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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※ 寬頻分碼多重進接無線通訊㆖鏈傳收系統 ※
※ 之 設 計 與 製 作
( 2 / 3 ) ※
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Transceiver System Design and Implementation for ※
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WCDMA Uplink Communication (2/3) ※
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計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫
計畫編號：NSC－89－2219－E－009－030
執行期間：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
計畫主持㆟： 林大衛 交通大學電子工程學系 教授
共同主持㆟： 杭學鳴 交通大學電子工程學系 教授
王聖智 交通大學電子工程學系 副教授
陳紹基 交通大學電子工程學系 教授
魏哲和 交通大學電子工程學系 教授
張仲儒 交通大學電信工程學系 教授
本成果報告包括以㆘應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告㆒份
□赴大陸㆞區出差或研習心得報告㆒份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各㆒份
□國際合作研究計畫國外研究報告書㆒份
執行單位：國立交通大學電子工程學系
㆗ 華 民 國 八 十 九 年 十 月 ㆔ 十 ㆒ 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
寬頻分碼多重進接無線通訊㆖鏈傳收系統之設計與製作
寬頻分碼多重進接無線通訊㆖鏈傳收系統之設計與製作
寬頻分碼多重進接無線通訊㆖鏈傳收系統之設計與製作
寬頻分碼多重進接無線通訊㆖鏈傳收系統之設計與製作
(2/3) (總計畫
總計畫
總計畫
總計畫
)
Transceiver System Design and Implementation for WCDMA Uplink
Communication (2/3)
計畫編號：NSC 89-2219-E-009-030 執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日 主持㆟：林大衛 交通大學電子工程學系 教授 共同主持㆟：杭學鳴、陳紹基、魏哲和 交通大學電子工程學系 教授 王聖智 交通大學電子工程學系 副教授 張仲儒 交通大學電信工程學系 教授 ㆒、摘要 ㆒、摘要㆒、摘要 ㆒、摘要 我們研究3GPP 第㆔代行動通訊系統標 準適用之傳收技術，特別是㆖鏈傳輸技 術。共分六個子計畫，探討無線傳輸用之 訊源(音視訊)與通道編解碼、加解密處理、 同步技術、信號檢測、及媒介擷取與連線 允諾控制。在信號檢測技術方面，我們考 慮幾種不同複雜度的途徑，即耙狀接收 機、多用戶檢測、及時空域信號處理。除 個別技術項目之研究外，並以數位訊號處 理器為平台，進行各傳收器模組之軟體實 現與整合。本第㆓年之研究，各子計畫均 有個別之進展。我們並透過隔週㆒次的討 論會，作子計畫間的交流，亦討論㆖述軟 體實現之有關事宜。 關鍵詞： 關鍵詞：關鍵詞： 關鍵詞：寬頻分碼多重進接、視訊編碼、 音訊編碼、通道編碼、密碼學、同步、耙 狀接收機、多用戶檢測、時空域信號處理、 媒介擷取控制、連線允諾控制、數位訊號 處理器實現 AbstractWe consider transceiver technologies for the 3GPP third-generation mobile communication systems standard, especially the uplink transmission. The project contains 6 subprojects, wherein we deal with source (video and audio) and channel coding and decoding for wireless transmission, crypto-processing, synchronization, signal detection, and medium access control and call admission control. For signal detection, we consider several approaches differing in complexity, which are rake receiver, multiuser detection, and space-time signal processing. Besides research into individual technology items, we also conduct a software
realization of the transceiver modules using digital signal processors (DSPs) and an integration of the modules. In this second year’s work, all the subprojects have their individual advances. Biweekly meetings are held which facilitate communication among the subprojects and discussions concerning the above-mentioned software realization.
Keywords: Wideband CDMA (WCDMA),
Video Coding, Audio Coding, Channel Coding, Cryptography, Synchronization, Rake Receiver, Multiuser Detection, Space-Time Signal Processing, Medium Access Control, Call Admission Control, DSP Implementation ㆓ ㆓㆓ ㆓、、、計畫緣由與目的、計畫緣由與目的計畫緣由與目的計畫緣由與目的 本 計 畫 研 究 3GPP (Third-Generation Partnership Project)第㆔代行動通訊系統標 準適用之傳收技術。此標準採用寬頻分碼 多重進接，chip rate 為 3.84 Mchips/s，展頻
比為4 至 256 (因此每㆒通道之位元率為 15 至 960 kb/s)。鑒於㆟力等因素，我們著重 ㆖鏈傳輸技術。共分六個子計畫，分別探 討無線傳輸用之訊源(音視訊)與通道編解 碼、加解密處理、同步技術、信號檢測技 術、及媒介擷取與連線允諾控制。在信號 檢測技術方面，我們考慮幾種不同複雜度 的途徑，即耙狀接收機、多用戶檢測、及 時空域信號處理。除個別技術項目之研究 外，並以數位訊號處理器(DSP)為平台，進 行各傳收器模組之軟體實現與整合。計畫 之架構如圖㆒所示。 ㆔、結果與討論 ㆔、結果與討論㆔、結果與討論 ㆔、結果與討論 以㆘分別簡述總計畫及各子計畫的進 行狀況。
A. 總計畫總計畫總計畫總計畫 透過隔週㆒次的討論會，我們除了了解 進度、作子計畫間的交流，亦討論㆖述軟 體實現的有關事宜。 我們採用的 DSP 是德州儀器公司的 TMS320C6000 系列，含 C62xx 定點(fixed point)運算及 C67xx 浮點(floating point)運
算㆓種晶片。之前使用的DSP 處理平台是
Blue Wave Systems 公司(BWS)的 PCI6600 個㆟電腦插板，其㆖裝置定點或浮點晶片 ㆓顆。其㆗定點 DSP 我們有 160 及 200 MIPS ㆓個版本，浮點 DSP 則為 166 MHz。 由於單㆒顆晶片無法提供足夠的計算量以 滿足整個計畫的需求，因此須將各子計畫 所發展出的軟體，分到不同的晶片㆖分工 執行。由各子計畫依其演算的需求，自行 選用定點或浮點的晶片。 經了解 BWS 的板際資料傳輸功能並實 際測試其與PC 間之資料傳遞速度，發現若 要單用它來完成本計畫之軟體實現，將不 容易。故我們已採購Innovative Integration 公司(II)的 DSP 板。該板亦有㆓種版本，分 別裝置㆕顆 C62xx 或㆕顆 C67xx，而跨板 傳輸之速度則較快。另外，此板子與BWS 的板子都可使用同㆒種真時作業系統。㆖ 鏈傳收系統的傳輸端與接收端預期將各需 用㆒塊 BWS 板子及兩塊 II 板子。這兩端 的板子將分別裝置在㆓台PC ㆖，而通道模 擬器則放在傳輸端。兩端之間則用 II 板子 所提供的高速跨板傳輸鏈路來連接。 B. 子計畫㆒：無線傳輸之訊源及通道編碼子計畫㆒：無線傳輸之訊源及通道編碼子計畫㆒：無線傳輸之訊源及通道編碼子計畫㆒：無線傳輸之訊源及通道編碼 本計畫第㆓年達成的㆔項課題為：(1) 適應性 多重位 元率(AMR, adaptive multi rate)語音編碼之研究、模擬與 DSP 實作， 並與第㆒年成果之比較，(2) H.263+視訊編 碼器之改進，並與第㆒年成果之比較，以 及(3)通道編解碼之研究、模擬與 DSP 實現。 語音編碼之研究可分兩部分：(1)研究㆒ 個第㆔代行動通訊系統所考慮的新的語音 壓縮標準，即 AMR，並與去年所研究的 G.723.1 做功能㆖的比較，及(2)其 DSP 實 現。AMR 提供八個位元率，分別是 12.2, 10.2, 7.95, 7.4, 6.7, 5.9, 5.15, 和 4.75 kb/s， 運算複雜度㆗等，語音品質也不錯。在DSP 實現方面，我們取用㆒個既有的高階語言 編解碼模擬程式碼，加以修改以適用於 DSP 真時執行。目前對㆒段 20 ms 的語音 框，編碼需2.6 MIPS，解碼需 0.35 MIPS， 為原程式的 60%，已達真時執行所需速 度。程式碼大小亦大幅減少，但編碼與解 碼部分總和仍大於㆒個 DSP 的 on-chip 程 式記憶體容量。 在 H.263+視訊編碼方面，我們引進了 H.263+標準 Annex W 的定點 DCT，使編碼 PSNR 比起之前用的 DIF DCT ㆖升了 0.2 dB，且在有大量運動向量的連續 P 畫面時 不會如第㆒年的結果㆗有明顯的模糊效 應。不過編碼速度變慢，由原來的每秒 35 張I 畫面或 16 張 P 畫面(sub-QCIF 影像)降 為每秒11 張 I 畫面或 10 張 P 畫面。 在通道編碼方面，我們考慮3GPP 規範 的迴旋碼，含1/2 及 1/3 兩種碼率，都是使 用8 位元的位移暫存器。目前在 DSP ㆖實 現的編碼器可達大於500 kb/s，解碼器則近 於 10 kb/s。因此編碼器已可達即時之要 求，解碼器則還有㆒段距離，待改良。 C. 子計畫㆓：寬頻分碼多重進接無線通訊子計畫㆓：寬頻分碼多重進接無線通訊子計畫㆓：寬頻分碼多重進接無線通訊子計畫㆓：寬頻分碼多重進接無線通訊 之加解密系統 之加解密系統之加解密系統 之加解密系統 本年度的研究包含㆔部分：elliptic curve 密碼系統演算法之硬體架構設計、RSA 密 碼系統的DSP 實現設計、以及㆒個結合公 匙與私匙密碼系統的影像傳輸保密方式。 在elliptic curve 硬體架構設計部分，我 們嘗試運用 systolic array 之架構。此架構 ㆗ 主 要 的 運 算 是 乘 法 冪 。 我 們 利 用 partitioning 及 pairing-off 兩種架構來加速 乘法冪的運算。模擬測試結果顯示，此㆓ 架構在速度及硬體面積㆖，都較現有其他 架構為佳。 在RSA 密碼系統的 DSP 實現部分，DSP ㆗最大的字元長度是32 bits，而 RSA 密碼 系統往往需要512-bit 以㆖的運算，才能提 供足夠的保密性。所以我們考慮兩種做 512-bit 運算的架構，分別是 bit-wise 和 long-integer 乘法架構。若採用 bit-wise 架 構，以32-bit 的私鑰來對 512-bit 的資料加 密，估計需51 M cycles，bit rate 約為 2.01 kb/s。若使用 long-integer 架構，則估計約 35.3 M cycles，而 bit rate 約為 2.9 kb/s。因 此兩個架構都無法達到即時處理。減少公 匙長度或縮短資料長度都可以加速加解密 運算，但保密性也會降低。我們正在研討 可如何在即時傳輸的條件㆘，保持相當的 資料保密性。 公匙密碼系統保密性高而私匙系統加 解密速度快。已有㆟考慮在影像傳輸㆗只 對部分重要內容做公匙加密，而其他部分 則用私匙。我們正研究如何選取資料作加
密，以增加保密性，又不失加密速度。另 外，我們也想出㆒個獨特的加密方法，就 是定時更改視訊編碼所用的變長碼(VLC) 簿。實驗證實，如果接收端不知道換過的 碼簿，就會解出高度受損的視訊。碼簿的 改變，可透過公匙加密傳遞。 D. 子計畫㆔：寬頻分碼多重進接無線通訊子計畫㆔：寬頻分碼多重進接無線通訊子計畫㆔：寬頻分碼多重進接無線通訊子計畫㆔：寬頻分碼多重進接無線通訊 之同步與耙狀接收機研究及設計 之同步與耙狀接收機研究及設計之同步與耙狀接收機研究及設計 之同步與耙狀接收機研究及設計 本計畫原研究 WCDMA 之碼同步與耙 狀接收機。現將同步部分轉由子計畫㆕進 行，本計畫專注耙狀接收機研究。本第㆓ 年研究重點為：(1)通道估測與耙狀接收器 之DSP 實現，及(2)相關器之低功率設計。 通道估測的目的，是要用來設定耙狀接 收器的係數。在WCDMA 規格㆗，㆖鏈實 體通道㆗包含了控制通道及資料通道，而 控制通道㆗包含了導航信號及其他控制訊 號。其㆗導航信號可以用來做初步的同步 通道估測。我們考慮採用㆒個滑動窗形 (sliding window)通道估測法及㆒個類似最 大可能性(maximum likelihood)估測法來做 DSP 實現。在耙狀接收器方面，我們考慮 使用 precombining LMMSE 的結構。在研 究㆗發現，使用 32-bit 定點運算比使用浮 點運算的效能稍低，但差距不大。我們用 DSP 實現的結果，在不同的演算法之㆘， 得 到 的 速 度 在 約 0.115-0.241 kcps (kilo chips per second)之間，離標準的 3.84 Mcps 還有很大的差距，需做相當改善。 在耙狀接收器㆗，無論是解展頻、碼追 蹤、碼擷取，都需要用到相關器。在整個 系統㆗，它的功率消耗占很大的部分。因 此我們考慮其低功率設計。我們設計了㆒ 個用於碼擷取的相關器。分析發其在 8、 16、與 32 taps 時的功率消耗，發現可較直 接之設計減少約10-17%。 E. 子計畫㆕：寬頻分碼多重進接通訊多用子計畫㆕：寬頻分碼多重進接通訊多用子計畫㆕：寬頻分碼多重進接通訊多用子計畫㆕：寬頻分碼多重進接通訊多用 戶信號檢測器設計和實現 戶信號檢測器設計和實現戶信號檢測器設計和實現 戶信號檢測器設計和實現 本計畫除多用戶信號檢測外，現亦納入 由子計畫㆔轉來之碼同步課題，其㆗包含 碼擷取(acquisition)與碼追蹤(tracking)。 3GPP ㆖鏈可作非連續傳輸，因此快速 的碼擷取相當重要。其目的是要偵測傳送 端是否開始傳送，並且使接收端產生的擬 似亂碼時序與傳送端相差在㆒個 chip 之 內。碼擷取必須在㆒段時間內產生不同時 序的擬似亂碼，逐㆒與接收到的訊號做比 對，以找出正確的時序。顧及即時處理的 要求，我們考慮用匹配濾波的方式來作比 對。由於在系統剛啟動時無法得知控制通 道的傳送內容，故此時僅能使用非同調演 算法。我們利用觀察多個符元(symbols)來 提高碼擷取的準確度。在DSP 實現方面， 目前用 C6201 定點晶片。在未對程式碼作 最佳化的狀況㆘，目前碼擷取需時300 ms。 碼追蹤方面，由於資料調變和通道變動 等因素，使得訊雜比低時，載波較不易估 測，所以我們也採用非同調方式。我們使 用㆒種early-late 形式的碼追蹤迴路，模擬 顯示其在AWGN 及時變通道㆘可獲不錯的 效能。使用C6201 定點 DSP 實現的結果， 在沒有對程式碼作最佳化的狀況㆘，目前 碼追蹤器的速度為1.75 kb/s，仍需改進。 在多用戶信號檢測方面，因顧到 DSP 的序列處理特性，我們考慮序列式(或譯連 續式)干擾消除(SIC)。其工作原理是每次找 出㆒個接收到功率最強的使用者，檢視出 該訊號後減去它對整體接收訊號的影響， 接著再減去接收功率次強的使用者訊號之 影響，如此重複以解出所有的使用者訊 號。我們將㆖㆒年所提出，結合通道估測 的 改 良 型 平 行 部 分 雜 訊 干 擾 消 除 器 (MPPIC)，延伸修改成為 MSIC 架構。其特 點是接收訊號在進入匹配濾波器其干擾消 除之前，就先作導航通道訊號的估測並減 去之，以去除導航通道訊號對其他使用者 的干擾而改善系統性能。至於 SIC 的功率 排列，可以只在開始時做㆒次，或是在每 ㆒個使用者訊號刪減動作之後都做㆒次。 模擬顯示只做㆒次功率排列的 MSIC 性能 優於㆒級的 MPPIC 和㆓級的 PPIC，而每 次都做功率排列的 MSIC 則優於所有的 PPIC 和 MPPIC。其 DSP 實現的結果，在 展頻比為 32，使用者為 10 ㆟，DSP 程式 碼沒有最佳化的狀況㆘，可達約 1 kbps， 離理想的120 kbps 還有很大差距，需改進。 F. 子計畫五：無線通訊之時空域信號處理子計畫五：無線通訊之時空域信號處理子計畫五：無線通訊之時空域信號處理子計畫五：無線通訊之時空域信號處理 本計畫研究有效㆞使用無線通道之技 術，含㆒般時空域信號處理、WCDMA ㆖ 鏈傳輸之時空域信號處理、及使用DSP 遂 行實現之方法。 在㆒般時空域信號處理方面，我們研究 有關時空域維特比等化器之設計與效能。 在前㆒年我們曾探討訓練數列的設計以及 傳輸信號的結構設計。今年我們提出㆒個 類似牛頓法的快速搜尋方式，以有效的獲 取良好的訓練數列。也導出了理論㆖的極 限值，可獲知所找到的數列之效能與此極
限的差距。此外，我們也提出㆒個結合時 空域濾波與時空域維特比等化器的混合式 接收器架構。模擬結果顯示：其在不同的 同頻干擾與白色雜訊功率比之㆘，均有不 錯的效能，所以相當強健(robust)。 在 WCDMA ㆖鏈傳輸之時空域信號處 理方面，我們考慮平行式干擾消除(PIC)與 連續式干擾消除(SIC)，及其與㆝線陣列信 號處理之結合。首先，在 PIC 及其與㆝線 陣列之結合方面，我們研究各種不同之決 策機制對檢測品質的影響。此㆒接收器係 利用㆝線陣列所提供的空間自由度來提高 初始接收的正確率，再以 PIC 增加接收器 輸出的正確率。其次，我們亦試分析採硬 式決策(hard decision)之 PIC 的性能。這種 PIC 較簡單實用，但未曾有㆟做完整的分 析。最後，在 SIC 方面，由於其架構會使 得系統㆗的用戶面臨大小不等的干擾量， 因此，傳統的等功率分配對其並非最佳的 功率分配機制。基於最小化平均錯誤率和 最小化最大錯誤率的原則，我們研究合適 的功率分配機制。 在 DSP 實現方面，我們用晶片板試做 無線通道模擬及使用㆝線陣列之平行式干 擾消除。我們並研究傳輸端資訊碼框組合 之實現及傳輸端與接收端之方根升餘弦 (SRRC)濾波器之定點(fixed-point)實現。目 前已完成簡單的展頻運作、基頻無線通道 模擬器、以及含㆝線陣列處理功能的 PIC 接收器(時空 PIC 接收器)。展頻和通道模擬 部分使用㆒顆 DSP，而 PIC 接收器則使用 另㆒顆。在展頻與通道模擬方面的速度方 面，現階段我們的軟體在單㆒㆝線及㆒路 徑的狀況㆘，可達 4.1 Mcps，超過規格㆗ 的3.84 Mcps，但仍應繼續提昇其速度，以 能處理較複雜的通道。在PIC 接收器部分， 為求減低運算量，目前僅在其 initial stage (即 rake receiver 的部分)用簡單的指數平均 法做通道估計，在 PIC 部分則沿用之。目 前做到的處理速度，也是在㆒㆝線㆒路徑 的情況㆘達到 4.1 Mcps，也應繼續研究提 高其速度。 G. 子計畫六：寬頻分碼多重進接系統㆗之子計畫六：寬頻分碼多重進接系統㆗之子計畫六：寬頻分碼多重進接系統㆗之子計畫六：寬頻分碼多重進接系統㆗之 媒介擷取控制與連線允諾控制研究與設計 媒介擷取控制與連線允諾控制研究與設計媒介擷取控制與連線允諾控制研究與設計 媒介擷取控制與連線允諾控制研究與設計 第㆔代蜂巢無線通訊系統必須具備有 彈性的頻寬擷取、傳送、以及允諾控制能 力，以因應多媒體通訊服務之需。㆒個設 計良好的網路必須要能針對服務的類型， 依據網路資源的使用狀況，決定是否接受 或接受多少用戶進入系統。當用戶被允許 進入之後，網路必須隨時決定每㆒用戶何 時可傳送多少訊務、使用多少網路資源、 並送出多少功率。 在第㆔代無線通訊系統㆗，多用戶檢 測(MUD)是㆒項相當熱門的主題，因為它 對系統容量具有顯著提升的能力。然而使 用多用戶檢測器時仍然需要㆒套呼叫允諾 控制的機制來控制使用者的數目。因此我 們考慮在系統的㆖鏈路之㆗，配合連續式 干擾消除(SIC)之多用戶檢測器的使用，而 提出㆒套乏晰允諾控制器。此種多用戶檢 測器具有較低的複雜度，並且較適合在衰 褪效應(fading)頻道以及非最佳化功率控制 (imperfect power control)的環境㆗使用。此 項乏晰允諾控制器並且同時考慮到分碼多 重進接之蜂巢式系統㆗，蜂巢內(intra-cell) 與蜂巢間(inter-cell)的多重進接干擾，藉此 提供比傳統SIR型(SIR-based)的允諾控制 更為有效的系統容量管理。 在第㆔代無線通訊系統㆗，使用分封 交換的傳輸方式來傳送所需要的服務，可 更有效利用無線介面的資源，但如何根據 使用者訊務的特性參數、服務的品質要 求，並根據媒介接取控制的方式與無線介 面的特性，來有效評估使用者所需要的無 線資源，則是無線資源管理的各項功能的 關鍵問題。由於未來分封交換所提供的服 務種類十分多樣化，因此如何根據任意使 用者參數來估計，則是這項工作最大的挑 戰。針對這個問題，我們根據無線傳輸介 面的特性，提出了㆒個無線傳輸的數學分 析 模 型 ， 並 透 過 大 變 異 法 則 (Large Deviation Principle)的理論分析來求得使用 者 參 數 與 無 線 資 源 指 數(Radio Resource Index)的映射函數，如此可提供允諾控制與 其他無線資源管理控制作為資源使用管理 的依據。 在功率控制機制方面，我們提出了新 的功率控制方式：暫停式閉迴路功率控制 truncated closed-loop power control (TCPC)，其方式是當通道狀況良好時(即通 道增益大於預設閥值X0時)，發送端調整發 射功率使得接收端功率為㆒定值；相反 ㆞，當通道狀況不好時，發送端則暫時停 止傳輸。我們之前已經針對在功率可以隨 時、任意值調整的理想情形㆘，結論出 TCPC機制在系統容量㆖大幅優於其它傳 統的機制，如：理想功率控制(perfect power control) 、 複 合 功 率 / 速 率 控 制 (combined
power/rate control)等。本階段研究則進㆒步 考量實際系統運作參數，設計出TCPC的系 統方塊圖，並分析、模擬其效能。 ㆕、計畫成果自評 ㆕、計畫成果自評㆕、計畫成果自評 ㆕、計畫成果自評(總計畫部分總計畫部分總計畫部分總計畫部分) 研究內容與原計畫相符程度：本計畫㆒ 個主要標的是DSP 實現。在這方面，雖然 在進行，但因程式往往沒有最佳化，以致 執行速度離需求還有㆒段距離，需要改進。 達成預期目標情況：實驗系統之初步建 立、㆟才培育。 成果之學術與應用價值等：總計畫本身 之價值，在計畫進行㆗所累積的經驗以及 其標的系統實現完成後之學術與應用價 值。目前工作尚在進行㆗。 綜合評估：本總計畫協調各子計畫之進 行，建立了初步之實驗系統，並達成㆟才 培育之效。唯DSP 實現之結果尚不理想， 故自評為「㆗㆖」。 五、圖表 五、圖表五、圖表 五、圖表 圖㆒：計畫架構 Source Coding (子計畫㆒) Encryption (子計畫㆓) Channel Coding (子計畫㆒) Spread- Spectrum Modulation (子計畫五) Source Decoding (子計畫㆒) Decryption (子計畫㆓) Channel Decoding (子計畫㆒) Rake Receiver (子計畫㆔) Admission and Access Control (子計畫六)
Transmitter Multiuser Detection (子計畫㆕) Space-Time Signal Proc. (子計畫五) Switch (Con- ceptual) Synchron- ization (子計畫㆔、㆕) Channel Simulator (子計畫五)
Admission and Access Control (子計畫六)
