行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫三：結合傳送多樣性的正交分頻多工調變系統通道估
測(I)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2213-E-110-049- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學通訊工程研究所 計畫主持人： 李志鵬 計畫參與人員： 周信寬、潘積桂、詹政哲、王鳴立 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 8 月 18 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
結合傳送多樣性的正交分頻多工調變系統通道估測
On the Transmission Diversity of Pilot Signals in OFDM Systems
計畫編號：NSC92-2213-E-110-049 執行期限：92/08/01-93/07/31 主持人：李志鵬 國立中山大學通訊工程研究所 計畫參與人員：周信寬、潘積桂、詹政哲、王鳴立 國立中山大學通訊工程研究所
摘要
本報告針對正交分頻多工調變系統之 通道估測方法進行研究。我們提出一種以正 交分頻多工為基礎調變方式之多載波調變架 構，由於此架構應用了分碼多重接取的技 術，同時在時域上展頻的過程與 MT-CDMA 相似，故我們將此系統稱為「改良式多調-分碼多重接取系統(Modified MT-CDMA)」。 在此改良式多調-分碼多重接取系統之接收 端中，因為結合了領航訊號的傳送多樣性， 所以能大大提升通道估測的準確性。在這份 報告中，除了介紹整體的設計原理與架構 外，也將利用模擬來證明系統效能的提升。 關鍵字: 正交分頻多工、通道估測、多調-分 碼多重接取、LS 估測法、內插法。Abstract
In this report, we propose a modified MT-CDMA system, which can improve channel estimation accuracy by using transmit diversity of pilot signals. We not only expound the principles and structures of the system we proposed, but show the computer simulation results. According to different ways to assign data symbols of transmitted signals, we have two different bit error rate results. At the same transmit power, the simulation results show that when we combine comb-type pilot signals of two parallel channels to estimate channel gains, we can recover the drawbacks of comb-type pilot arrangement, which can not perform well in
frequency selective fading channel.
Keywords: OFDM, Channel estimation, MT-CDMA, LS, Interpolation.
一、 前言
無線通訊系統的演進在近幾年特別迅 速，從第 2 代行動電話 GSM (Global System for Mobile communication)系統的單載波調 變，到第三代行動通訊的展頻技術，甚至再 到下一代多載波調變結合展頻的技術，都是 為了符合用戶的需要而產生，其目的不外乎 想要建立起更可靠、快速的傳輸網路，並能 同時服務更多用戶，提升系統的頻寬使用效 率。從 1993 年開始，三種結合 OFDM [1][2] 及 CDMA 之多重接取系統相繼被提出，包括 由 N. Yee、J-P. Linnartz 和 G. Fettweis [3]，以 及 K. Fazel 和 L. Papke [4]等人提出的“多載 波–分碼多重接取(Multicarrier CDMA, 簡稱 MC-CDMA)＂；V. DaSilva 和 E. S. Sousa [5] 提出的“多載波/直接序列–分碼多重接取 (Multicarrier DS-CDMA, 簡 稱 MC/DS- CDMA)＂；和 L. Vandendorpe [6]提出的“多 調–分碼多重接取(Multitone CDMA, 簡稱 MT-CDMA)＂；以展頻的方法不同，上述三 種系統又可分為兩類：在頻域上展頻的系 統，如：MC-CDMA；和在時域上展頻的系 統 ， 如 ： MC/DS-CDMA 、 MT-CDMA 。 在 OFDM 系統上展頻最主要的好處是接收端較 易做到半同步(quasi-synchronization)[7]，也就 是說通道估測並非這些新應用提出的原因， 但是我們在其中找到了可以提高通道估測準 確性之方法，而本成果報告即依據計畫書之 規劃，針對以正交分頻多工調變為基礎之通
訊系統，完成利用結合傳送多樣性來提高通 道估測準確性之研究。
二、研究方法與成果
我們都知道，加入領航訊號的通道估測 技術能夠使系統效能表現最好，但是由於領 航訊號會浪費掉系統的發射功率和頻寬，同 時也造成訊雜比的損失，因此，我們希望能 設計一個系統，盡量減少不必要的領航訊 號，並且在相同的發射功率和頻寬下，能夠 達到較好的系統效能，本報告所提出之改良 式 多 調 - 分 碼 多 重 接 取 系 統 (multichannel multitone CDMA，簡稱 Modified MT-CDMA) 即能滿足要求。 圖一、Modified MT-CDMA 傳送端方塊圖 圖一為 Modified MT-CDMA 系統傳送端 的示意圖，以通道數等於 2，領航訊號排列 以梳型排列(comb-type)為例，當輸入資料經 第一個串聯至並聯轉換器(S/P)後，會將資料 分別送入每個通道各自的 OFDM 調變系統 中，如圖所示，其中每個通道插置的領航訊 號次載波互不重疊且間隔相同，即通道 2 之 第 i 個領航訊號次載波剛好介於通道 1 之第 i 個和第 個次載波的中間，以此類推；接 著訊號經過反快速傅立葉轉換後，兩個通道 被調變至相同的載波頻率；而為了接收端能 區別，通道各自乘上的展頻碼，在這裡我們 使用的是華氏碼(Walsh code)；最後為了降低 因 為 多 重 路 徑 而 出 現 的 自 我 干 擾 (self-interference)，以及鑑別不同使用者而乘 上 碼 長 遠 大 於 展 頻 碼 的 攪 亂 碼 (scramble code)，此攪亂碼可使用 m-序列或金氏碼 (Gold code)；經波形調整器(pulse shape)後， 把發射功率調整為一個定值(即發射功率不 因通道數增加而增加)，將訊號送出。 1 i+ ……… ……… …… … …… … 圖二、Modified MT-CDMA 接收端方塊圖 接收端的部分，如圖二所示，假設對第 一條路徑的同步有做好，經過匹配濾波器後 之信號變成離散，乘上攪亂碼執行反攪亂 (de-scramble) ， 再 乘 上 展 頻 碼 執 行 反 展 頻 (de-spreading)後，經快速傅立葉轉換由時域 轉回頻域，此時我們將兩個通道的領航訊號 分別取出，先用 LS 估測法求出所有領航訊 號的頻率響應值，再用內插法求得所有次載 波的通道頻率響應值。如圖三所示，與傳統 方法不同的地方在於多了領航符元結合的方 塊，其主要目的在結合兩個(或多個)通道中 的領航訊號，使得領航訊號的密度提高至原 本系統的兩倍(或更高，視同時傳送的通道數 而定)，在總功率維持相同的情形下，這樣的 設計將能有效的改善梳型排列(comb type)易 受頻率選擇性衰減(frequency selective fading) 的缺點；當然，這樣的設計應用於塊型排列 (block type)中，亦會增強其對抗快速衰減 (fast fading)的能力。圖三、Modified MT-CDMA 領航訊號通道估測法 圖四說明使用 Modified MT-CDMA 領航 訊號通道估測法時，整個領航訊號的處理過 程(以 comb-type 為例)。 圖四、使用 Modified MT-CDMA 領航訊號通道估測法 時，領航訊號處理流程圖 圖一的系統中，因為發射端的資料先經 過 S/P 轉換器，所以兩個平行通道內分別傳 送不同的資料符元，即系統之頻寬使用效率 可提升至接近兩倍；以此類推，當平行通道 有H 個時，頻寬使用效率可提升至 H 倍，但 是干擾也會放大H 倍，使得系統效能下降。 若 將 圖 一 中 第 一 個 S/P 轉 換 器 用 複 製 器 (copier)置換，則兩平行通道中之資料符元為 相同，因此在接收端時如果將還原後兩通道 中的資料能量相加，可增加系統判斷的準確 度，使誤碼率下降。 假設相同的頻帶中只有一個使用者，且 其平行通道有H 個，則第 h 個通道中，在第 個次載波上傳送的第i個 BPSK 符元可表 示 為b ， 因 此 發 射 端 第 i 個 符 元 經 過 M-point IFFT 的輸出可以表示為 m , , i h m
( )
(
)
1 1 1 0 0 0 2 H - M - NM -i i,h,m h,n h m n j πm n N M s c S t P H b a e ψ t - iT - nT = = = ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ = ⋅ ⋅∑∑
∑
(1) ⎣ ⎦ (n-nM M) h, ζ n ζ h,n d w a + = + 其中 為第 h 個通道相 對應的展頻碼wh, n- n M M( ⎢⎣ ⎥⎦ )乘上攪亂碼dn ζ+ 的 連續碼；ψ( )
t 代表 chip 的波形，我們假設為 一個方波。另外，通道模型為( )
∑
( )
= = 1 0 L-l l jγ le δ t-τ β t J l 其中 代表第 條路徑，路徑增益 (2) l l βl為瑞雷分 佈(Rayleigh distribution)，τl為通道延遲，γl 為相位偏移。 因此，收到的訊號可以表示成通式如下( )
( )
( ) ( )
( )(
) ( )
0 0 0 1 2 0 l l l i,h,m l h m l NM -j πm n N - M jγ h,n-n l s c J t n t P H b β a e ψ t - τ - iT - nT n t α α = = = ′ + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ′ = + = ⋅ ⋅ +∑
∑ ∑
∑
(3) 其中 1 1 1 i i H - M - L-r t =S t ⊗ l τ Tl c α = ⎢⎣ ⎥⎦ ，且αl′ =τ Tl c。 如圖二所示，接收到的訊號先經過一個 波形同樣為ψ( )
t 之濾波器，在乘上攪亂碼和 通道各自的展頻碼做反攪亂和反展頻的動作 之後，做累加和平均，這時，同時傳送的平 行通道就會被區分出來，最後經過快速傅立 葉轉換後整個訊號完成解調程序，將資料送 入決策單元。由上面的解調過程，我們可以將決策變數(decision variable)表示如下
(
( 1) 1 1 2 k N M -- j πmk M i,h,m h,n - i)
(
)
0 1 1 k n kN s c I e a r t M N + ∞ ⎧⎪ = ⎨ ⋅ ⎪∑
∑
ψ t - iT - nT dt ∞ = ⎩ = ⎫ ⋅ ⎬ ⎭∫
(4) 最後使用模擬來證明系統的可行性，我 們比較單一通道的領航訊號和使用本報告所 的 提 Modified MT-CDMA 系統(利用多個平 行通道來增加領航訊號密度的系統)，在不同 參數下的效能表現。 圖五、Modified MT-CDMA 系統使用一個通道與使用 兩個通道來做通道估測的比較圖 圖六、Modified MT-CDMA 系統使用一個通道與使用 兩個通道來做通道估測的比較圖三、結
在本報告中，一種新穎的 OFDM 結合 良式多調-分碼多 際干擾項，或是藉著不獻
]. S. B. Weinstein and P. M. Ebert, “Data by frequency-division [2]. [3]. [4]. [5].
論與未來工作
CDMA 技術被提出---「改 重接取系統(Modified MT-CDMA)」。我們除 了解釋此系統兩種可行的架構和原理，亦於 模擬時證明了此系統確實能夠改善梳型領航 訊號排列在傳統多載波調變下，易受頻率選 擇性衰減的缺點。 在未來的研究上，應該將重點擺在如何 消去平行通道間的碼 同的通道估測法提升通道估測的準確性。由 於會影響 Modified MT-CDMA 系統效能的主 要原因為通道間碼與碼的干擾，而這樣的情 形剛好和多用戶干擾(multi-user interference) 的狀況相似，再加上另一個平行通道的展頻 碼為已知，因此若在 Modified MT-CDMA 系 統接收端加上多用戶干擾消除的機制應當能 進一步降低誤碼率；另外，若在接收端使用 耙狀接收器(RAKE receiver)也應該可以有效 的提高系統效能，這些都是未來可以繼續探 討的問題。四、參考文
[1 transmissionmultiplexing using the discrete Fourier transform,” IEEE Trans. Commun.
Technol., vol. 19, pp. 628-634, Oct. 1971.
L. J. Cimini, Jr., “Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal frequency division multiplexing,” IEEE Trans. Commun., vol. COM-33, pp. 665-675, July 1985.
N. Yee, J-P. Linnartz and G. Fettweis, “Multicarrier CDMA in Indoor Wireless Radio Networks,” Proc. of IEEE
PIMRC ’93, Yokohama, Japan, Sept. 1993,
pp. 109-113.
K. Fazel and L. Papke, “On the Performance of Convolutionally-Coded CDMA/OFDM for Mobile Communication System,” Proc. of IEEE
PIMRC ’93, Yokohama, Japan, Sept. 1993,
pp. 468-472.
V.M. DaSilva and E. S. Sousa, “Performance of Orthogonal CDMA Codes for Quasi-Synchronous Communication Systems,” Proc. of IEEE
ICUPC ’93, Ottawa, Canada, Oct. 1993,
[6]. MA System in an Indoor EE d [7]. of IEEE Commun.
L. Vandenforpe, “Multitone Direct Sequence CD
Wireless Environment,” Proc. of IE
First Symposium of Communications an Vehicular Technology in the Benelux,
Delft, The Netherlands, Oct. 1993, pp. 4.1.1-4.1.8.
S. Hara and R. Prasad, “Overview multicarrier CDMA,”
Mag., vol. 35, no. 12, pp. 126-144, Dec.
