60 GHz 高速無線區域網路前瞻性技術研究(總計畫)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

總計畫(1/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC93-2219-E-002-012-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 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： 蘇炫榮，闕志達

報告類型： 完整報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 5 月 31 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(總計畫)

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計畫類別：c個別型計畫

R

整合型計畫

計畫編號：NSC 92-2219-E-002-012

執行期間：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日

計畫主持人：李學智 教授

協同主持人：闕志達 教授

協同主持人：蘇炫榮 教授

本成果報告包括以下應繳交之附件：

c赴國外出差或研習心得報告一份

c赴大陸地區出差或研習心得報告一份

c出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

c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 94 年 5 月 日

1

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(總計畫)

計畫編號: NSC 93-2219-E-002-012

執行期限: 93 年 8 月 1 日 至 96 年 7 月 31 日

主持人:李學智 教授 國立台灣大學電信工程學研究所

協同主持人:闕志達 教授 國立台灣大學電子工程學研究所

協同主持人:蘇炫榮 教授 國立台灣大學電信工程學研究所

一、中文摘要

無線區域網路因其所在頻段無需使用執照，且 較行動通訊成本低、傳輸率高的優勢，於近二年來 蓬勃發展。然而隨著無線多媒體影音及遊戲等應用 的風行，無線區域網路所使用的 2.4 GHz 及 5 GHz 頻段已逐漸有擁塞、不敷使用的現象。追根究底， 其原因除了現有頻段不夠容納高品質的多媒體需 求外，介質存取控制協定效率低也是主要原因之 一。本計畫研究在具有極大可用頻寬的 60 GHz 頻 段設置無線區域網路的可行性，並設計及製作可用 於此頻段的無線收發機。60 GHz 頻段的波長短、 極有利於多天線的設置，因此使用多輸入多輸出天 線來倍增傳輸率也是本計畫的重點。整體而言，一 個無線區域網路的效能取決於其所使用的通道環 境、實體層的演算法、收發機及天線的製作、以及 介質存取控制協定的效率，本計畫藉由下列三個子 計畫同時考慮這些因素，以完成一個初步但完整的 寬頻無線區域網路設計。 子計畫一：60 GHz WLAN 通道特性的量測、數據 分析與系統模擬(李學智教授主持) 子計畫二：高速多天線分頻正交多工通信基頻收發 機之設計與製作(闕志達教授主持) 子計畫三：高速多天線分頻正交多工無線區域網路 的整合介質存取控制及實體層設計(蘇 炫榮教授主持) 本年度為本總計畫執行之第一年度，本篇報告 將總結各個子計畫在本年度之研究成果。 (關鍵字：無線區域網路、60 GHz、正交分頻多工 調變、多輸入多輸出通道、收發機、智慧型天線、 多重性、介質存取控制)

二、英文摘要

Wireless LAN has enjoyed a growing popularity in the past two years due to its unlicensed, low-cost and high-rate nature compared to cellular networks.

This success has triggered a change in the end-user demand toward high quality, rate-hungry multimedia applications such as wireless high definition digital videos and games. As a result, the current 2.4 GHz and 5 GHz wireless LAN bands are becoming inadequate to fulfill the demand, partly due to insufficient bandwidth, but also due to the inefficient MAC protocols that are being used in the current wireless LAN. In view of this, in this group project, we investigate the possibility of deploying wireless LANs with wideband transmission in the 60 GHz band where ample unlicensed bandwidth is available. In addition, as the short wavelength at 60 GHz implies both compact multiple-antenna deployment and high spatial diversity within a small area, we also consider MIMO transmission techniques as a wireless LAN depends on the characteristics of the channel it is being applied to, the physical layer transceiver design, antenna design, and the MAC protocols. As such, this group project relies on the following three projects to cover all these performance-defining factors, in order to gain preliminary but comprehensive insights into the design of a wideband wireless LAN.

Subproject 1: WLAN Channel Characteristics

Measurement, Analysis, and Simulation at 60GHz

Subproject 2: High Speed Baseband Multi-Antenna OFDM Transceiver Design and Implementation

Subproject 3: Integrated MAC and Physical Layer Design for a High Speed Multi-Antenna OFDM WLAN

This is the first year of the group project, and this report summarizes the research outcomes of each subproject in this year.

Transceiver, Smart Antenna, Diversity, MAC)

三、計畫緣由與目的

隨著網際網路(Internet)的興起，以及各種影音 資訊的數位化，網路通訊蓬勃發展，已經到了近乎 無所不在的境界。近年來，更由於半導體技術突飛 猛進，許多通訊電子產品日趨輕薄短小，通訊發展 也逐漸實現人類幾十年來的夢想 － 能隨時隨地 取得所需資訊、並隨心所欲與人聯繫。 此一隨心所欲上網、資訊多媒體化、以及家用 電器無線化的趨勢徹底改變了人們的生活形態以 及通訊的習慣，對於無線、高品質多媒體資訊及娛 樂 的 需 求 正 迅 速 成 長 。 因 此 雖 說 目 前 的 IEEE 802.11a 和 g 的最高傳輸率是 54Mbps，對於一些逐 漸風行、需要高速率及高服務品質的應用 ，例如 Wireless LAN bridge，無線網路遊戲，無線虛擬實 境，無線高畫質攝錄機，高品質視訊會議… … 等 等，均無法充分滿足需求。此外，另有一些同樣強 調 電 器 及 資 訊 配 備 無 線 化 的 網 路 ， 例 如 ： IEEE 802.15 標準中所謂的個人區域網路(personal area network, PAN)，也是使用與 802.11 系統的 2.4GHz 與 5GHz 重複的頻帶，因此頻帶內甚為擁擠且頻寬 不足以應付未來的需求。一般認為有必要開發更大 的頻寬以應付高速無線網路普及化的趨勢。 使用更大的頻寬以及更高的頻段來做無線數 據傳輸，已有多種方式被提出。例如 HIPER LINK 規劃使用 17GHz 的頻段，幾百 MHz 的頻寬來提供 室內定點 155Mbps 的無線傳輸。歐 洲 Advanced Communications Technologies and Services (ACTS) 的幾個不同的計畫，分別提出使用 19GHz，40GHz 及 60GHz 來做 70, 2 64 及 150Mbps 的傳輸。日本 的 Multimedia Mobile Access Communication (MMAC)委員會則在研究使用 40GHz 及 60 GHz 來 做室內無線網路 156 Mbps 傳輸的可能性。至於 60 GHz 的頻段，美國 FCC 已保留 59~64 GHz 的頻段； 無需申請執照即可使用，限制為等效全向輻射功率 (EIRP)要小於 10W。在日本則釋出 59~66 GHz 的頻 段，其限制為饋入到天線端的功率要小於 10dBm， 天 線 增 益 要 小 於 47dBi。 在 歐 洲 則 釋 出 62~63 GHz，65~66 GHz 給行動寬頻系統使用，同時亦提 供 59~62 GHz 給無線區域網路使用。有鑑於 60 GHz 頻段的全球通行性，本計畫將把重點放在此一頻段 的使用。 60 GHz 的通道特性已有不少的研究，其重要 特性包括：因波長短而有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，更大的穿透 損失，例如玻璃的穿透損失可達 3~7dB，15 公分厚 的牆壁穿透損失達 36dB，門窗、木板隔間的穿透 損失亦不容忽視，因此室內環境 60 GHz 的無線區 域網路，需要每一個房間都有一個 Access Point。 另外，由於 cell 小，其多路徑延遲擴散小，若使用 方向性天線，可以再減少延遲擴散。延遲擴散減 少，對頻率的衰落變化將較緩和，數據傳輸速率可 以提高。 在寬頻傳輸的實體層(Physical Layer)設計方 面，近年來已有相當多研究著眼在既定頻寬下利用 不同的調變/多工技術，或採用更先進之時域/頻域/ 空間訊號處理或編碼方式來提昇傳輸速率及通道 容量，增加頻譜效能(spectral efficiency)。而商用系 統除傳輸速率外尚需考慮提供多樣化之頻寬與服 務品質(QoS)，與系統成本。如現存各種陣列型訊 號處理或較複雜之可適性信號處理方式雖然可提 昇系統效能，然昂貴的製作成本與大量電功率消耗 將降低該系統在移動端如手機上實作之可行性。就 上 述 考 量 而 言 ， 利 用 多 載 波 調 變 (Multi-Carrier Modulation)，如正交分頻多工調變(OFDM)技術， 相對於單一載波調變將更有助於達成寬頻傳輸及 提昇頻譜效能，並維持合理系統複雜度。正交分頻 調 變 目 前 已 廣 見 於 無 線 區 域 網 路 (IEEE 802.11a/g) 、數位音訊/視訊廣播系統(DAB/DVB-T) 或有線數據通訊等各式系統。如其中國際電機電子 工程師學會提出 IEEE802.11a/g 為高速無線區域網 路標準，IEEE 802.16a 為寬頻無線傳輸(BWA)標 準。歐洲電信標準組織提出 (DVB-T)作為數位電視 之地面廣播標準與 ETSI 300 401 為數位廣播系統 (DAB)標準。此外在有線系統方面如 xDSL 系統採 用之離散式多音調傳輸(DMT)亦為相同技術。 本計畫使用 OFDM 技術，同時考慮使用多個 發射天線與多個接收天線，或稱為多輸入多輸出 （multiple input multiple output, MIMO）通道，來 製作具前瞻性的高速收發機。MIMO 的技術，由於 天線通常放置於不同的地點，因此造成無線電波的 傳送會經由不同的空間路徑，可借助空間多樣化 (space diversity)達到較佳的接收表現。其中較著名 的方法係以時空編碼(space-time coding) 的方式達 成多樣化；另外如波束合成(beamforming)可收集某 個方向的訊號並除去其他方向來的干擾；BLAST 的接收方式係以消除不同傳送與接收天線間的訊 號彼此間所造成的干擾來達成增加傳輸速率的目 標。 除此之外,現有無線區域網路頻帶之所以擁塞 的另一主要原因其實是因為其介質存取控制(MAC) 協定的效率過低所致。目前無線區域網路所使用 MAC 協 定 是 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，「能避免碰撞的載 波感測多重存取」)，此類 MAC 協定通常會因為使 用者的傳輸互相撞擊、或為了避免撞擊而延遲傳 輸，因而造成實體層頻寬的使用率降低。在某些情 形下，延遲傳輸所浪費的時間可能高達封包成功傳

3 輸所需時間的三分之一以上。換句話說， 在一個 MAC 協定效率低的網路中，使用者真正能感受到 的傳輸速率其實是遠低於實體層所提供的。有鑑於 這個弊病，IEEE 802.11 於 2003 年新成立了一個高 產能(High Throughput)工作小組(定名為 802.11n)專 門為了解決此一問題，並商討改進現有的 802.11a MAC 及實體層以作為近程解決無線區域網路頻帶 擁塞的對策(遠程對策即為上述開發更寬頻段)。其 目的在使改進過的 802.11a 能達到高於 100 Mbps 的產能。也就是說，802.11n 將在同樣的頻寬中達 到至少是目前 802.11a 兩倍以上的產能。由此我們 可以瞭解到，單是實體層的設計並不足以達到最大 的頻譜效能。如欲使本計畫所開發的 60 GHz 收發 機發揮最大的效益，完善的 MAC 協定設計將不可 或缺。MAC 協定一般又與實體層收發機的設計息 息相關，本計畫同時從實體層的觀點來優化 MAC 協定，並從 MAC 的觀點來優化實體層設計。至於 目前無線區域網路無法提供的多媒體訊息即時傳 遞所需的服務品質保證，本計畫亦會在 MAC 協定 的設計中探討。

四、研究方法與成果

本計畫共分三個子計畫，子計畫一除了負責通 道量測及特性分析以提供子計畫二及子計畫三做 為系統模擬以及基頻信號處理器模擬之輸入參數 外，將從實際通道的觀點來探討實體層演算法的設 計，提出 60 GHz 的無線區域網路系統架構，製作 60 GHz 的毫米波天線，並探討 MIMO 的通道特 性、通道容量及信號處理法則;子計畫二負責基頻收 發機的電路實現，與其他子計畫共同探討收發機參 數制定以及高效率演算法的設計;子計畫三將研究 整合的 MAC 及實體層設計，從 MAC 協定的角度 出發，此子計畫將探討在 60 GHz 頻段 MAC 協定 及實體層演算法的理論極限，並提供兩者間的互動 關係以與其他子計畫進一步優化實體層演算法。 第一年度各子計畫的研究成果簡述如下： 子計畫一 ： 我們推導出均方根延遲擴展與 Saleh- Vanezuela (S-V)室內通道模型參數間之關係。為了 描述多重路徑成分，我們提出了一個向量室內通道 模型，此模型包含參數如：到達角(AOA)，離開角 (AOD)，以及路徑振幅和時間延遲。在 AOA 與 AOD 的機率分佈給定下，我們可以利用 S-V 模型隨機地 產生延遲剖面(Delay Profile)。藉由這些多重路徑成 分之 AOA 與 AOD，我們可探討天線場型，多天線 或遮蔽損失對通道特性及無線區域網路(WLAN)系 統之傳輸效能的影響。我們亦實際地探討方向性天 線及人員阻擋對於 60GHz 室內通道特性的效應。 基於通道量測資料，我們討論這些效應對於 WLAN 傳輸效能及涵蓋率的影響，結果發現在有直接路徑 成分情況下，方向性天線可大大地提升系統傳輸效 能及增加涵蓋率，然而當直接路徑成分受到人員阻 擋而嚴重衰減時，相較於全向性天線，方向性天線 並無法有效地增加涵蓋率。 子計畫二： 在第一年的計畫裡，我們探討了一些 MIMO OFDM 的實體層及介質存取控制設計上的 問題。首先我們考慮了兩種可以讓多用戶分享因 MIMO 而增加的下行通道容量的方式：第一種是分 群傳輸、第二種是重疊傳輸。分群傳輸是將發射端 天線分為幾群，每個用戶使用一群的簡單辦法。當 使用這種方式時，接收端同常只在乎從本群天線傳 來的信號，因此只會估測本群天線的通道參數。這 時候抑制由其他發射天線造成的干擾、以增加資料 傳輸的正確率通常必須藉由可適性統計及信號處 理來完成。在這個報告中，我們探討了用於分群傳 輸的可適性最大訊噪比濾波方式。重疊傳輸則可達 到最佳的通道容量分享及最大的總和傳輸率。這種 分享方式讓所有用戶都使用所有的發射天線。用戶 間的干擾則藉由「髒紙編碼」來降低。在這個報告 中，我們針對疊加性 MIMO 髒紙編碼推導出最佳 的設計參數。蜂巢狀 OFDM 網路的系統產率則是 藉由電力分配及控制來提升。我們用了一個簡單、 可由各基地台及所屬用戶獨立執行、而不需額外全 網路協調的電力分配機制來避免不同基地台間的 相互干擾。隨著通道狀況改變，這個機制能讓每個 基地台逐漸佔用對它來說比較有利的 OFDM 子通 道，而釋放出不好的通道以降低對其他佔用這些通 道的基地台的干擾。這個電力控制機制還有低峰均 值的優點。這個優點在報告中一併探討。最後，我 們考慮使用最近許多高速無線通信系統都具備的 可 適 性 調 變 編 碼 及 混 合 自 動 重 新 傳 輸 技 術 於 MIMO OFDM 中。在計畫的第一年，我們提出了一 個間單的可適性機制讓系統能自動搜尋最佳的可 適性調變編碼及混合自動重新傳輸設計參數。這個 方法具有普遍性，可以被使用在任何有可適性調變 編碼及混合自動重新傳輸的通信系統。 子 計 畫 三 ： 在 本 年 度 中 ， 本 計 畫 完 成 了 適 用 於 60GHz 無線區域網路的基頻系統設計與其送發機 架構的建立及模擬。此系統採用了 MIMO OFDM 技術。此外並評估頻帶上的通道效應對所設計收發 機系統所造成的影響。同時也完成接收機端之細部 設計，並模擬其在通道模型影響下的表現。