩士論文，2007 年 6 月。 5. 羅勳章：「室內環境下極化分集多輸入 多輸出系統之通道模型與量測分析」， 國立台灣大學電信工程學研究所碩士 論文，2007 年 6 月。

(a)

(b)

圖 1、不同增益的接收天線在不同人體阻 隔位置時的接收功率(a)各路徑波的平均 功率，(b)直接波路徑的功率

圖 2、Four antenna configurations which denoted as (a) VVV (b) YYH (c) YVY (d) VHH

(a)

(b)

圖 3、The plots of CDF versus capacities obtained by measurement analysis (solid line), proposed simulation analysis (dotted line) for dissimilar polarization systems in (a) LOS (b) NLOS environment.