應用於感知無線電系統之前端射頻電路與適應性通訊技術

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□期中進度報告

■期末報告

應用於感知無線電系統之前端射頻電路與適應性通訊技術

（雙邊國際合作研究計畫)

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC 98－2218－E－009－008－MY3

執行期間： 98 年 2 月 1 日 至 101 年 7 月 31 日

執行機構及系所：國立交通大學電信工程研究所

計畫主持人：孟慶宗 教授 國立交通大學電機工程學系

共同主持人：王蒞君 教授 國立交通大學電機工程學系

蘇育德 教授 國立交通大學電機工程學系

洪樂文 副教授 國立清華大學通訊工程研究所

黃元豪 副教授 國立清華大學通訊工程研究所

張盛富 教授 國立中正大學通訊工程學系

張嘉展 副教授 國立中正大學通訊工程學系

莊英宗 研究員 財團法人國家實驗研究院國家晶片

計畫參與人員：魏宏儒、呂思翰、林坤昌；謝仁傑、金廷嶽、林俊奇、廖浚甫、

許登程

本計畫除繳交成果報告外，另含下列出國報告，共 _1_ 份：

□移地研究心得報告

□出席國際學術會議心得報告

■國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 29 日

◎合 1 .加 Cou 2 .計 11 人 3 .有 浚甫 4 .晶 設計 ◎重 拿大 合作現況 加拿大CRC upler 和 low 計畫主持人 人次前往加 有送出交大 甫、許登程 晶片製造中 計相關經驗 重要成果 加拿大CR 大CRC 進行 C 的 Ibrahim w noise amp 人孟慶宗教授 加拿大交流 大博士生魏宏 程，至加拿大 中心(CIC)有 驗，協助加拿 RC 經過 CIC 行量測，有 m Haroun 工 plifier，且得 授、張盛富 ，討論計畫 宏儒、呂思 大學習相關 有送出林烈全 拿大方面完 C 的協助， 有不錯的成果 工程師參訪 得到不錯的 富教授、張嘉 畫相關事宜與 翰、林坤昌 關經驗及技術 全、許源佳 完成三年共三 透過本計畫 果產生。 訪交大和駐晶 的實驗結果 張嘉展教授、 與出席會議 昌；中正博士 術後用於計 佳、林大業先 三次的IC 設 畫完成了三 晶片製造中 。 、王蒞君教 議。 士生謝仁傑 計畫中。 先生參訪並 設計。 三次90 奈米 中心後，設計 教授、黃元豪 傑、金廷嶽 並駐加拿大 米CMOS IC 計了60-GH 豪教授、洪 、林俊奇； CRC，憑藉 C 製作，驗 Hz Branch-洪樂文教授等 清大博士生 藉工程師的 驗收完成交由 Line 等共 生廖 的 IC 由加

中文摘要 : 本專題研究計畫分為兩大中心主軸─射頻前端電路與感知通訊技術。其中射頻前端電路包含了主動收 發機和前端適應性天線陣列兩大部份。而在感知通訊技術方面包含了感知無線電網路合作式累和偵測 器之設計以及通訊資源最佳化分配之研究。此外，藉由建立各個射頻電路之基頻等效模型，可瞭解射 頻電路非理想特性對於基頻系統所造成的效能耗損，進而達成基頻和射頻之最佳化設計。 前端的主動射頻電路方面，在第一年度先使用0.15-μm 假晶格高速電子遷移率電晶體(pHEMT)來實現 正交相位降頻器和單旁帶升頻器。更實作並比較pHEMT 和變形晶格高速電子遷移率電晶體(mHEMT) 的次諧波堆疊式升頻器。而在前端天線陣列的設計上，首先實作60-GHz 反射式相移器(reflection-type phase shifter)，並利用相移器實作微型 8×8 巴特拉矩陣，可在空間中分出八個方向的波束，最後則是 利用混合式左右手傳輸線(CRLH TL)結構來大幅降低天線尺寸。在感知系統的設計上，本計畫中提出 了一個合作式變遷偵測(collaborative change detection)方法。根據所考慮的系統和使用的偵測方法，模 擬結果顯示出使用我們所提出的合作式累和方法，在次要網路的平均總流量上較固定抽樣個數法 (fixed-sample-size, FSS)有較佳的效能。另一方面，因為無線電頻寬是極其珍貴且有限的公共資源，故 為了有效率的使用無線電頻寬，在本計畫中則利用平均通訊中斷機率作為限制次要用戶對主要用戶干 擾的機制以控制次要用戶對主用戶的干擾，並且最大化次要用戶的容量。

第二年度的前端主動射頻電路使用0.35-μm SiGe 製程來實現微波毫米波高線性度 Ka 頻段降頻器器

和60 GHz 次諧波混頻器。同時採用積體被動元件技術(Integrated Passive Device, IPD)之玻璃基板實現

60-GHz 四通道多波束天線陣列系統。Multiple-input multiple-output (MIMO) 的技術被廣泛應用在各種

無線通訊系統上，在本計畫將實現的Beamforming 技術中，利用 MIMO 系統下的傳輸端等技術和晶

格化簡技術之預編碼架構來達成，因此我們初步完成晶格化簡之實體運作。在感知系統的設計上，60 GHZ 基頻模擬的部分，我們希望能將通訊的演算法實際用硬體的方式來驗證其性能，而 Wireless Open Access Research Platform (WARP)是個好的選擇，可以透過單一電腦將 MATLAB 的程式碼與其結合， 進而驗證通訊演算法的效能。我們在使用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術的感知無線電(Cognitive Radio, CR)系統中，提出了基於子空間旁瓣干擾抑制技術。本計 劃中，連續機率比試驗(sequential probability ratio test, SPRT)被提出並用於控制回報所需要的資料量， 同時減少所需要的頻譜偵測時間，根據系統要求的誤判機率以及漏判機率之條件限制下，來調整每個 使用者回報之門檻來達到控制平均回報資料量。

第三年度前端的主動射頻電路方面，則使用了0.35-μm SiGe 製程來實現應用於 V Band 的雙次直接降

頻器(Dual Direct Down-Converter)，該電路將馬爾尚巴倫及一對二變壓器等傳統被動元件整合進晶片

裡，並且將60 GHz 雙次降頻器的接收機整合進積體電路，第一級降頻為蕭基二極體次諧波混頻器， 中間級加入了低雜訊緩衝級，第二次降頻採用了電阻式混頻器，正交中頻訊號經由寬頻緩衝級輸出。 感知通訊的部分，隨著感知無線電技術的發展與頻譜資源的日益匱乏，階層式感知無線電將成為下一 代無線通訊網路的主要架構，為其設計良好的傳輸模式即為一個重要的課題，本計畫已針對非付費使 用者系統完成了關於下行傳輸的研究設計，因此本計畫想探討階層式感知無線電資料傳輸另一面向的 問題，也就是設計一套在上行情況下的傳輸模式。在此研究中，我們提出一個波束權重設計與使用者 排程的演算法，波束權重演算法可確保上傳資料的非付費使用者達到最大傳輸速率，而使用者排程演 算法可盡量減輕非付費使用者對付費使用者的干擾。使用所提出的方法可以有效的提升階層式感知無 線電系統整體的頻譜使用效率。感知無線電的執行效率有賴兩個關鍵技術：一個是快速且有效地偵測 到主要使用者目前使用頻譜狀態的技術；另一個是在干擾環境下有效使用頻譜的技術。在計畫的最後 一年，我們專注於群播的應用，發展出干擾環境下的多細胞多天線群播技術以及其所需要的群播群組 和傳輸共變矩陣的選擇。我們討論在多細胞多天線網路中利用傳送預先編碼(precoding)的機會式群播 排程(opportunistic multicast scheduling, OMS)技術。在此系統中，基地台傳送訊號給所有指定的群體 用戶，因此傳送速率將被最差的指定用戶所限制住。機會式群播排程在傳統中被用來在單播(unicast) 與廣播 (broadcast)之間取得平衡(tradeoff)，但是在多群播環境下因為可以更進一步選擇部分的用戶來 避免產生較大的干擾，因此能擁有更好的效果。我們假設所有基地台皆擁有要傳送給每群用戶的資料

和連接到所有用戶的通道狀態訊息(channel state information, CSI)。此機會式群播排程和傳送預先編碼 器根據兩種最佳化的準則來做設計:最差的平均用戶吞吐量(the worst per-user throughput)和加權和吞 吐量(weighted sum throughput)。當給定選擇用戶時，根據這兩個準則找出最佳的傳送預先編碼器的問 題皆會是非凸面(non-convex)的最佳化問題，因此我們把問題推導成凸面可行性問題(convex feasibility problem)，並且利用二分法收尋(bisection search)來解出答案。接著，我們在設法找出最佳的選擇用戶。 然而，此問題本質上是個排列組合問題，當用戶數目增加的時候，這個問題的複雜度會變得相當棘手。 因此，我們提出一個疊代選擇用戶演算法(iterative user selection algorithm)，用來降低收尋的複雜度。 另一方面，我們考慮蜂巢式網路底下的裝置對裝置 (device-to-device, D2D)通訊技術，使得兩個相鄰 的裝置直接通訊並適時適度使用蜂巢網路的頻段。傳統的蜂巢式系統，資料的傳輸必須經由基地台和 核心網路，若傳輸兩端為相鄰的裝置，卻須繞道基地台顯然不是有效率的方法。裝置間直接鏈路之建 立，可大幅降低基地台及後端網路之負載，提高頻譜使用效率和網路吞吐量。然而直接鏈路之建立端 賴於裝置對周遭環境之孰悉與接收端之快速尋獲。其中之關鍵乃是D2D 網路(Pico-Net)規約中直接鏈 路建立流程之設計。本篇成果報告提出了一個裝置對裝置直接鏈路建立流程規約使欲傳送裝置可迅速 建立可靠的鏈路而其使用之無線電資源不會對現有蜂巢網路造成過量之干擾。我們假設裝置與蜂巢網 路行動端之位置分佈均可用適當的二維均勻卜瓦松點過程(Homogeneous Poisson Point Processes, PPP)

來描述。根據我們設計的流程和裝置及蜂巢式網路對接收訊號品質的要求，我們將 D2D 鏈路成功建

立機率之問題化為一最佳化問題，並用二分(bisection)法去尋找唯一的最佳傳送功率。我們證明此機 率為裝置傳送功率之擬凹 (quasi-concave)函數，也提出二分法搜尋的上下界，以加快演算法之收斂速 度並證明在我們所搜尋的區間存在唯一的最佳探詢訊號的功率。

英文摘要 :

This project includes two main parts─radio frequency (RF) front-end circuits and cognitive communication techniques. The RF front-end circuits consist of an active transceiver and an adaptive antenna array. On the other hand, The collaborative change detection and resource allocation and optmization are considered and researched in the part of cognitive communication techniques. Moreover, by building up the equivalent baseband models for each RF component and investigating cross-layer designs for baseband and RF, we can understand the performance deterioration of baseband systems due to the non-ideal characteristic of RF circuits and thus optimize both baseband and RF circuit design. In active transceiver part, an I/Q downconverter and single-sideband upconverter are demonstrated using 0.15-μm pHEMT technology in the first year. Morever, pHEMT/mHEMT stacked-LO sub-harmonic mixers are also demonstrated and compared. On the other hand, 60-GHz reflection-type phase shifter, which is a key component for the antenna array, is demonstrated. An eight-by-eight Butler matrix is then demonstrated for eight different beam directions. Finally, a composite right/left- handed transmission line (CRLH TL) is utilized to reduce the antenna size. A collaborative change detection scheme is proposed in this project for cognitive radio, where secondary users can collaboratively and efficiently detect the arrival of the primary user’s signal. The simulation results show that the proposed spectrum sensing scheme outperforms the fixed-sample-size detector in terms of the average throughput of the secondary network. On the other hand, we consider the issue of resource allocation for secondary users with a mean primary user outage probability constraint. We use an iterative waterfilling-like algorithm to solve the optimization problem. The proposed formulation removes the need of PU location information and, as the numerical results indicate, improves the total system capacity against that under the worst case constraint.

In the second year, this project includes two main parts─radio frequency (RF) front-end circuits and cognitive communication techniques. In the millimeter-wave front-end circuits, we choose low-cost TSMC 0.35 μ m SiGe BiCMOS technology to implement a ka-band high-linearity star mixer with trifilar transformer and a 60-GHz sub-harmonically mixer with a new-type phase-inverter rat-race coupler. On the other hand, we also design a 60-GHz 4-channel multi-beam phased array antenna system by using integrated passive device (IPD) technology. The system is consisted of a 60-GHz 1×4 dipole antenna array and a 60-GHz 4×4 Butler matrix beamformer. This system is integrated on the glass IPD substrate with the chip area of 5×5 mm2. In cognitive communication techniques, this study aims to develop the lattice reduction aided MIMO beam-forming system and its system implementation. In this year, we finished the efficient algorithm and architecture design for LLL lattice reduction. A constant throughput lattice reduction

algorithm is proposed, and we design a parallel reduction check architecture that can greatly reduce the computational complexity and power consumption for the hardware implementation. The Verilog HDL RTL is implemented for the lattice reduction in the FPGA. The synthesis results show that the performance of our work is better than those of others in the literature. In addition, fast and accurate spectrum sensing is crucial in realizing a reliable cognitive network. Cooperative spectrum sensing, developed in this year, can effectively reduce the mean detection time and i Hierarchical cognitive radio networks are discussed. As the cognitive radio (CR) technology becomes well-developed and the spectrum resource for wireless communication becomes more deficient, hierarchical CR networks is regarded as next generation networks. Concurrent transmissions for unlicensed (secondary) users and licensed (primary) users are allowed to enhance spectrum efficiency in CR networks. The challenge of hierarchical CR networks is to manage mutual interference between primary and secondary systems. In the thesis, we focus on the design of uplink transmission scheme. We present a scheduling algorithm to prevent primary systems from severe interference; afterwards, we use a beamforming approach to maximize the receive signal’s SINR of multiple users in the hierarchical CR network with multicarrier transmissions. The proposed methodology provides many important insights into the system design principles for future hierarchical CR networks.

This project focuses on the study of adaptive communication techniques for cognitive radio. The efficiency of cognitive radio systems is reliant on two key technologies, the quick and reliable detection of primary users’ activation state and the efficient use of the available spectrum under interference constraints. In the first year of this project, a collaborative change detection scheme was proposed to rapidly detect the presence or absence of primary users and, in the second year, an efficient sidelobe suppression scheme was proposed for OFDM cognitive radio systems. In the third year, we focus on a specific multicast application and derive the optimal user selection and transmit covariance matrices under the interference environment. The use of opportunistic multicast scheduling (OMS) with transmit precoding is examined for multicell MIMO systems with multiple multicast groups (e.g., several primary and several secondary multicast groups). In multicast systems, data transmitted by the base-stations (BSs) must be received by all intended receivers and, thus, the transmission rate is limited by the worst intended receiver. OMS traditionally has been used to optimize the tradeoff between unicast and broadcast, but can have an even larger impact in systems with multiple multicast groups since users can be further selected in this case to avoid interference and to respect priority. Here, we assume that the base-stations (BSs) have knowledge of the data intended for all groups as well as the channel state information (CSI) of all links. The OMS and transmit precoder are designed based on two optimization criteria: the worst per-user throughput and the weighted sum throughput. Given the user selection, the problem of finding the optimal transmit precoder under both criteria are non-convex and, thus, are alternatively formulated as convex feasibility problems, which are solved via bisection search. Then, an iterative user selection (IUS) algorithm is proposed to perform the outer optimization on the number of target receivers. The effectiveness of the proposed schemes are demonstrated through computer simulations. Device-to-device (D2D) communications as an underlay to a cellular network enable devices to communicate with each other directly using the same cellular band. Such D2D links reduce the base stations (eNBs) and core network’s loadings while enhancing the spectral efficiency and network throughput by taking the advantage of the proximities of devices. Conventional cellular-based networks require that a link be setup through eNBs/core network. It is very inefficient either in terms of required multi-hop link setup, routing and other network overheads or from the viewpoint of delay and power performance if the physical D2D link offers good communication quality. For efficient D2D communications, a device must be able to track its local environment and discover suitable connecting devices within a short time span. In this report, we propose a D2D link setup protocol that enables a device to establish a reliable D2D link using proper radio resources while causing only tolerable interference to cellular users. We analyze the successful D2D link setup probability based on the proposed protocol and related signal quality requirements and assume both devices and macrocellular users are distributed according to some two dimensional Poisson point processes (PPPs). We find that the computing of such a probability is a quasiconcave function of the device’ transmit power. We apply a bisection search with the help of the derived upper and lower bounds to accelerate the search and prove that the existence of the optimal solution.nt on two key technologies, the quick and reliable detection of primary users’ activation state and the efficient use of the available spectrum under interference constraints. In the first year of this project, a collaborative change detection scheme was proposed to rapidly detect the presence or absence of primary users and, in the second year, an efficient sidelobe suppression scheme was proposed for OFDM cognitive radio systems.

In the third year, we use TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS technology to implement Dual Direct Down-Converter for V-Band Applications, this circuit fully integrated Marchand Balun and Trifilar, and integrated 60 GHz Dual-conversion receiver to integrated circuits(ICs). Schottky barrier diode sub-harmonic mixer is adopted at first down-converter, and a low noise buffer is added to the inter-stage. Second down-converter is a resistive mixer with quarture LO signal. The output orthogonal IF signal is through the wide-band buffer.

And we focus on a specific multicast application and derive the optimal user selection and transmit covariance matrices under the interference environment. The use of opportunistic multicast scheduling (OMS) with transmit precoding is examined for multicell MIMO systems with multiple multicast groups (e.g., several primary and several secondary multicast groups). In multicast systems, data transmitted by the base-stations (BSs) must be received by all intended receivers and, thus, the transmission rate is Hierarchical cognitive radio networks are discussed. As the cognitive radio (CR) technology becomes well-developed and the spectrum resource for wireless communication becomes more deficient, hierarchical CR networks is regarded as next generation networks. Concurrent transmissions for unlicensed (secondary) users and licensed (primary) users are allowed to enhance spectrum efficiency in CR networks. The challenge of hierarchical CR networks is to manage mutual interference between primary and secondary systems. In the thesis, we focus on the design of uplink transmission scheme. We present a scheduling algorithm to prevent primary systems from severe interference; afterwards, we use a beamforming approach to maximize the receive signal’s SINR of multiple users in the hierarchical CR network with multicarrier transmissions. The proposed methodology provides many important insights into the system design principles for future hierarchical CR networks.This project focuses on the study of adaptive communication techniques for cognitive radio. The efficiency of cognitive radio systems is reliant on two key technologies, the quick and reliable detection of primary users’ activation state and the efficient use of the available spectrum under interference constraints. In the first year of this project, a collaborative change detection scheme was proposed to rapidly detect the presence or absence of primary users and, in the second year, an efficient sidelobe suppression scheme was proposed for OFDM cognitive radio systems. In the third year, we focus on a specific multicast application and derive the optimal user selection and transmit covariance matrices under the interference environment. The use of opportunistic multicast scheduling (OMS) with transmit precoding is examined for multicell MIMO systems with multiple multicast groups (e.g., several primary and several secondary multicast groups). In multicast systems, data transmitted by the base-stations (BSs) must be received by all intended receivers and, thus, the transmission rate is limited by the worst intended receiver. OMS traditionally has been used to optimize the tradeoff between unicast and broadcast, but can have an even larger impact in systems with multiple multicast groups since users can be further selected in this case to avoid interference and to respect priority. Here, we assume that the base-stations (BSs) have knowledge of the data intended for all groups as well as the channel state information (CSI) of all links. The OMS and transmit precoder are designed based on two optimization criteria: the worst per-user throughput and the weighted sum throughput. Given the user selection, the problem of finding the optimal transmit precoder under both criteria are non-convex and, thus, are alternatively formulated as convex feasibility problems, which are solved via bisection search. Then, an iterative user selection (IUS) algorithm is proposed to perform the outer optimization on the number of target receivers. The effectiveness of the proposed schemes are demonstrated through computer simulations.

中文關鍵字 :

馬爾尚巴倫、射頻電路、一對二變壓器、雙次降頻器、反射式相移器、巴特拉矩陣、感知無線電 英文關鍵字 :

Marchand Balun, Radio Frequency Circuit, Trifilar, Dual Down-Converter, Reflection-Type Phase Shifter, Butler Matrix, Integrated Passive Device (IPD), Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), Wireless Open Access Research Platform (WARP), Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Cognitive Radio(CR), SPRT, Cognitive Radio.

前言 :

在通訊的領域中，頻譜是非常珍貴的資源，隨著網路的發達與普及，在無線通訊技術的頻譜已經 不敷使用，隨著使用量的增加、速度的需求，高速傳輸的硬體技術又無法跟上通訊規格的時候，我們

需要的是更寬的頻寬，因此除了2.4GHz 和 5GHz 以外，已經有人提出了 60GHz 作為短距離高速傳輸 的解決辦法了，但是由於 60GHz 頻率太高，不可避免的需要較好的製程來達到通訊的需求，隨著製 程的進步雖然電路的表現可以比較好，但隨之而來的就是成本的增加以及系統整合的困難，究竟需要 將傳統802.11a/b/g/n 的射頻前端電路以先進製程實現，或是將 60GHz 部分的射頻電路獨立開來，這 不可避免的會帶來成本的增加，因此需要提出一個解決的辦法來。另外，近年來，感知無線電技術[1,2] 以其能有效利用頻帶空洞(spectrum hole)的特性而受到熱烈的觀注。在感知無線電網路中，當主要使 用者沒在用授權的頻帶(spectrum)時，次要使用者可利用該頻帶傳送自己的資料。一旦主要使用者開 始使用此頻帶時，次要使用者必須盡可能立即停止使用該頻帶。因此，為了盡可能的使用未被使用的 頻帶，頻帶偵測技術 – 檢測主要使用者的訊號是否存在的技術，便是感知無線電網路中一個重要的 議題。在限制對於主要使用者的影響程度下，如何讓次要使用者的頻帶使用效率最大化是個基本的議 題。網路流量(throughput)是一個衡量頻帶使用效率的好準則。直覺地，當次要使用者花愈多的時間來 偵測，會有愈高的準確度，對於主要使用者的影響就會愈小，但是如此一來，所能傳送的總流量就會 被壓縮。因此為了能有效地利用主要使用者的頻帶空洞並且控制對主要使用者的影響在可容忍的範圍 內，如何在傳送資料和偵測頻譜的時間分配上取得平衡也是個重要的議題。在感知無線電系統中，為 了增加頻譜使用的彈性和合適性，正交分頻多工是個常被使用的技術。在這些系統中，次要使用者可 以適應性地開啟和關閉在不同子載波上的傳輸以避免干擾到主要使用者。然而，即使已經關閉了在主 要使用者所使用的頻段的子載波，鄰近的子載波的旁瓣輻射仍會造成的巨大的影響，特別是在干擾限 制要求很嚴格的感知無線電系統。因此在次要使用者的訊號上做預處理來最小化這個效應是必須的。 另外，由於對於高速群播傳送的需求與日漸增，如軟體更新、檔案下載和多媒體串流等應用，近幾年 實體層群播技術引起了許多人的關注。當相同的訊息要同時分送給一群使用者時，由於無線媒體的廣 播特性，群播會比傳統的單點傳送更有效率。當次要使用者取得頻譜使用權之後，次要使用者們便可 以藉由形成群播網路來進行更有效率的資料傳輸，配合多天線的設備，更能實質地提升頻譜的使用效 益。為了解決這些值得探討的議題，在此為期三年的計畫中，我們針對以下三個主題依續做深入的研 究：(一)如何快速地偵測主要使用者使用頻譜的變遷狀況；(二)如何最小化對主要使用者的旁瓣干擾 和最大化傳輸速率；(三)如何選取群播的群組和傳輸速率最大化最小的傳輸速率和最大化整體的加權 傳輸速率。此外，由於高速率無線傳輸之需求越來越大而頻譜資源仍十分有限，直接的裝置對裝置 (Device-to-Device, D2D)通訊不失為一既可以增加頻譜使用效率、減少現有網路負擔且可降低整體耗 能的解決方案。D2D 通訊跟傳統的蜂巢式網路不一樣，以往裝置要通訊時必須上行到基地台，再由 基地台下行到另外一個裝置，但對於兩個鄰近的裝置來說，這是一種非常沒有效率的傳輸方法。此外， 因為它是一種近距離傳輸的技術，可以帶來一些額外的好處，包括:具有相對高的資料傳輸速率，低 傳輸延遲，較少的功率損耗[19]，減輕基地台及核心網路負載且因為裝置重覆使用蜂巢式網路的頻譜， 可以有較高的頻譜使用效率[20]。但因為用到原本蜂巢式網路所使用的頻譜，需要考慮對原來蜂巢式 使用者所造成的干擾。D2D 的應用包含了社交網路、公共安全和減輕網路負載[21]。儘管 D2D 具有 許多優點，同時也存在著一些問題，像是端對端通訊建立的機制，如何處理蜂巢式網路與 D2D 使用 者間相互的干擾，在D2D 傳送模式和蜂巢式網路的切換，都是 D2D 通訊所要考慮的。 研究目的 : 在已經商品化的通訊產品中，已經有人使用了2.4GHz 傳送資料及 5GHz 傳送影像的方法了，由於 在802.11n的協定中，是可以使用2.4GHz或是5GHz的頻段，但是卻沒有同時傳送的訊號處理機制作配 合，如果想要使用該方法來同時傳送資料和影像，就必須增加硬體成本來實現，為了解決該問題我們 提出使用60GHz傳輸影像而2.4GHz/5GHz傳輸資料的模式，如此一來就能夠避免上述的問題，並且使 用60GHz的頻寬可以傳送更高資料量的高畫質影像；因此，本計畫實作了60GHz的低成本雙次直接降

頻器。而在感知通訊技術方面，我們將機會式群播排程的概念延伸到多細胞(multicell)多天線(MIMO) 之多群組的群播網路。例如，在感知無線電中，主要系統與次要系統可各自組成各自的多細胞多天線 群播網路，而藉由群播群組和傳輸共變數矩陣的設計，以減少干擾，並最大化傳輸速率。我們根據兩 種最佳化的準則來設計機會式群播排程和傳送預先編碼器：最差的平均用戶吞吐量和加權和吞吐量。 在這兩種準則的情況下，此問題被分為內部及外部的最佳化問題。在內部最佳化問題中，會先在給定 所選的用戶時找出最佳的傳送預編碼器。這個問題在兩種準則下皆會是非凸面的最佳化問題，因此會 被轉化為凸面可行性問題，它可以被二分法搜尋來解出答案。接著，外部的最佳化問題是最佳用戶選 擇的問題。然而，因為這問題本質上是個排列組合的問題，當用戶數量增加時，複雜度也跟著提高許 多而無法解出。因此，我們提出了疊代的演算法來降低搜尋最佳用戶選擇的複雜度，也用電腦模擬的 結果來展示我們所提出的方法是有效的。D2D通訊存在一個問題，當兩個裝置可以直接通訊時，它們 必須知道(偵測到)彼此的存在且迅速建立鏈路。大多數的文獻皆著重於資源分配、功率控制和模式(網 路)的選擇[22-30]，多數的研究均假設，D2D的鏈路已建立完成，且只考慮一對裝置間之通訊，只有 少許文獻探討鏈路建立的流程[31-33]，但也都限於單一鏈路之建立且缺乏干擾之考慮。本計畫要研究 的即是D2D鏈路建立的流程，我們探討同時多對D2D鏈路之建立。在避免對原蜂巢用戶造成過量干擾 的原則下，這些鏈路應盡量與現有蜂巢網路用戶共享資源。 文獻探討 : 在1944年由Marchand提出Marchand Balun的電路架構，最早為同軸傳輸的複雜立體架構(圖51)， 後 來 由Roberts將其簡化為簡單的平面耦 合架構 ( 如 圖52) ， 該 段 平 面 耦 合 線 又 稱 之 為 Marchand Compensated Balun，因此得以提供另一共振腔來增加頻寬，在射頻電路的電路中，不論是Amplifier、 Frequency Doubler及Phase Shifter，都需要Balun提供平衡式訊號。此次設計的Marchand Balun 具有可 使用在寬頻帶，產生平衡式訊號的效果。討論Marchand Balun時，我們很在意頻寬的問題，我們必須 要有寬頻且Phase準確的元件，而Marchand Balun當頻率不在中心頻率時，開路傳輸線阻抗小，而短路 傳輸線阻抗相對很大，因此阻抗依然會接近負載阻抗，這就是為什麼我們選擇Marchand Balun的原因 了，該元件寬頻的特性在60GHz的應用上非常足夠，我們可以使用Marchand Balun來針對我們的頻帶 作平衡式訊號的供給。另一方面而言，多數討論實體層群播技術的文獻會假設基地台是同時傳輸資料 到所有在群播群組中的使用者。在此情況下，每個時間槽的傳輸速率便會受限於通道增益最糟的使用 者。這種問題可使用機會式群播排程 (opportunistic multicast scheduling, OMS)來解決[3-6]，其中在每 個時間槽只有使用者的子集合(即有足夠好的通道的使用者)會被選為接收端。用噴泉碼(fountain codes) 將訊息編碼並在多個時間槽傳送，不論接收到訊息時間為何，每個使用者可以在收到足夠的訊源位元 後將訊息還原。多使用者分集(multiuser diversity)和群播增益(multicast gain)間最佳的平衡可透過在每 個時間槽選擇最佳的使用者集合當做接收端來做到。這個概念有被延伸到[8]的多天線的系統，和[10] 用連續解碼(successive decoding)[9]的多群播群組情境。其中特別注意到，上述的系統只有考慮單一天 線的收發端。文獻中也有許多考慮最佳化多天線群播傳輸的問題，然而這些研究多數假設所有使用者 在每個時間槽都是會被同時服務到的，而專注於設計在傳送端的群播波束成形(beamformer)。在[11] 中，考慮了單一基地台與單一群播群組系統的群播波束成形問題。在[12]中，這個問題被進一步地延 伸到多群組。[13]和[14]提出了疊代演算法來降低[11,12]的計算複雜度。在多天線系統使用機會式群 播的應用近期在[15,16]有被研究到，但只有考慮單一基地台的波束成形。現在存在許多區域通訊技術， 像是Bluetooth、WLAN (Wireless Local Area Network)和ZigBee，Bluetooth是一種短覆蓋範圍且操作在 未許可的頻譜上，範圍約莫10公尺，Bluetooth裝置可以在周遭找7個其它的裝置，鄰近搜尋的過程可 分成兩種步驟，inquiry過程和paging過程，詳細的鏈路建立過程可以參考[34]。因為WLAN的訊號是 以廣播的形式，任何在AP (Access Point)週遭的裝置都可以共享資源，其傳輸必須要透過AP傳送。

WL 廣播 程可 節器 Blu 的通 的服 研究

A.智

A.1. 統， 因此 於主 Ant A.2. a. 訊 LAN裝置偵 播訊號給周 可以參考[35 器來控制整 etooth和WL 通訊環境，這 服務。 究方法與成

智慧型天線

. 階層式感 我們所考 次要系統可 此，干擾控制 主要系統的 在此研究 tenna, MIM S B . 波束權重 訊號模型: 假設基地 偵測AP的方式 周遭的AP，由 5]。ZigBee 整個網路，詳 LAN等操作 這對於需要 成果討論 :

線於階層

感知無線電系 考慮的無線通 可以在不對 制是對於次 的干擾，並且 究中，主要及 MO)且正交分 Transmit Set of Sched Channel Channel Beamformin Tx Ant Rx Ant 重設計 地台各有M 根 式有兩種形 由裝置接收 e是一種自我 詳細的鏈路 作在非許可 要服務品質的

層式感知無

電系統 通訊系統可 對主要系統造 次要系統的重 且盡量消除 圖 及次要系統 分頻多工(O t Power duled UEs of Data l of ICI ng Weights tennas tennas k : Primary 根天線，使 形式，一種是 收週遭AP的 我建構的技 路建立過程 可頻段的技術 的使用者是

無線電系統

可以用圖1 來 造成嚴重干 重要要求， 除主要系統造 圖1 階層式 統都採用最 Orthogonal F Seco h g s _w y/Secondary 表 使用者各有 是裝置透過 的回報來選擇 技術，經由傳 程可以參考[ 術具有許多 是非常重要的

統之最佳上

來表示，包括 干擾的前提下 次要系統必 造成的干擾 式感知無線電 最先進的多輸 Frequency D ondary Sys Qs S , h sc k n (M*1 , gk n_sc (M*1 , w sc k n (M*1 1 M y UE’s index 1 系統參數 1 根天線， 過AP所傳送 擇要與哪一 傳送要求， [36]。D2D通 多優點，只有 的，因此使

上行傳輸技

括一個付費 下，共用主要 必須藉由得 擾，以利本身 電系統架構 輸入多輸出 Division Mu stem 1) 1) 1) x; nsc : Subc 數符號表 也就是兩個 送過來的訊息 一個AP建立鏈 裝置都可以 通訊是操作 有許可頻段可 使用者才會願

技術

費的主要系統 要系統的頻 得知整體系統 身的資料傳 構圖 出天線(Mult ultiplexing) Primar , h_{k nsc} , gk n_sc , w sc k n  carrier index 個系統最多 息偵測，另 鏈路，詳細 以進入到網 作在許可頻 可以提供穩 願意支付費 統與一個非 頻譜資源，同 統的通道資 傳送。 ti-Input and )技術來實行 ry System Qp Sp (M*1) (M*1) c (M*1) 1 M x 多各能同時服 另一種是由裝 細的鏈路建立 網路，並沒有 頻段，它相對 穩定和干擾可 費用來享受D 非付費的次要 同時傳送資料 資訊，來控制 d Multi-Ou 行資料上傳 服務M 個使 裝置 立過 有調 對於 可控 D2D 要系 料。 制對 utput 傳。 使用

者。 對次 訊號 b. 最 號的 Prob 為了 (qua Prob 問題 分逼 。 次要系統而 號之SINR: 最大化訊號 假設次要 的SINR，以 blem (1): 了求得上述 asi-concave blem(2): 題(2)在 t 固定 逼近法求得 而言: 號對干擾雜訊 要系統選擇了 以確保接收 述問題的最佳 e)函數，接著 定時是凸面 得: 訊功率比(S 了合適的使 收訊號的品質 佳解，我們 著運用已知 面最佳化問 SINR): 使用者群組上 質為最佳， 們運用凸面最 知的問題轉換 問題，可以用 上傳資料，則 最佳波束權 最佳化理論 轉換技巧將此 用現有的int 則系統可以 權重問題可 論，證明此問 此問題轉換 terior-point 以利用波束權 可表式為下式 問題的目標 成準凸面最 method 求解 權重技術來 式: 標函數為準凹 最佳化問題 解，因此最 來最大化接收 凹面 題: 最佳解可以用 收訊 用二

A.3. 主要 率可 使用 為了 造成 1. 2. 當符 選入 大於 通道 使用 排程 . 使用者排 要系統使用 因為次要 可以被表示 用者排程的 了降低演算 成干擾較小 d g g~ 2  : 通道向量和 符合條件的 入通道增益 於臨界值ρ 道增益平均 用者通道正 程演算法的 排程設計 用者之接收訊 要系統的加入 示如下: 的設計目標就 算法的運算量 小的一組集合 通道增益夠 和接收端的 的候選者被決 益與通道正交 。 均值G: 正交性平均值 的步驟如下: 訊號: 入，對主要 就是選擇出 量，我們先 合，選擇的 夠小，也就 的波束權重向 決定後，我們 交性之比值 值ω: 要系統造成額 出合適的次要 先從次要使用 的標準為: 就是距離主要 向量正交， 們先選擇對 值最大的使用 額外的干擾 要使用者集 用者的干擾 要系統的基 兩向量的正 對次要系統基 用者，在每次 擾(inter-cell i 集合，使得造 擾通道向量( 基地台夠遠 正交性定義 基地台來說 次選入使用 interference 造成的干擾功 g~)作判斷 。gd  義為Ω: 說通道狀態最 用者後還須判 e)，接收到干 功率小於一 ，選擇出對 s Q  (dB) 最好的使用 判斷造成的 干擾訊號的 一個上限值 對於主要使用 用者，接者依 的干擾功率是 的功 ρ。 用者 依次 是否

A.4. . 模擬結果 系統參數及 N N 果 及通道模型 Cell R Number Beamfo Sched Transmit Noise P Number of Channel Number of S 型如下表所示 adius of UEs ormer duler t Power Power f Antennas l Model Subcarrier 圖2 系 示： Gree r 表2 系 系統使用者之 Primary 1 km 50 ZFBF edy for best

23 dBm 1 T 3 12 (i.e. 1 R 系統模擬參 之頻譜使用 t CSI -174 dBm x for UE, 4 3GPP MIM RB), BW: 1 參數設定 用效率實驗性 Seco 50 Op Pro 17 m/Hz Rx for BS O SCM 15 kHz/subc 性CDF ondary 00 m 50 ptimal oposed dBm carrier

圖2 入次 主要 圖 並對 無法 計搭 大； 較於 從表 這是 降。 2 為本研究 次要系統雖 要使用者的 3 是為了探 對接收訊號 法有效的消 搭配zero-fo ；當系統多採 於ZFBF 更能 表3 可以看 是因為低於 。 究提出之階層 雖然造成主要 的減少量，因 探討本研究 號採用傳統的 消除干擾，因 orcing beam 採用所提出 能有效的消 看出，當要求 於干擾功率上 層式感知無 要系統頻譜 因而促成系 圖3 在不 究所提出之演 的zero-forc 因此反而造成 mforming(Sc 出之最佳波束 消除干擾。 表 3 使 求服務的次要 上限要求的 無線電系統， 譜使用效率的 系統整體頻譜 不同系統演 演算法是否 ing beamfo 成整體系統 cheduling+Z 束權重設計 使用者人數對 要使用者人 的使用者太少 ，在上行模 的些微下降 譜使用效率 演算法下，系 否有效，所做 orming(Rand 統的頻譜使用 ZFBF)時，整 計時，頻譜使 對次要系統 人數過少時 少，所以使 式下，頻譜 降，但是次要 率的提升。 系統頻譜使 做出的模擬 dom+ZFBF 用效率降低 整體頻譜使 使用效率大 統使用者排程 ，次要系統 使用者多樣 譜使用效率的 要使用者頻譜 使用效率之比 擬結果，當次 F)設計時，模 低；當次要系 使用效率有所 大幅提升，這 程的影響 統無法選取足 性過低會使 的模擬結果 譜使用效率 比較 次要系統隨 模擬結果顯 系統採用所 所提升，但 這是因為所 足夠多的使 使次要系統 果，可以看出 率的加入遠大 隨機選取使用 顯示，次要系 所提出之排程 但是提升幅度 所提出的設計 使用者作服務 統的總傳輸率 出加 大於 用者 系統 程設 度不 計相 務， 率下

圖4 次要使用者採用不同傳輸功率對頻譜使用效率的影響 圖4 的結果是在採用本研究提出之演算法為前提下得到，可以看出增加次要使用者的傳輸功率，只會 增加次要使用者頻譜使用率實驗數值中最佳5%的平均值，以及降低主要使用者頻譜使用率實驗數值 中最差5%的平均值，然而，對雙方整體的平均值幾乎沒有造成影響，從保護主要使用者及節能的觀 點看來，次要使用者應當採用較低的傳送功率。 A.5. 結論 本研究提出階層式感知無線電在上行傳輸時可以採用的波束權重與使用者排程設計，模擬結果顯 示本研究提出的方法可以有效降低干擾以增加整體系統的頻譜使用率。從模擬結果亦可觀察出，次要 系統之使用者密度應達到一定數量，才有足夠的使用者多樣性(user diversity)使次要系統完全利用其天 線自由度，而達到最大的系統總傳輸率。另外，增加次要使用者的傳送功率對於系統的平均傳輸率沒 有太大影響，因此建議次要使用者採用滿足細胞覆蓋範圍的最低傳送功率。

B. 多細胞多天線網路中利用傳送預先編碼的機會式群播排程技術

我們考慮一個由 個具有 根天線的基地台和 個單一天線的使用者所構成的下行(downlink) 的網路，如錯誤! 找不到參照來源。所示。令 個群播群組為 ，而每個群組有 想收到 相同訊息的使用者； 是基地台 和使用者 之間的瞬時通道向量。我們假設基地台們有完美 的通道狀態訊息，並且考慮時槽(time-slotted)系統，即 在一個時槽間是不變的，而在時 槽和時槽之間的轉變是獨立的。在基地台會彼此合作的情境下，基地台間會彼此分享通道狀態訊息。 一群使用者可被多個基地台服務，而一個基地台也可以服務多個使用者群組。定義 為服務群組 的 基地台形成的集合，和 為被基地台 所服務的群組集合。因此，使用者 收到的訊號可以寫做 其中 而 為在使用者 的複高斯白雜訊。 此外，我們假設 是不相關的； 裡的元素也是假設為獨立且同分佈，分佈為 。基地台 的個別功率的限制可以寫做 。當使用者將干擾當作雜訊來處理時，在使用者 的 訊號對干擾及雜訊比(SINR)為 定義共變數矩陣 。矩陣 為一個塊狀矩陣(block matrix)其中第 個區塊為 。利用 ，在使用者 的訊號對干擾及雜訊比可以表示為 B.1. 最佳傳送預編碼器

在多數之前群播的研究中，傳輸的方法可以被分類為傳送波束成形(transmit beamforming)和空 間多工(spatial multiplexing)。在傳送波束成形方法中，基地台可利用通道狀態訊息來建造一維的 波束成形向量以提高系統的效能。但是這麼一來的缺點是這最佳化的問題是一個非凸面(non-convex) 且非確定性多項式難度(NP-hard)的問題[11]。因此我們可將問題藉由半定放寬(semidefinite relaxation, SDR)的技巧重新表述，而也因為維度限制而是次好解(suboptimal)。另一方面，空間多 工方法可以傳送傳輸共變數矩陣為 的訊號 ，其中 是一個常數系數。這個方法 可以達到滿維度，但這沒有用到通道狀態訊息來設計傳輸共變數矩陣。因此，我們採用最佳的傳輸預 編碼器方法，它利用了通道狀態訊息和全部的自由度(degree of freedom)來設計傳輸共變數矩陣。 在[8]中，我們可以觀察到最家傳輸預編碼器方法比波束成形和空間多工來的好。 B.2. 機會式群播排程 傳統的群播系統中，基地台總是會選所有的使用者來傳送資料，因此傳輸速率便會受限於訊號雜 訊與干擾比最差的使用者。為了提高傳輸速率，我們使用機會式群播排程方法讓每個訊息橫越多個時 間槽傳送。在第 個時間槽，基地台選擇使用者子集合 來傳送。由於通道狀態在時槽與時 間之間是獨立且相同地變化，所以每個使用者有相同的機率成功地收到傳送的資料而因此時間索引 是可以被忽略的。如此一來，群組 的群播速率可以表示為 接著，我們定義 為子集合 的使用者數。藉由無速率約束碼(rateless code)的邊碼方法， 如噴泉碼[7]，將訊息邊碼成資料串流傳送出去，而任一使用者在收到足夠多的訊源位元後便可以復 原原始訊息。在每個時槽，基地台選擇最佳的使用者子集合來傳輸以滿足吞吐量最大化。在機會式排 程下方法中[8]，跟傳統總是選擇所有使用者來傳輸的群播方法比較起來，效能是有提升的。因此在 機會式排程的方法下，我們依分別用最差的平均用戶吞吐量和加權和吞吐量這兩個準則來設計我們的 系統。

準則 1：最差的平均用戶吞吐量(the worst per-user throughput) 定義用戶平均吞吐量為 則最佳化問題可寫成 (1) 最佳傳輸送編碼器設計 在最佳化問題(1)中，由於這些參數都耦合在一起，導致這個問題是棘手的。為了解決這個最佳 化問題，我們把他分為內部和外部的最佳化問題。給定用戶子集合 ，我們的目標是設計

來最大化最差的平均用戶吞吐量。內部的最佳化問題可以表示為 (2) 這是一個非凸面的問題，並不容易解出，因此我們試圖將它轉化為可行性問題，就可以用二分搜尋法 來有效率地找出解。將速率的限制併入目標函數，此最佳化問題可寫為 引入一個輔助變數 來當作最差平均用戶吞吐量的下界，這問題可以寫為 接著我們想針對非凸面的吞吐量限制把這個問題轉換為半正定規劃(semidefinite programming, SDP) 的型式，此問題變為 然而，由於非線性的限制(變數耦合在一起)，這問題依舊是一個難解的非凸面問題。因此，我們固定 ，這問題便成為一個凸面可行性問題，可以寫做

這時我們就可以使用專門來解凸面最佳化問題的軟體 CVX[17]解我們的問題。藉由二分法搜尋到最佳 的 。二分法的演算法程序如下所述： 1. 假設最佳的 是被限制在 。 2. 初始化上界 和下界 ，其中 是系統的總功率。 3. 將中間點 代入這個可行性問題。 4. 若這解是可行的，我們調整下界為 。若這個解是不可行的，我們調整上界為 。 5. 重複上述的步驟直到解為可行的且滿足 ，其中 是一個收斂準則。 執行二分演算法後，我們可以找到給定用戶子集合 時可最大化平均用戶吞吐量的傳輸共變數 矩陣 。 最佳用戶選擇 為了找到最佳用戶子集合 來傳輸資料，我們必須從 個可能的用戶子集合組合挑選。 當用戶數量增加時，搜尋的複雜度便會相當高。為了降低搜尋的複雜度，我們把子集合搜尋問題分為 兩個步驟，可寫為 當給定子集合大小 時，解上述的最佳用戶子集合問題也是很困難的。因此我們提出了疊代用戶

選擇(iterative user selection, IUS)演算法來降低複雜度，描述如下：

1. 給定子集合大小 ，選擇包含最大通道增益 的初始群播子集合 。 2. 令 為第 次疊代的群播子集合。 3. 當決定了群播子集合 後，我們可由二分搜尋法得到最差的平均用戶吞吐量 和共變數 矩陣。最佳化問題為 4. 由於子集合大小 是固定的，最大化最差平均用戶吞吐量問題等效於最大化訊號與雜訊干 擾比。 5. 因此我們用最大的 個訊號與雜訊干擾比用戶子集合來更新群播子集合 。 6. 重複步驟 3、4 和 5 直到條件 成立，其中 為收斂準則。 經過疊代用戶選擇演算法之後，基地台會選擇可最大化每個群組最差平均用戶吞吐量的最佳子集合大

小 。令 和 為對應之具有最佳子集合大小的最佳群播子集合和最佳傳輸共變數矩 陣。子集合大小選擇問題可以表示為

其中 是群組 的的傳輸速率並可表示為

準則 2：加權和吞吐量(weighted sum throughput) 我們定義加權和吞吐量為 其中 是群組 的加權係數並且 ，則最佳化問題可寫成 (3) 最佳傳輸送編碼器設計 最佳化問題(4)因為參數都耦合在一起，是個難解的問題。為了解決這個問題，我們它分成內部 和外部最佳化問題。當用戶子集合 給定時，我們目標是設計 來最大化加權和吞吐量。 此內部最佳化問題可以表示為 這問題是非凸面的，因此無法有效率地解它。[18]利用凸面可行性問題來解在多輸入單輸出(MISO) 干擾通道系統裡的柏拉圖最佳速率組合(Pareto optimal rate-tuple)。因此我們試圖轉換我們的問 題為可行性問題。

類似地，我們把問題再針對非凸面的限制轉化為凸面的，即 = 給定一個速率資料 ，這問題可寫做 當固定變數 時，這問題為一個凸面可行性問題 我們可以用 CVX[17]來解決這個問題。最佳的 可透過二分搜尋法得到，程序如下： 1. 假設最佳的 是被限制在 。 2. 初始化上界 和下界 ，其中 是系統的總功率。 3. 將中間點 代入這個可行性問題。 4. 若這解是可行的，我們調整下界為 。若這個解是不可行的，我們調整上界為 。 5. 重複上述的步驟直到解為可行的且滿足 ，其中 是一個收斂準則。 在二分法之後，可以找出在特定的 下最佳的 。藉由搜尋所有可能的 ，我們可以找到最大的加權 和吞吐量。 最佳用戶選擇 為了找到最佳用戶子集合 來傳輸資料，我們設計可以使加權吞吐量最大化的共變數矩陣 。我們把子集合搜尋問題分為兩個步驟，可寫為

當給定子集合大小 時，解上述的最佳用戶子集合問題也是很困難的。因此我們提出了疊代用戶 選擇(iterative user selection, IUS)演算法來降低複雜度，描述如下：

1. 給定子集合大小 ，選擇包含最大通道增益 的初始群播子集合 。 2. 令 為第 次疊代的群播子集合。 3. 當決定了群播子集合 後，我們可由二分搜尋法得到最大加權和吞吐量 和共變數矩 陣。最佳化問題為 4. 由於子集合大小 是固定的，最大化加權和吞吐量題等效於最大化訊號與雜訊干擾比。 5. 因此我們用最大的 個訊號與雜訊干擾比用戶子集合來更新群播子集合 。 6. 重複步驟 3、4 和 5 直到條件 成立，其中 為收斂準則。 經過疊代用戶選擇演算法之後，基地台會選擇可最大化加權和吞吐量的子集合大小 。最大化加 權和吞吐量可表示為 B.3. 結果與討論 我們依據兩種準則來設計機會式群播排程的方法用數值模擬結果來說明這些方法的效能，並與廣 播之機會式排程(傳送給所有用戶)方法和單播方法(傳送給每個群組中的單一使用者)。在所有的電腦 模擬中，我們考慮多天線輸入多天線輸出系統，並設定 和 。每個基地台的功率限制 皆 相同，而訊號雜訊比(SNR)定義為 ，其中雜訊的變異數為 。

準則 1：最差的平均用戶吞吐量(the worst per-user throughput) 概述最大化最差平均用戶吞吐量方法的程序：

1. 在每個時間槽，通道狀態 維持不變。

圖 2 20 個 4 和非 給所 基地 好。 和圖 以滿 住， 干擾 方法 圖 1 合 2 平均用戶吞 個和 10 個 戶吞吐量 . 經過許多 我們考慮 非合作式多 所有用戶。在 地台傳送的 。 圖 2(b)的用 滿足每個群 ，導致在高訊 擾是最小的 法會根據不 合作式基地台和 吞吐量對訊號雜 量的最佳子 多時間槽後 慮三個不同的 多天線(non-在協同式多 的訊號都是干 用戶數分別 群組平均用戶 訊號雜訊比 ，因此平均 不同的情境適 和傳統多細胞 (a) 雜訊比。(a) 子集合大小 後，我們可 的狀況，合作 -cooperati 多天線架構下 干擾的傳統 別為(10,10) 戶吞吐量相 比時無法持續 均用戶吞吐量 適應性地調 胞網路之比較 中 2 個群組都 小 。 可以計算每個 作式多天線 ve MIMO)。 下，基地台 統細胞網路 和(20,10) 相等。廣播方 續提升。另 量會隨著訊 調整，因此可 較。共有 2 個群 都是 10 個用戶 個群組的平 線(cooperat 在合作式多 台只分享通道 路比較，在圖 )。由於最大 方法總是傳送 另一方面，單 訊號雜訊比 可以達到最 群播群組，每 戶，(b)中群組 平均用戶吞吐 tive MIMO) 多天線架構 道狀態訊息 圖 1 中可明 大最小最佳 送給所有使 單播方法在 上升而增加 最佳的效能 每個群組有 20 (b) 組 1 和群組 2 吐量 、協同式多天 構下，基地台 息來減少互相 明顯地看到 佳化問題，資 使用者，因此 在每個群組選 加。最後，我 。然而，在 0 個用戶。 2 的用戶數分 多天線(coor 台可以合作 相的干擾。 到合作式架 資源將會被 此吞吐量會 選一個用戶 我們所提出 在圖 2(b)中 分別為 矩 。 3 所有 子集 大 組合 選出 個可 最大 平均 rdinated MI 作地將訊息傳 和來自於其 架構的效能比 圖 我們 示了 均用 吞吐 與訊 雜訊 的關 參數 定 ，在 2(a 被公平地被分 會被高干擾限 戶，這對彼此 出的機會式排 中可看到當用 陣 3. 從 有的 集合 小 合中 出一 可以 大化 均用 IMO) 傳送 其他 比較 在 2 中 們展 了平 用戶 吐量 訊號 訊比 關係。 數設 為 在圖 a) 中 分配 限制 此的 排程 用戶

況， 到訊 好時 是緩 所有 都相 教佳 效能 影響 圖 ，這是問題 訊息，廣播方 時，在低訊號 緩慢的。為了 有用戶。 接著，我 相同， 佳的效能。當 能在用戶數 響因素。我 圖 3 平均 圖 4 平均用戶 題(2)的一個特 方法的傳輸 號雜訊比的 了提升吞吐 我們在圖 3 。當系 當用戶數增 數很多的時候 我們可以在圖 (a) 均用戶吞吐量對 戶吞吐量對訊號 特殊狀況。 輸速率會受限 的環境吞吐量 吐量，基地台 考慮平均用 系統的用戶 增加時，一開 候是不佳的 圖 3(b)中看 對用戶數，S 號雜訊比。1 參數設定為 限於訊號與 量便會降低 台會選擇所 用戶吞吐量 戶少時，對 開始機會式 。當群播群 看出機會式 SNR=10dB。(a 個具有 10 個 為 和 與雜訊干擾比 低。由於對數 所有用戶來傳 量與用戶數的 對彼此的干擾 式排程可以明 群組只有一個 式排程和廣播 a)2 個群組 ( 個用戶的群播 。 比最差的用 數含數特性 傳送。因此 的關係。我 擾是輕微的 明顯地有好 個時，通道 播明顯的不 (b) b)1 個群組 群組。 為了確保每 用戶。一旦任 性，當訊號雜 此，最佳的傳 我們設定 的，因此選擇 好的吞吐量 道增益在用戶 不同。 每個用戶都 任一用戶的 雜訊比增加 傳輸方法會 dB 和 擇所有的用 。但隨著用 戶數多的情 數增加 因 為 干 跟 著 提 的關係 個 群 組 平 均 用 吞 吐 量 會 降 的。 在 4 中我們 慮 單 群 群 組 的 都可以成功地 的通道狀態變 加時速率的上 會趨向於傳送 和每個群組大 用戶來傳送會 用戶數越來越 時 戶 的 度 是 定 的 基 地 無 法 到 同 讓 干 減 少 用 戶 集 合 傳 送 因 此 機 會 排 程 情境下是主要 時， 干 擾 提 升 ，每 組 的 用 戶 量 是 低 圖 們考 群 播 的 狀 地收 變不 上升 送給 大小 會有 越多 ， 用 的 密 是 穩 的 ， 地 台 法 找 同 時 干 擾 少 的 戶 子 合 來 送 。 此 ， 會 式 程 的 要的

準則 1 2 3 4 5 找不 好。 圖 則 2：加權和 概述最大 . 在每個時 . 給定一組 到群播子 . 從所有 . 從所有可 . 經過許多 二分法的 不到參照來 。在錯誤! 圖 5 兩個群播 圖 和吞吐量(w 大化加權和吞 時間槽，通 組比例 子集合 有的子集合 。 可能的 多時間槽後 的誤差準則設 來源。中考慮 找不到參 (a) 播群組加權和吞 圖 6 兩個群播 weighted s 吞吐量方法 通道狀態 和共變 大小 後，我們可 設為 慮三種不同的 照來源。( 吞吐量對訊號 播群組的速率 sum throug 法的程序： 維持不變。 和固定子 變數矩陣 組合中選 中選出一 可以計算最大 ，步幅(ste 的合作架構 (b)中，我們 號雜訊比。(a 率區域。SNR= ghput) 。 子集合大小 。 選出一個可 一個可以最大 大的平均加 ep-length 構。可以看出 們考慮相同 a)各有 20 個用 =10dB，每個群 ，我 可以最大化 大化加權和 加權和吞吐量 )為 0.1，而 出合作式多 同加權因子 (b 用戶 (b)各有 群組有 10 個用 我們可以透過 化加權和吞 和吞吐量的 量為 而 落在 多天線架構的 子( ) 有 10 個用戶 用戶。 過疊代用戶 吞吐量的最佳 。 區間。首先 的效能都來 ) 戶。 戶選擇演算法 佳子集合大 先我們在錯 來的比其他兩 和相同用戶 法得 大小 錯誤! 兩種 戶數

( )的情境。我們可以觀察到機會式排程的效能在高訊號雜訊比的情況下比廣播和 單播都來的好。 最後，我們展示了每個群組有 10 個用戶的群播區域。在錯誤! 找不到參照來源。中的每個點表 示最大加權和吞吐量的的集合。在分時多工存取-機會式排程(TDMA-OMS)的方法下，其中基地台在每 個時間槽都會傳送訊號給單一群組，群播區域便成為與 X-Y 橫越軸的一條直線。然而，我們的研究則 可以達成一個凹面的曲線，因此可以說同時傳送給兩個群組會比個別傳送來的好。

C. 自主式裝置對裝置間通訊鏈路之建立

C.1. 裝置搜尋機制 D2D 鏈路建立包含兩個條件: 1) 至少一個空閒的接收裝置其所接收到訊號的訊號雜訊比(Signal-to-noise ratio, SNR)高於門檻d。 2) 主動裝置可以和接收裝置所要求的傳送通道的蜂巢式使用者共用，同時不會使蜂巢式使用者的訊 號與干擾加雜訊比(Signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)小於門檻_u。

我們提出了建立D2D 鏈路建立的流程，分成下述四個步驟: 1) 存取探詢通道: 探詢通道是為了一開始裝置和裝置建立鏈路所提供的通道，當有主動裝置想要跟 鄰近的接收裝置建立鏈路時，它利用載波監聽多重接取的方法去監聽探詢通道是否有其他裝置正 在使用，假如沒有其他裝置在使用，它就在探詢通道傳送探詢訊號去詢問周遭是否有其他接收裝 置，假如正在被使用的話，就隨機等一段時間在監聽。 2) 裝置搜尋: 當主動裝置可以成功存取到探詢通道時，它會在通道上傳送功率為P 的探詢訊號。假_D 如空閒的接收裝置收到的SNR 高於預先設定的門檻_d時，它會回報一個訊息告訴主動裝置說我成 功收到你的訊息且之後要在哪個通道上做傳送。如果有多個接收裝置回報訊息，主動裝置則會擇 一與其溝通，若無裝置回報，則跳到第一步驟。 3) 資源搜尋: 當主動裝置成功選擇到接收裝置，那麼它會在接收裝置所要求的通道傳送功率為P 的_D 探詢訊號，確認在這通道上使用的蜂巢式使用者是否可以忍受所受到的干擾，也就是說其SINR 是否符合要求，假如可以就執行第四步驟，相反地則跳回第一步驟。 4) D2D 通訊鏈路建立: 當完成上述步驟後，兩個達到共識的裝置就會開始溝通並決定所要使用的調 變/編碼方法，即開始通訊的鏈路。 C.2. 環境設定與分析 系統環境以圖一表示，是一個單一細胞二維的環境 (d=2)，蜂巢式使用者均勻地分佈在細胞的範 圍，主動裝置和接收裝置分別由兩個獨立且均勻的卜瓦松點過程 和_a  ，其密度分別為_d _a和_d， 所有主動裝置的探詢訊號功率皆為P ，接收裝置的忙碌機率為_D  ，R 為細胞的半徑，通道個數為 M，_C T P 為基地台的傳送功率，雜訊功率為N ，給定一蜂巢式使用者的位置為 y，基地台與蜂巢式使用者₀ 的距離為d_eNB-CU(||y||)，路徑損耗指數為，定義 d 。均勻卜瓦松點過程的定義及相關的性質可 參考[37]。 以下我們分別對上述四個步驟分析。 (a) 存取探詢通道: 主動裝置要先感知周遭有無其他主動裝置正在使用探詢通道，假如感知到其他主動裝置探詢訊號 的功率小於



_a，也就是說當其所感知到的功率符合(1)式才可使用探詢通道。 a tx,D D r a P I d    ₍₁₎

主動 (3)式 (b) 否有 當其 置說 裝置 度可 (7)式 圖 從第(1)式 動裝置的話 令p_a為主 式是根據均 裝置搜尋: 當主動裝 有其它接收 其所感知到 說我成功收 從第(4)式 置就可以與 因為接收 可由下式表 令p_d為主 d p 式是根據均 圖一: 系統模 式中，我們可 話，即可存取 主動裝置可成 a p  均勻卜瓦松點 裝置可以成功 收裝置。假如 到的SNR 符 收到你的訊息 式中，我們可 與其建立鏈路 收裝置有一定 表示。 主動裝置可成



1 exp   均勻卜瓦松點 模型，箭頭 可以反推出 取探詢通道 a r 成功存取到



exp  _a r 點過程所得 功存取到探 如空閒的接 符合(4)式，接 息且之後要 r   可以反推出 路。 d r 定的機率處 ' d  成功收到空



' 2



d rd     點過程所得 頭所指示的為 出來說，當在 道。 1 D a P           到探詢通道的



2 _exp a r      得到的結果 探詢通道時 接收裝置感知 接收裝置才 要在哪個通道 tx,D_r 0 D P d N  出來說，當在 1 0 D d P N           處於忙碌狀態



1  



_d   空閒的接收裝 1 exp       得到的結果， 為主動裝置 在距離主動 的機率，可 D a a P     _{ }  _{ }    。 ，它會在通 知到主動裝 才認為鏈路品 道上做傳送 d  在距離主動裝  態，當忙碌時 d  裝置所回報



1  



_d ，也就是說週 置對蜂巢式使 動裝置r_a範圍 可以由(3)式表 _       通道上傳送功 裝置所送的探 品質好到一 送。 裝置r_d範圍 時即不回報 報的訊息，可 0 D d P N            _{ } 週遭r_d範圍 使用者所造 圍之內無其 表示。 功率為PD的 探詢訊號的 一定程度，才 圍之內有空閒 報任何訊息 可以由下式     圍之內至少有 造成的干擾 其他 (2) (3) 的探詢訊號 的SNR 大於 才會回報訊 (4) 閒的接收裝 (5) ，因此空閒 (6) 式表示。 (7) 有一個空閒 。 號去詢問周遭 於



_d，也就是 訊息告訴主動 裝置的話，主 閒接受裝置的 閒的接收裝置 遭是 是說 動裝 主動 的密 置。

(c) 資源搜尋: 蜂巢式使用者所受到的干擾可由(8)式表示，但根據均勻卜瓦松點過程的性質，可改由(9)表示。

 

D x x I y P g x y   



 (8) D x x I P g x   



(9) 其中g_x為裝置的通道功率增益且為均值1 的獨立指數隨機變數，x 為根據均勻卜瓦松點過程產生的裝 置位置。 蜂巢式使用者所受到的SINR 的部分可由(10)式表示，若主動裝置可共享蜂巢式使用者的通道， 蜂巢式使用者的SINR 須大於門檻



_u。 eNB-CU 0 T c u hP d I N      (10) 其中h 為蜂巢式使用者的通道功率增益且為均值 1 的指數隨機變數。 令p_s

 

 為主動裝置可共享蜂巢式使用者通道的機率，可以由下式表示。 _u

 

_ _  _ _    

_{  }

_

    _{ }          0 eNB-CU 0 0 exp s I N T s u u I I hP d p E e s sN I N L (11) 其中L_I

 

s 為干擾的拉普拉斯轉換，由[38]的結果可將干擾的拉普拉斯轉換成(12)式表示。

 

_  

_{ }

             2 exp sin I s s PD L (12) 其中s _u P d_{T eNB-CU} 。 因為接收裝置回報其所要求的通道是隨機選取的，其主動裝置可成功找到空閒接收裝置為p_d， 因此主動裝置干擾到特定蜂巢式使用者的主動裝置密度可由(13)式表式。 '  d  a a p M (13) 因此可以得到(11)式的準確表示式如(14)式表示。 表一：系統參數設定 參數 數值 路徑損耗指數 () 4 蜂巢式使用者接收功率



P_r P d_{T eNB-CU}



5, 10, 15, 20dB 雜訊功率 (N₀) 1 可忍受接取通道的干擾 (_a) 5dB 蜂巢式使用者SINR 要求 (_u) 10dB 接收裝置SNR 要求(_d) 15dB 主動裝置的密度 (_a) 0.0001 接收裝置的密度 (_d) 0.005 通道個數 (M) 10 接收裝置的忙碌機率 ( ) 0.3

 

_{ }

           _{ }  _{ }    _ _ _{ } _ _       2 2 0 eNB-CU eNB-CU exp exp sin d D u u s u a T T p P N p d M P P d (14) (d) D2D 通訊鏈路建立: 當完成上述步驟後，兩個達到共識的裝置就會開始溝通並決定所要使用的調變/編碼方法，即開 始通訊的鏈路。 根據上述的分析，D2D 通訊鏈路建立的機率可以由(15)式表示，我們並以最佳化問題的形式描 述。

 









                _{ }    0 ₂ 3 1 2 eNB-CU 1 0 max 1 u _{q PD} D D D T D N q e P q P q P P d LS a d s u P p p p p e e e e (15) 其中q₁   _{a a}，q₂ 



1  



_d



N₀_d



，

 









  _{  }     2 3 eNB-CU sin a u T q P d M ，q q q1, , 2 3皆為正數。 因為p_LS本身並不是convex 最佳化問題，不能用最佳化的工具去求解，但我們證明p_LS為擬凹函 數，且證明了二分法可以找到唯一的最佳解，同時我們也說明如何設定二分法的搜尋上下界，且證明 了最佳解一定存在於我們所設定的上下界如(16)式表示，因為不是隨意設定且確定可以找到最佳解， 所以演算法的收斂速度比較快。礙於篇幅的關係，詳細的證明過程忽略。









              _{   }           1/ 2 1 2 3 1 2 2 3 upper lower 2 1 3 2 4 ln , 0 2 D D q q q q q q q P q P q q (16) 因為二分法的搜尋上下界分別為0和 upper D P ，令P k_D

 

為第k次的中間點，其與最佳解的差距可以用上 限的結果如(17)式表示。

 

 *  upper ₂k D D D P k P P (17) C.3. 模擬結果 在這個部份我們模擬了在均勻卜瓦松點過程下的 D2D 通訊的鏈路建立機率p ，模擬參數由表_LS 一所示。 圖二主要探討不同探詢訊號功率P 的影響，由圖中可發現使用二分法所找到的解確實為最佳解，D 這也驗證了我們演算法的可行性，當P 越大時，主動裝置可以在鄰近找到接收裝置的機率也越大，_D 但同時對蜂巢式使用者所造成的干擾也會越大，因此我們需要找到一個適當的功率設定來使得D2D 通訊的鏈路建立機率p 越大，由圖中也可以很輕易的發現當蜂巢式使用者具有比較大的接收功率時，_LS 其相對可以忍受的干擾也會越大，因此p 也會越大。圖三主要探討不同接收裝置忙碌機率_LS  的影響， 由圖中可發現當 越大時，主動裝置可以在鄰近找到接收裝置的機率會越低，所以 D2D 通訊的鏈路 建立機率p 也會降低，甚至在蜂巢式使用者具有高接收功率時，在_LS  非常高的情況，p 也非常的_LS 低。圖四主要探討不同通道個數M 的影響，M 會影響到接收裝置選擇到相同通道的機率，當 M 值越 大時，選擇到相同通道的機率越低，其在這個通道上所造成的干擾也越低，在資源搜尋上有很大的成 功機會，然而當M 大到一定程度時，p 並不會有很明顯的增加，這是因為此時蜂巢式使用者被雜訊_LS 功率所主導，因此看不出干擾大小的效應。

圖

C.4. 立的 此分 . 結果與討 在這篇報 的技術，根 分析需要一 圖三: 在不 圖四: 討論 報告當中，我 根據所提出來 一些數學的函 不同接收裝 : 在不同通 我們提出了 來的方法， 函式和隨機 裝置忙碌機率 通道個數(M) 了在D2D 通 我們探討了 機幾何的工具 率( )下的 )下的 D2D 通訊上的鏈路 了在均勻卜 具來幫助分 D2D 鏈路建 鏈路建立機 路建立的方 卜瓦松點過程 分析，最後試 建立機率 ( 機率 (r_a  方法，它是以 程下的D2D 試著將問題以 (r_a  20)。 20)。 以感知無線 D 通訊的鏈 以最佳化的 線電為基礎所 鏈路建立機率 的形式呈現並 所建 率， 並找