行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫一：60 GHz WLAN 通道特性的量測、數據分析與系統
模擬(1/3)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2219-E-002-013-
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： 曹恆偉
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
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60 GHz WLAN 通道特性的量測、數據分析與系統模擬(子計畫一)
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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-002-013
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
計畫參與研究生：江炳宏、葉大千、游宗樺
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
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
60 GHz WLAN 通道特性的量測、數據分析與系統模擬(子計畫一)
計畫編號: NSC 93-2219-E-002-013
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
計畫參與人員:江炳宏、葉大千、游宗樺 國立台灣大學電信工程學研究所
一、中文摘要
在本年度計畫中，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。 (關鍵字： WLAN 電波傳播模型，60GHz 通道特性， 室內電波傳播模型，60GHz WLAN)二、英文摘要：
In the project of this year, we derive the relationship between the root mean square delay spread and the parameters of the Saleh-Vanezuela (S-V) indoor channel model. To describe a multipath component we propose a vector wideband indoor channel model. The model includes the parameters of angle of departure (AOD), angle of arrival (AOA) as well as the path amplitude and time delay. Given the distributions of AOD and AOA we can randomly generate delay profiles using the S-V model. From the associated AOD and AOA of each multipath component we can study the effect of antenna pattern, multiple antenna elements or blockage loss on channel characteristics and the transmission performance of a WLAN system. We also experimentally study the effect of directive antenna and human blockage on 60GHz indoor channel characteristics. From the channel measurement data, we discuss their effect on the WLAN transmission performance and evaluate the cell coverage.
(Keywords ： WLAN Propagation Model, 60GHz
Channel Characteristic, Indoor Propagation Modeling, 60GHz WLAN)
三、計畫緣由與目的：
多媒體應用的快速發展，使得無線寬頻數據傳 輸的需求更加迫切，具高速傳輸能力及高傳輸品質 是 無 線 通 訊 技 術 發 展 的 主 要 目 標 。 目 前 的 IEEE 802.11a 的最高傳輸率是 54Mbps。然而有些應用，例 如 Wireless LAN bridge，無線虛擬實境，無線高畫質 攝錄機，高品質視訊會議… … 等等，則需要更高速 的傳輸速率。要滿足這些應用，需要使用更有頻譜 效率的技術以及使用更大的頻寬，及更高的頻段。 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，最大功率密度小於 5 2 10 W cm− 。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 WLAN 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 WLAN，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。2 例如使用高階次的 QAM，可以增加頻譜效率，但是 其代價是需有更高的 SNR。近年來，MIMO 的研究 盛行，MIMO 技術乃是利用多路徑波的效應，使得 不同天線對(Antenna Pair)間的通道具有不相關的特 性。因此使用多根發射天線，每根天線分別傳送不 同的信號。雖然各接收天線所收到的信號彼此會互 相干擾，但經過特殊的信號處理之後，干擾信號可 以消除，原傳送信號可以有效還原。因為 M 根天線 都使用相同頻率各自傳送不同信號，其頻譜效益就 提升 M 倍。 本子計畫的主要目的是建立 60 GHz 通道特性 的量測系統，研製 60 GHz 的 WLAN 天線，進行 60 GHz 的通道特性量測，建立 60 GHz 的電波傳播模 式，提出 60 GHz/5 GHz 雙模 WLAN 系統的架構， 量測 MIMO 的通道特性，比較天線陣列與 MIMO 的 通道特性與傳輸效能，探討 MIMO 的通道狀態估測 法則及估測結果的回傳方法，研究 60 GHz/5 GHz WLAN 的適應性調變。 60 GHz 頻段的電傳播特性，文獻上雖有許多的 報導，但是國內在這方面的研究才開始起步。本子 計畫結合通道特性，毫米波天線設計以及通信系統 專長的教授，共同執行本子計畫。本子計畫將提出 60 GHz/5 GHz 的 WLAN 系統架構，製作 60 GHz 的 毫米波天線，實際量測 60 GHz 的通道特性，以及製 作 5 GHz 的 MIMO 天線，探討 MIMO 的通道特性、 通道容量及信號處理法則。本子計畫所量得的通道 特性數據，將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。
四、研究方法與成果：
1. 天線場型及人員阻擋對室內通道造成之效應 單群聚(Single-Cluster) S-V 模型之延遲剖面可表 示成 1 1 ( ) ( ) ( ) L l l l h t δ t β δ t τ − = = +∑
− ， (1) 其中 2 2 0exp( ) l l β =β −τ γ ， 2 0 β 為第一路徑與線性迴歸 線 交 叉 點 之 振 幅 差 異 ， γ 為 衰 落 係 數 (Decay Coefficient)，而τ 為第一路徑波到達時間。假設到達l 率(Arrival Rrte)λ 為無限大，即延遲剖面為一連續函 數如 2 0 ( ) ( ) exp( ) P t =δ t +β −t γ ， (2) 則我們可證明出均方根延遲擴展可表示為 2 2 2 2 0 0 2 2 0 (2 ) (1 ) rms β γ β γ γ σ β γ + = + 。 (3) 當天線不是全向性的或在發射端與接收機間有 阻擋，我們將無法使用 S-V 模型來描述通道脈衝響 應。在此情況下，角度的資訊如 AOA 及 AOD 則須 一併考慮，而其相對應之多路徑成分可表示成 0, 0 , , , ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d a l l l d l a h t t t φ δ δ φ φ δ φ φ β δ τ δ φ φ δ φ φ = − − +∑
− − − ， (4) 其中φ 和l d, φ 分別代表第一路徑之 AOD 和 AOA。 l a, 假設發射天線與接收天線的場型分別為Gd( )φ 和Ga( )φ ，則通道脈衝響應可改寫成 0, 0. , , ( ) ( ) ( ) ( ) exp( ) ( ) ( ) ( ) d d a a l l d l d a l a l h t G G t j G G t φ φ δ β θ φ φ δ τ = +∑
− % 。 (5) 如果發射機與接收機間有一阻擋物產生損失 L，則通道脈衝響應變成 0, 0. , , ( ) ( ) ( ) ( ) exp( ) ( ) ( ) ( ) d d a a l l d l d a l a l h t G G L t j G G t φ φ δ β θ φ φ δ τ ′ = +∑
− % 。 (6) 值得一提的是當天線場型與損失模型相乘後，延遲 剖面的形狀與延遲擴展的性質將完全改變。 2. 60GHz 室內通道量測 60GHz 通道量測系統如圖一所示，向量網路分 析儀 HP8753D 被用來量測通道轉換函數，升頻器與 降頻器被連接至向量網路分析儀供升頻至 60GHz 與 降頻至基頻之用。 我們選擇台大電機二館之會議室作為通道量測 之環境，該會議室之平面圖如圖二所示，其大小為 15.5m×9.3m×3m，在其四個角落與牆面中間共有 8 根柱子，有好幾個靠牆擺置的木櫃與鐵櫃，以及幾 張擺放在中央之桌子。 AP 天線為全向性且被置放在會議室中央，高度 1m 處。接收天線高度亦為 1m，其被依序的擺放在 以 AP 天線為圓心之圓周上的 30 個位置。我們對於 每個位置量測其通道頻率響應。圖三為所量測之延 遲剖面，針對不同之接收天線以及有或無 人員阻 擋。當有人員阻擋時，對於全向性接收天線而言， 只有直接路徑(LOS)成分嚴重衰減而大部分其它多 路徑成分則維持不變。然而，對於方向性接收天線 而言，大部分顯著的路徑皆嚴重的衰減。 3. 60GHz 正交分頻多工系統的傳輸效能3 我們利用量測之通道響應來模擬 60GHz 正交分 頻多工系統的傳輸效能，模擬參數如表一所示。我 們利用模擬之位元錯誤率並藉由 Link Budget 的計算 (如表二所示)來估測涵蓋率(Cell Coverage)。 由表三所示之涵蓋率可知：在無人員阻擋下， 方向性天線可增加涵蓋率；然而當有人員阻擋時， 全向性天線與方向性天線之性能差異不大。
五、結論：
在本年度計畫中，我們建立 60 GHz 通道特性的 量測系統，60 GHz 通道特性的量測與數據分析，60 GHz 天線的研製。我們亦利用量測之通道響應來模 擬 60GHz 正交分頻多工系統的傳輸效能，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。參考文獻
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Fig. 1. Block diagram of the 60 GHz channel measurement system.
4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 delay(nsec) amplitude(dB)
Measured delay profile for omni-omni antennas without blockage with blockage
(a) by an omni-directional antenna
0 50 100 150 200 250 300 350 400 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 delay(nsec) amplitude(dB)
Measured delay profile for omni-8dB antennas without blockage with blockage
(b) by a 8dB slot array antenna
0 50 100 150 200 250 300 350 400 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 delay(nsec) amplitude(dB)
Measured delay profile for omni-15dB antennas without blockage with blockage
(c) by a 15dB horn antenna
Fig. 3. Delay profiles obtained with different situations.
Tab. 1. Parameters used for simulation.
Tab. 2. Link budget estimation for the combination of omni-omni antennas.
Tab. 3. Summary of coverage estimation for different receiving antennas with and without blockage.
