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行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告
極化載波重複使用之通信系統（第一年）
Polar ized Car r ier Reuse Communication System (Year One)
計畫編號：NSC 89-2213-E-002-061
執行期間：88 年 08 月 01 日至 89 年 07 月 31 日
主持人：吳靜雄 國立台灣大學電信工程研究所
一、中文摘要 無線通訊具有可移動的便利性，使用 者日增，因此如何增加有限頻譜的使用效 率為當今重要的課題之一。電波可以垂直 及水平兩極化傳播，在無障礙環境中此二 極化波可當為二互不干擾之通訊載波。但 現實通道環境並非如此完美，傳統系統常 將 極 化 波 當 為 分 散 (diversity) 備 用 頻 道，本計畫則研究將資訊如何載上二極化 波上，可以帶來較大的通道容量。 經過一年的研究，我們建立了通道傳 播的模式，分析了一些基本調變方法與系 統架構對通道不完美的補償能力，最後並 提出了兩個新穎的思考方向，可做為未來 研究的指導原則。 關鍵詞：極化調變，極化載波重複使用， 極化，無線通信 Abstr actWireless communications posses some desirable properties such as mobility. The demand of wireless communications increases rapidly. The efficiency of spectrum utilization is a main concern for communication engineers and scientists. The two polarized electromagnetic waves can propagate independently in free space. Practically the two polarized waves are not mutually interference-free due to reflection and rain attenuation etc.. Conventionally they are treated for diversity applications, In this project, we will combine the two polarized waves as one channel and discuss how to design the system to increase the channel capacity.
Last year, we constructed the basic dual polarization channel models, analyzed the
performances of several modulation schemes with some compensation mechanism to combat the channel effects, and finally concluded to propose two novel ideas as the directions of the project in the following years.
Keywor ds: Wireless Communications, Fading Channels, Polarization, Modulations
二、緣由與目的 無線通訊具有可移動性，不必架設網路 的優點，在網路介取系統，佔有很重要的 地位。近年來，行動通訊，無線迴路，或 無線資料傳輸，一直是眾人熱烈討論的主 題。但是由於無線頻寬有限，每一頻道非 常窄，因此傳輸速率太慢。目前網際網路 需求增加迅速，在多媒體通訊中加入無線 媒介，傳輸率太慢的問題必須要解決。若 能將頻帶效率增高，將可改善此一情況。 再者，通訊公司亦可由此降低其經營成 本。 研究者早就知道兩個互相垂直極化的 載波，在有直接波，且天線大致對準的情 況下，可達到頻率重複使用，使頻帶效率 近乎加倍的效果。但一般來說，由於在有 直接波時，天線的擺置可能有三度空間的 歪斜，及多重路徑干擾的效應。而在無直 接波時，最嚴重的情況，甚至有可能接收 到二路訊號重疊在同一個極化方向上。本 計畫將由簡而繁，漸進地討論在不同情況 時，依其物理特性建立通道模式，經由適 當地設計調變訊號及接收器的架構，克服 通道不完美的特性，增加頻帶的使用效 率。 三、結果與討論 (一) 極化載波傳播模式
2 從物理觀點來看，電磁波通過無線通 道，有可能反射、透射、或散射，而且在 傳送端或接收端的兩個相互垂直極化天 線，彼此隔離度不可能完美，因此，接收 端兩個極化方向的訊號可能會出現耦合效 應。參考傳統單一天線的通道傳播模式， 我們在通道模式中加入兩個極化訊號耦合 參數，而且，在無直接波的環境下，由於 經過多次反射透射，兩個極化方向的衰 減、相位等參數甚至有可能完全不相關。 （二）極化載波重複使用系統架構設計與 效能分析 在這一年裏，我們首先考慮在極化載 波重複使用系統中，不加入可適性訊號處 理的機制，是否可能克服通道環境的不完 美。基本上，在有直接波的環境中，我們 發 現 [1] 若 在 兩 個 極 化 方 向 上 使 用 類 似 OFDM 的想法，但要求兩路中心載波有一個 偏移量，這種系統架構不但簡單，也確實 可以增加通道的容量。此外，我們也發現 ，經過簡單的設計，BFSK 與 CDMA 亦具有 抗耦合的特性。 （三）其他幾個重要的研究方向 1. 我們發現在有直接波的無線環境中，用 三個天線，加上可適性訊號處理的技 巧，可以增加接受訊號的訊雜比，進而 提高通道的容量。這個想法已經發表在 1999 年全球通訊會議論文集中[2]，而且 我們相信還有很多相關的問題可以討 論。比如說，可以考慮研究，在這種系 統中該使用何種調變方式以及系統架構 該如何設計等等。 2. 在無直接波的環境中，我們期待新設計 出的系統，即使在極度惡劣的通道下， 效能至少不能比傳統單一天線的系統 差。經過一年的研究，我們發現了一個 新穎的研究方向。那就是當通道環境很 差時，在兩路極化載上相同的資訊，反 之，若通道環境很好，則可在兩極化方 向上載完全無關的資訊[3]。這個想法， 好處是在通道環境很差時，系統效能相 當於一個天線分散(antenna diversity) 系統，而在通道環境好時，幾乎可將通 道容量加倍。未來的研究課題，可以討 論如何設計演算法，來判定通道環境的 優劣，以及採用什麼調變方法會比較好 等等。 四、計畫成果自評 本計畫研究內容確實地完成了原計畫的進 度，並引伸出不少新穎的想法，成果頗豐。 五、參考文獻
[1] Jingshown Wu and Meng-Che Wu, “Dual-Polarization Frequency Reuse Frequency Band Shifting Allocation“, accepted in IEEE Transactions on Vehicle Technology
[2] Jingshown Wu and Shan-An Yang, “Dual Polarization Waves Reuse Scheme in Cross Polarization Channel”, IEEE GLOBECOM’99, pp.2714-2718, Rio, Brazil, Dec. 5-9, 1999
[3] Jingshown Wu and Jia-Yi Chang, “The Dual Polarization Transmission Using Adaptive OFDM”, submitted to IEEE GLOBECOM 2000
