空時塊狀碼在位元交錯多輸入多輸出直序分碼多工單載波系統中分集及空間多工的研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

空時塊狀碼在位元交錯多輸入多輸出直序分碼多工單載波 系統中分集及空間多工的研究(第 2 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-035-MY2

執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系

計 畫 主 持 人 ： 曾德峰

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 98 年 10 月 07 日

1

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

空時塊狀碼在位元交錯多輸入多輸出直序分碼多工 單載波系統中分集及空間多工的研究(第 2 年)

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 96‐2221‐E‐011‐035‐MY2

執行期間： 2008 年 08 月 01 日至 2009 年 07 月 31 日

計畫主持人：曾德峰 共同主持人：

計畫參與人員： 林宜穎、李昱蓁

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地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

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

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

執行單位：國立台灣科技大學

中 華 民 國 98 年 10 月 05 日

附件一

2

摘要 — 本計畫中，針對頻率選擇性衰減通道使用單載波傳輸的非同調空時調變碼設計，並考 慮時域上的通道為多輸入多輸出關係，在這裡無論發射端或接收端皆可在不知通道狀態資訊下即可 進行解碼。之後我們將此設計結合協力式分集技術，並且使用放大前送 (Amplify-and-Froward) 作 為中繼方法，在此考慮訊號源 (Source) 藉由單一個中繼點(Relay)幫助訊號傳送，訊號經過不同的 頻率選擇性衰減通道，假設在完美的功率控制以及高訊雜比環境之下，將分析最大可達到的分集增 益和編碼增益。

一、 簡介

近來研究發現，協力式分集(Cooperative Diversity)可取代多根天線提供頻譜及分集效 益，主要的概念是利用協力式分集在無線的環境中，訊號源送出的訊號也會在其它中繼點 被接收，訊號源可以與其它中繼點合作並傳輸資訊，用放大前送(Amplify-and-Forward)或者 解碼前送(Decode-and-Forward)作為中繼方法協力傳送訊號[1]-[2]，假使每個節點只有一根 天線，但仍可以創造出一個虛擬天線陣列，我們利用虛擬天線陣列結合空時碼來獲得分集 增益及編碼增益[3]-[4]。

假設通道資訊為已知，非同調調變技術如頻率鍵移(Frequency Shift Keying)[5]及差分空 時編碼(Differential Space Time Coding)[6]-[11]常應用於無線通訊技術，但多數論文在考慮 協力式通訊時，假設通道為頻率平坦 (Frequency-flat) 通道。本篇論文中，假設節點與節點 之間為頻率選擇性衰減 (Frequency-selected) 通道[12]，我們針對頻率選擇性衰減通道使用 一種由複數正交週期序列所產生之單載波傳輸的非同調空時調變碼的設計[13]，並考慮時 域上的通道為多輸入多輸出 (Multi-Input Multi-Output) 的關係，在這裡無論發射端或接收 端皆可在不知通道的狀態資訊下即可進行解碼[14]。

為了得到最大協力分集增益，考慮所有訊號源及目的地之間節點間的通道階數(order)為 事前已知的條件，本文將協力式通訊以傳送時間分為兩個階段，第一階段為訊號源傳送訊 號至中繼點，第二階段為中繼點以及訊號源傳同時傳送訊號至目的地，訊號由訊號源經中 繼點再傳送至目的地之間的中繼通道為兩個或兩個以上之通道所構成，因此通道為兩個或 兩個以上之複數高斯通道所結合而成，我們將針對不同通道階數結構得到一個近似於高斯 機率分佈特性之機率密度函數，之後可求得成對錯誤機率 (Pairwise Error Probability)，在 接收端利用最大概似法則解調 (Maximum-Likelihood Decoding)，可以得到多重路徑增益，

模擬結果也證實多重路徑在協力式通訊中的重要性與價值，節點間路徑功率不平衡的關係 為系統區塊碼錯誤率 (Block Error Rate) 所帶來的影響也在文中以模擬結果做分析說明。

本論文將於接下來的部份說明：第二部分說明協力式系統與非同調正交空時碼結合後之 接收端訊號，如何進行訊號解調，第三部份說明系統效能分析，第四部份顯示針對各種不 同情形下之電腦模擬結果，最後為本篇論文之結論。

符號標記：粗體大寫英文字母表示矩陣，粗體小寫英文字母表示行向量；(⋅)^∗、(⋅)^T與(⋅)^H 分別代表共軛、轉置與共軛轉置；E{⋅}表示統計上的期望值。IK表示大小為 K 的單位矩陣；

0K表示矩陣內均為零。diag(x)表示一個對角線為向量 x 的對角矩陣。A 的絕對值及向量 a 之Frobenius norm 分別表示為|A|、||a||。*表示摺積運算子。

3

二、 系統架構

圖一： 系統模型

2.1 系統模型

系統由訊號源、中繼點以及目的地三個節點所構成，令系統僅由一個中繼點協助訊號傳 送 ， 所 有 節 點 均 只 有 一 根 傳 送 及 接 收 天 線 。 離 散 通 道 脈 衝 響 應 分 別 定 義 為 ：h1 = [h_SR[0],…,h_SR[L1]]^T，h2 = [h_SD[0],…,h_SD[L2]]^T和h 3 = [h_RD[0],…,h_RD[L3]]^T，L1、L2和 L3為通道 階數，假設為均勻延遲概觀(Uniform Power Delay Profiles)通道大小為 1，令 h1、h2 和 h3

為獨立且同分佈的複數高斯分佈，平均值為0，變異數為σ_i² = 1/(2(Li+1))，i = 1, 2, 3。

2.2 協力式通訊結合非同調空時調變

在協力式系統架構之下，我們使用非同調的系統架構，基於正交空時碼調變在頻率選擇 性 通 道 之 多 輸 出 的 情 況 下 ， 訊 號 源 第

l

⋅

⋅

≤ M−1)，P 為一個可以構成維度 M 之正交循環矩陣的排序矩陣[14]，此特性除了編碼時可 以利用，在單載波多輸入多輸出頻率選擇性通道解碼端還可以使用非同調解調，為了防止 頻率選擇性通道發生相鄰區塊間干擾(Inter-Block Interference)，傳輸的區塊碼會加上一段長 度不小於max(L1+L3,L2) 的循環字首(Cyclic Prefix)，搭配最小 CP 長度的完美時間控制之假 設。

根據前述之協力式通訊的傳輸方式，假設發射訊框(Data Frame)由一組字碼矩陣 C 屬於Ξ

= {C1, C2,…,C_L−1}共含有 L 個碼字(Code Word)所組成，Ck為包含兩個連續時間由訊號源傳

4

送至之x 和^2k_S x²_S^k+1的訊框，定義Ck = [x²_S^k x²_S^k+1]，將接收端收到之訊號整理為一個複合信 號矩陣表示為 k [ ( ² ) ( ^{2 1})]

k k

S S

= +

ΦC E x E x ，E(⋅)為編碼之映射函數，此編碼設計類似正交空時 碼調變應用於單載波區塊碼多輸入多輸出於頻率選擇性通道之非同調接收系統[14]，假設 通道階數之上限為已知條件，我們可以得到Φ Φ_C^H _C =I 。 _M

在訊號傳輸的第一階段時通道脈衝響應為h1，訊號源傳送訊號到中繼點在第 k 個區塊時 間所接收到的訊號為(移除 CP 後)

2 2 2

= 1

k k k

R ESR S R

r E(x )h +ϕ (1)

ESR 為訊號源到中繼點之間接收到之平均訊號能量包含路徑衰減(Path Loss)及遮蔽效應 (Shadowing)等無線傳輸衰減，ϕ^2k_R 為大小 M 之可加性高斯白雜訊(Additive Gaussian White Noise)，平均值為 0，變異數為 N0/2，事實上，由[14]-[15]得知E x( ²_S^k) [= x Px²_S^{k 2}_S^k KP x^{L1 2}_S^k] 可以被視為一個虛擬碼矩陣(Pseudocodeword Matrix)，我們可以得到E x^H( ²_S^k) (E x²_S^k)=I ，_M 下 一 個 時 間 區 塊(2k+1) 時 ， 中 繼 點 將 上 一 個 時 間 接 收 到 的 訊 號 經 由 一 個 參 數

0

r ESR MN

μ

μ

段時，訊號源傳送x²_S^k+1到目的地，目的地接收到中繼點及訊號源所傳送出之訊號為

2 1 2 1 2 2 1

2 3

2 2 1 1 2 1

2 2

( ) ( )

( ) ( )

k k k k

D SD S RD R D

k k k

S S D

E E

r r

+ + +

+ +

= + +

⎡ ⎤

⎡ ⎤

=⎣ ⎦⎢ ⎥+

⎢ ⎥

⎣ ⎦

r E x h E r h

E x E x g

h

% ϕ

ϕ (2)

ESD 和 ERD分別為訊號源到目的地及中繼點到目的地之間接收到之平均訊號能量包含路徑 衰減(Path Loss)及遮蔽效應(Shadowing)等無線傳輸衰減，定義通道向量 g = [g[0], …, g[L1+L3]]^T，g[n] = h1[n] * h3[n]，ϕ²_D^k+1為大小 M 之具有可加性高斯白雜訊(AWGN)特性之向 量，平均值為0，變異數為 N0/2，參數

γ

γ

0 1

/( )

SR RD

E E MN

γ ⁼ ζ_∑ (3)

0 2

(1 E_SR/(MN ))E_SD

γ ζ_∑

= + (4)

其中ζ_∑ = +1 E_SRσ₁²/(MN₀)+E_RD

∑

5

況[12]，當 SNR 大時，令 ESD/N0 = ERD/N0 >>1 且 ESR/N0 > ESD/N0，滿足此條件下可以得到

γ

γ

接著我們簡化非同調接收並且利用最大概似法則進行解碼，使用如[14]-[15]中的多輸入 多輸出系統應用於這個協力式通訊系統仍可使用最大概似法則進行訊號解調，首先假設一 個非衰減性的 R → D 通道，通道長度 S → R 和 S → D 相等，可以得到參數

γ

γ

2 1 2 1 2

ˆ^k arg max (P _D^k+ | ) arg max )^H _D^k+

∈ ∈

= = _C

C Ξ C Ξ

C r C (Φ r (5)

因為Φ Φ_C^H _C =I ，對每一個屬於Ξ 之 C 將滿足和 ln|Λ(C)|之間為獨立關係。 _M

現在，若由中繼點傳送訊號至目的地之通道為頻率選擇性通道，我們將可以得到一個由 u 項 h1[⋅]h3[⋅]的乘積所合成的通道變數項 g[n] = x + j⋅y，hi[n] (i = 1, 3)為具有複數高斯特性之 隨機變數，則 h1[⋅]h3[⋅]的實數及虛數部分定義為 h1[⋅]h3[⋅] = z1 + j⋅z2，zi (i = 1, 2) 為獨立且同 分佈的隨機變數1/(

σ

σ

σ

σ

1 1

1 3 1 3 0 1 3

1 | | ( 1)! | |

( ) exp

( 1)! 2 !( 1)!

u i u

Q m i

i

q m i q

f q

u i m i

σ σ σ σ σ σ

− − −

= +

− + −

⎛ ⎞ ⎛ ⎞

= − ⎜⎝ ⎟⎠

∑

由(6)可求出 g 的期望值為 0，變異數為 2u

σ σ

σ σ

σ σ

σ σ

σ σ

最大概似決策法則考慮訊號將會受到 h1[n]及 h3[⋅]合成通道 g 的影響，因此不再為均勻 延遲概觀通道的情況下，我們重新對最大概似法則進行分析

{

}

ˆ^k arg min ( _D^k+ )^{H −} ( ) _D^k+

∈

=

C

C r C r

Ξ Λ (7)

共變數矩陣Λ C 為 ( )

1

2 0 2 2

cov( )

( ) γ ^H N

γ σ

⎡ ⎤

Λ = ⎢ ⎥ +

⎣ ⎦

C C

g 0

C Φ Φ I

0 I (8)

其中cov(g) = E{(g−E{g})(g−E{g})^H}是 g 的變異數，由反矩陣輔助定理可以得到Λ^-1(C)，我 們可以簡化最大概似法則為

6

{

}

ˆ^k arg max ( _D^k+ )^{H H} _D^k+

∈

= _{C C}

C

C r Φ G Φ r

Ξ (9)

其中G 和通道及雜訊功率有關

( )

2 2

/(1 )

β β

β β

⎡ + − ⎤

⎢ ⎥

=⎢⎣ + ⎥⎦

g g

A I A 0

G 0 I (10)

β

σ

二、 效能分析

將單載波正交空時區塊碼應用於協力式通訊中，假設系統為頻率選擇性通道，在SNR 大(1/N0 >> 1)時，令 ESD/N0 = ERD/N0 >>1 且 ESR/N0 > ESD/N0，已知通道長度上限為

max(L1+L3+1, L2+1)，我們分析使用此系統可以得到的分集增益。

當R→D 為非衰減性通道且通道長度 L1=L2，Ci和Cj之間的成對錯誤機率(PEP)為 P(Ci → Cj| Ci) = P(|| ^{2 1}

j

H k

D +

Φ rC ||² > || ^{2 1}

i

H k

D +

Φ rC ||² |Ci)，可以近似為一個 MIMO 系統[14]-[15]，[17]，由 Chernoff Bound 可以得到錯誤率上限值

( )

1 1

( ) (1 ( , ))

| 1 1

2 4(1 )

dG

G l

i j i

l G

d i j

P d

γ β λ

γ β

−

=

⎛ − ⎞

→ ≤ ∏⎜⎝ + + ⎟⎠

C C C (11)

λ

j i

H

C C

Φ Φ 乘積項的奇異值，可得到完整的分集增益 d_G = 2(L1+1)，

β

j i

H

C C

Φ Φ 中 i、j 會影響成對錯誤機率，當滿足

j i

H

= M

C C

Φ Φ 0 時成對錯誤機率上限可達到最小值即λl^{2( , ) 0} i j = (∀ ≠i j)，由式中也可得知當 通道階數 L1越大則成對錯誤機率之上限值也越小。

當 h3也是頻率選擇性通道時，成對錯誤機率必須考慮合成通道矩陣G(10)，為了簡化成 對錯誤機率的分析，我們假設 L1 + L3 = L2，d_G = 2(L1+L3+1)= 2(L2+1)，根據[17]可以得到近 似的上限值

1 / 2

2 2

1

1 1 2 1

( ) (1 ( , ))

1 1

2 1 4(1 )

G G

d d

G l

l k l

d i j

d

γ β λ

γ β κ

−

= =

⎛ − ⎞

⎜ + + ⎟

⎝ ⎠

∏ ∏ ⁽¹²⁾

κl是對角矩陣A²_g的第 l 項，(12)和(11)之間主要的差異在於(12)多了一項受 h1和 h3之合成

7

通道特性所影響的

/ 2

1

1

dG

k₌

κ

∏ ^。

假設第二階段通道長度不同時 L1 + L3 ≠ L2，也可得到一個近似的上限值通式

1 '

2 2

1

1 1 2 1

( ) (1 ( , ))

1 1

2 1 4(1 )

G G

d d

G l

l k l

d i j

d

γ β λ

γ β κ

−

= =

⎛ − ⎞

⎜ + + ⎟

⎝ ⎠

∏ ∏ ⁽¹³⁾

其中 dG = (L1+L3)+ L2+2，dG′=(L1+L3) +1，可以得知當 L1 + L3 ≠ L2時，

'

1

1

dG

k₌ κl

∏

中繼點幫助傳輸訊號之通道所影響。

最後考慮此系統的複雜度，在已知的訊號檢測方式中，最大概似法則應用於多輸入多輸 出系統十分常見，使用最大概似法則我們考慮其複雜度為O(LNt)，其中 L 為 C 集合大小，

N_t為傳送節點數目，因此複雜度與此兩項乘積有關係，若是C 集合太大或者傳送天線太多，

對於系統會造成較大的負擔。

三、 模擬結果

我們使用蒙地卡羅模擬，分析使用正交空時調變碼於未知通道資訊下之協力式通訊系統 的單載波塊狀碼錯誤率，假設訊號源及目的地為均勻延遲概觀，多重路徑通道長度為已知 複數正交周期序列長度 M 為 3³−1，選取之字碼組合大小為 32。

-5 0 5 10 15

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

E_SD/N₀ in dB

Block Error Rate

L₁=1,L₂=1,h₃ is AWGN,E_SR/N₀=15dB L₁=2,L₂=2,h₃ is AWGN,E_SR/N₀=15dB L₁=1,L₂=1,h₃ is AWGN,E_SR/N₀=25dB L₁=2,L₂=2,h₃ is AWGN,E_SR/N₀=25dB

圖二：非衰減性R→D 通道下之 BLER 效能比較圖

4.1 非衰減性 R→D 通道之效能分析

8

在圖二中，我們模擬當 S → D 和 R → D 為功率平衡且通道為均勻延遲概觀，R → D 為 非衰減通道下，比較 L1 = L2 = 1 和 L1 = L2 = 2 兩種不同通道階數的效能，由模擬圖中得知 當 E_SR/N0為25dB 時，通道階數較大時(L1 = L2 = 2)區塊碼錯誤率(BLER)曲線在 ESD/N0增加 時下降較快，符合成對錯誤率效能分析的結果，然而如[2]，[12]中所提到的協力式傳輸系 統，區塊碼錯誤率效能在 S → R 的連線品質較差時，以 ESR/N0 = 15dB 為例，使用非同調解 調後，即使 E_SD/N0增加後效能仍然非常差而且已經和通道階數沒有關係。

-5 0 5 10 15

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

ESD/N 0 in dB

Block Error Rate

L₁=1,L₂=1,L₃=0 L₁=1,L₂=2,L₃=0 L₁=1,L₂=2,L₃=1 L1=1,L

2=1,h

3 is AWGN L1=2,L

2=2,h

3 is AWGN

圖三：各種通道長度下之BLER 效能比較圖

-5 0 5 10

10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

ESD/N 0 in dB

Block Error Rate

L1=1,L 2=1,h

3 is AWGN,E SR/N

0=15dB No Cooperation SISO L

c=1 L1=1,L

2=1,h

3 is AWGN,E SR/N

0=25dB L1=1,L

2=1,h

3 is AWGN,E SR/N

0=30dB

9

圖四：使用協力式通訊系統架構與否之BLER 效能比較圖

4.2 各種通道長度下之效能分析

在圖三中，我們模擬協力式系統中之通道為各種不同通道長度所結合，令 E_SR/N0 為 25dB，S → D 和 R → D 為功率平衡且 L1 = L2 = 2 > L1 = L2 = 1，當 R → D 均為可加性高斯 白雜訊通道時，通道階數較大者其效能較佳，且通道階數相同時，R → D 為非衰減性通道 之效能將優於 R → D 為頻率選擇性通道。

4.3 使用協力式通訊系統架構與否之效能分析

在圖四中，我們針對是否使用協力式通訊系統架構比較其效能差異，以通道階數 1 為 例，R → D 為可加性高斯白雜訊通道，當 ESR/N0值越大時，可以得到越好的效能，由結果 可以看出使用協力式通訊系統架構時因為得到空間分集增益，所以較一般的單輸入單輸出 (Single-Input Single-Output)有更好的效能，但是由於中繼點發射之訊號包含 S → R 之雜訊，

因此 E_SR/N0值若是太小，效能可能較單輸入單輸出更差。

-5 0 5 10 15

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

ESD/N 0 in dB

Block Error Rate

ESD=nE RD,E

SR/N 0=15dB

L₁=2,L₂=2,h₃ is AWGN,n=0.1 L1=2,L

2=2,h

3 is AWGN,n=1 L₁=2,L₂=2,h₃ is AWGN,n=10 L1=1,L

2=1,h

3 is AWGN,n=0.1 L₁=1,L₂=1,h₃ is AWGN,n=1 L1=1,L

2=1,h

3 is AWGN,n=10

圖五：S→D 及 R→D 功率不平衡下之 BLER 效能比較圖

10

-5 0 5 10

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

ESD/N 0 in dB

Block Error Rate

ESR/N 0=25dB

L1=1,L 2=1,h

3 is AWGN,Uncoded L1=2,L

2=2,h

3 is AWGN,Uncoded L1=1,L

2=1,h

3 is AWGN,TCM L1=2,L

2=2,h

3 is AWGN,TCM

圖六：使用TCM 與否之 BLER 效能比較圖

4.4 S→D 及 R→D 功率不平衡下之效能分析

在圖五中，參考[12]，S → D 及 R → D 彼此功率不平衡時，令 E_SR/N0為15dB，E_SD = nE_RD， 我們考慮 n = 0.1、1 及 10 的情況下，當 n = 0.1 時，R → D 送出的訊號已受雜訊影響，且 S

→ D 訊號強度又小於 R → D，故效能變差，而 n 值越大時，表示 ESD/N0值越大，S → D 相 較於 R → D 更有可靠性，可得到較好的效能。

4.5 使用 TCM 與否之效能分析

在圖六中，使用編碼率為 3/4 的 8 狀態 Ungerboeck 迴旋編碼[18]做為外部碼(Outer Code)，選擇一組大小為 16 的碼字組合做為映射之星座圖，由[18]-[19]，可以得到籬柵碼 (Trellis Code)正交空時調變設計準則，令 ESR/N0為25dB 由圖六確實可得到有籬柵碼調變的 效能較無籬柵碼調變的效能較好，且在通道階數較大時也可得到通道的分集增益。

結論與未來展望

在頻率選擇性衰減通道下使用單載波非同調正交空時區塊碼結合協力式通訊，讓我們不 需要進行通道估測即可解碼，但需要假設通道長度上限為已知，使用協力式通訊架構可以 得到空間及通道分集增益，此外中繼點到目的地之通道若為非衰減性通道時效能較佳，未 來可以利用多個中繼點幫助訊號傳輸，並且考慮接收與傳輸訊號的同步。除此之外，我們 將解決同步的問題；也就是說，在第二階段的傳輸時槽，本計畫已經假設來自訊源端與中 繼點的發射訊息將同時抵達目的端。

11 參考文獻

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Allerton C., 2006.

[11] P. Tarasak, H. Minn and Vijay K. Bhargava, “Differential modulation for two-user cooperative diversity systems,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 23, no. 9, pp. 1891–1900, Sept. 2005.

[12] H. Mheidat, M. Uysal and N. Al-Dhahir, “Equalization techniques for distributed space-time block codes with amplify-and-forward relaying,” IEEE Trans. Signal Proc., vol. 5, no. 5, pp. 1839-1852, May 2007.

[13] T. Kirimoto, Yoshimasa Oh-Hashi, “Orthogonal periodic sequences derived from M-sequences on GF(q)”, IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 40, pp. 526-532, Mar. 1994.

[14] 曾德峰 and 李昱蓁, “Noncoherent space-time modulation for single-carrier block transmission systems,” in Proc. IEEE Int’l Conf. on Signal Proc. Sys., 15-17 May 2009, Singapore, pp. 348-342.

[15] M. Borgmann, H. Bölcskei, “Noncoherent space-frequency coded MIMO-OFDM,” IEEE J. Sel.

Areas Commun., vol. 23, no. 9, pp. 1799-1810, Sep. 2005.

[16] M. K. Simon, Probability Distributions Involving Gaussian Random Variables: A Handbook for Engineers and Scientists. Boston, MA: Kluwer Publisher, 2002.

[17] B. M. Hochwald and T. L. Marzetta, “Unitary space-time modulation for multiple-antenna communications in Rayleigh flat fading,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 46, pp. 543–564, Mar. 2000.

[18] G. Ungerboeck, “Trellis-coded modulation with redundant signal sets. Part II: state of the art,” IEEE Commun. Mag., vol. 25, no. 2, pp. 12-21, Feb. 1987.

[19] I. Bahceci and T. M. Duman, “Trellis coded unitary space-time modulation,” IEEE Trans. Wirel.

Commun., vol. 3, pp. 2005-2012, Nov. 2004.

[20] 林宜穎, ‘使用單載波區塊碼傳輸技術結合協力式通訊之放大前送中繼技術,’ 國立台灣科技大 學電機工程研究所碩士學位論文，2009

計畫成果自評

本多年期計畫，將第一年之研究成果應用於第二年的執行範疇，與計畫書申請時所預期 的執行內容、時效，皆有相當的吻合。研究之成果，可預期應用於無線感測網路，或者是 Wireless Mesh Networks 上。除此之外，本計畫涵蓋效能評估與分析，並將其預期知結果與 數值模擬的成果作比較，且獲得相輔相成的驗證；作者預期本計劃的貢獻，應可在具有學 術地位的期刊上發表。

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IEEE PIMRC 2009 之接受信函 

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發表於 Proceedings of IEEE PIMRC 2009, 13-16 September, Tokyo, Japan.

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可供推廣之研發成果資料表

□ 可申請專利 ■ 可技術移轉 日期：98 年 10 月 05 日

國科會補助計畫

計畫名稱：空時塊狀碼在位元交錯多輸入多輸出直序分碼多工單載 波系統中分集及空間多工的研究

計畫主持人：曾德峰

計畫編號：NSC 96‐2221‐E‐011‐035‐MY2 學門領域：電信

技術/創作名稱 使用單載波區塊碼傳輸技術結合協力式通訊之放大前送中繼技術 發明人/創作人 ^曾德峰

技術說明

中文：針對頻率選擇性衰減通道使用單載波傳輸的非同調空時調變 碼設計，並考慮時域上的通道為多輸入多輸出關係，在這裡無論發 射端或接收端皆可在不知通道狀態資訊下即可進行解碼。之後我們 將 此 設 計 結 合 協 力 式 分 集 技 術 ， 並 且 使 用 放 大 前 送 (Amplify‐and‐Froward)作為中繼方法，在此考慮訊號源(Source)藉 由單一個中繼點(Relay)幫助訊號傳送，訊號經過不同的頻率選擇性 衰減通道，假設在完美的功率控制以及高訊雜比環境之下，將分析 最大可達到的分集增益和編碼增益。

英 文 ： We  consider  amplify‐and‐forward  relaying  scheme  with  a  single‐relay  framework,  where  the  involved  links  between  transmit‐receive pairs may experience different delay spread. Without  channel  state  information  assumed  or  estimated  at  the  destination  terminal,  unitary  space‐time  modulation  (USTM)  derived  from  complex  orthogonal  spreading  sequence  set  was  adopted  for  the  distributed  single‐carrier  block  transmission.  Our  pairwise  error  probability (PEP) analysis indicates that the multipath diversity can be  exploited  based  on  the  USTM  in  couple  with  the  noncoherent  demodulation rule. Numerical results vindicate the merit of multipaths  under certain circumstances such as the link quality from the source to  relay as well as power control at relay node.

可利用之產業 及 可開發之產品

無線感測網路 感測點

Wireless Mesh Networks 

技術特點

無須作同調解調，降低接收端複雜度 可使用於較高速數位傳輸系統

具有開發多路徑之分集增益

推廣及運用的價值 適用於需要較寬頻或傳輸環境較為複雜之無線感測網路系統

※

附件二

表 Y04

行政院國家科學委員會補助國內專家學者出席國際學術會議報告

98 年 10 月 05 日 報告人姓名

曾德峰 服務機構

及職稱

國立台灣科技大學電機工程系 助理教授

時間 會議 地點

自民國 98 年 05 月 15 日 至 民國 98 年 05 月 17 日 新加坡

本會核定

補助文號 NSC 96-2221-E-011-035-MY2

會議 名稱

(中文) 2009國際電子電機工程師協會之訊號處理系統討論會 (英文) 2009 IEEE International Conference on Signal Processing

Systems (ICSPS’09) 發表

論文 題目

(中文) 非同調空時調變於單載波塊狀傳輸通訊系統之研究

(英文) Noncoherent Space-Time Modulation for Single-Carrier Block Transmission

表 Y04

一、 參加會議經過

2009 國 際 電 子 電 機 工 程 師 協 會 之 訊 號 處 理 系 統 討 論 會 (2009 IEEE International Conference on Signal Processing Systems (ICSPS’09))於二 o o 九年五月十五日至十七日‚為期三天，假新加坡的南洋理工大學舉行◦ 此會 議由 IEEE Computer Society 與新加坡主要電訊公司如 SingTel 以及國立 南洋理工大學共同舉辦，是此學門、訊號處理領域的年度盛會。雖然此研 討會規模並不大，然其接受率約為百分之三十，精挑細選投稿的文章，因 此廣受學術界及工業界的高度重視，筆者深感榮幸能參與並口語報告於國 際知名學者與知名學府之前，並有幸擔任會議主席◦ 今年的研討會議提供 四 大 主 要 研 究 討 論 的 領 域: (1) 調 適 性 多 數 入 多 輸 出 技 術 及 效 能 (Adaptive MIMO Techniques and Performance)提供系統容量於不同的 傳輸環境，如具相關性輸入多傳輸路徑下，切換傳輸模式已達成最佳化◦ (2) 分 散 式 合 作 通 訊 網 路 (Distributed Cooperative and Cognitive Wireless Sensor Networks)討論使用多數入多輸出(MIMO)技術及設計 應用於感應網路(sensor network)的實體及媒介存取層 (3) 邁向具有感 知 偵 測 能 力 的 無 線 網 路(Towards Cognition in Wireless Broadband Networks) (4)探討高品質、全 IP 為主軸的即時多媒體通訊網路架構。除 此之外，也有應用於生物科技上的通訊技術文章。大會主席由Maoshing Ng 主持，善盡地主之情誼及對新加坡當地的歷史、古蹟詳盡介紹 ̦ 留下深刻 的印象◦ 此外，將近有來自世界各地上千人的參與，更激起學習新知的慾 望與認識知名學者的無名興奮。

IEEE ICSPS 為一個目標明確、理論及實務並重的專業國際論文發表會議

◦ 她提供了一個平台，使得來自全世界通訊與影像相關的學界及工業界精 英能夠交換彼此心得及發表最新的研究理念與結果，為未來的無線及有線 網路系統及多媒體等技術做前瞻性的擘劃，使得傳輸效能大步提升、更貼

表 Y04

切，頻寬的使用更加有效率，因而共同努力打造一個更舒適及有效率的地 球村◦ 大會首日舉辦了多場針對先進多媒體技術趨勢及無線感測網路應用 的研討會，由當今在各主要研究領域有顯著貢獻的學術專業人士與企業界 精英講述，並分成講授課程及研究講習會兩大類別◦第二天起共舉辦了大約 四百篇的專題論文發表會，每場發表八至十二篇的論文，當中並有休息時 間討論、交換心得，預估共有超過上千人出席了本屆ICSPS 的會議◦

二、 與會心得

此次會議所主導討論的主題，偏向訊號處理應用於分散式的無線網路系 統，與無線感測網路有直接或間接應用性的報告文章佔據相當篇數。眾所 周知，隨著複雜資訊藉由無線傳播的速度與有限頻譜的分配使用有嚴重衝 突的情形下，已經使得當今無線通訊系統的感知以及合作技術顯得非常關 鍵且重要。除此之外，為了增進無線通訊產品的應用範圍，研究提高傳播 效能及估測環境所衍生的無線通道不確定性質以及困難的方法，在加上考 量硬體的複雜度都增加了提高服務品質的困難度及可行性◦ 更甚者，降低 消耗功率以達成抑制產生干擾源，但又能符合在此複雜的分散式無線感測 網路中維持整個系統的基本需要的良率，又能兼顧到各個節點的QoS 服務 品質，還能將系統效能發揮到最佳化(如最節省的電源消耗模式)，便成了 當今以及下一代無線感測網路研究領域的其中要項之一。多輸入多輸出技 術 (MIMO) 是一種空間分集，不需加寬頻譜，被證實具有強大的反干擾的 特性，也可解釋為低耗能、高傳輸的特性，但需要相當的設備成本◦ 爾後，

Space-Time Coding 由貝爾實驗室裡的研究人員發明，使用通道編碼，防 止錯誤率上升，代價是 throughput 較低。渦輪原理 (turbo principle) 也被 廣泛使用在簡易的多傳輸端、複雜的接收器使用。一般而言，將通道編碼、

頻率分集效能、多媒體壓縮結合，進而提升傳輸的速度或系統穩定。由於 走向全IP 的無線網路模式，該次會議很多著名的國內外學者都不約而同的

表 Y04

提出跨階層(PHY, MAC, Network Routing) 的分散式無線網路設計架 構，讓筆者深感國內外學者追求前瞻性研究的旺盛企圖心。參加完這次的 國際會議，再次打開自己的國際視野，知道自己未來是要置身在國際中，

與這些學者先進一同競爭，就更提醒自己，不能以現有的研究結果為滿 足，並且要更積極參與國際學術組織的會議，盡所能擷取新知。

筆者在此次會議中，有著無限的榮幸受邀為「空時調變技術」單元中的 會議時段以口頭方式發表與前碩士班指導的畢業學生李昱臻所著作的論 文，也是國科會個人型多年期專題計畫內容 ◦筆者著重於使用直序分碼多 工系統的映射方法來達成垂直正交的特徵，增進訊號彼此的距離，並且創 造出更多可用的優良的空時正交碼，進而提升整體傳輸的速率。此種概念 應用於直序分碼多工非同調多輸入多輸出系統，筆者與之前畢業的碩士生 (林宜穎)將此空時編碼的概念延伸至協力式通訊，並已經發表於本年度 (2009)九月於日本東京所舉行的 IEEE PIMRC 2009 會議。除此之外，吾 等更利用非同調空時調變所衍生的編碼增益結合多路徑的分集效益達到優 於單點傳輸的節能特性。有鑑於多使用者的趨勢在未來無線感測網路的角 色 ， 與 會 的 美 國 加 州 大 學 戴 維 斯 分 校 電 機 工 程 學 系 (University of California, Davis) 的 Adam  Djorvic 教授與我探討如何將此多維訊號空間 應用於多重輸入及多重輸出的協力式通訊系統模式在快速時變通道情況 下 ， 使 我 獲 益 良 多 。 至 於 如 何 將 此 概 念 隱 含 於 調 適 性 傳 輸(adaptive modulation) 模式應用於跨階層(cross-layer design) 設計，則是一個非常 值得深入研究的題目，需要時間做更進一步的思考及搜尋資料。

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三、 建議

本屆大會在籌備及審核論文的工作進度、網路投稿之系統、議程安排註冊 報名，會後雞尾酒活動以及預定旅館資訊及對獅城國家地理與多元文化背景 的資訊等等，都提供與會人士最大的協助◦ 此種體貼入微的服務以及對國際 人士的包容、善意，非常值得政府相關單位的派人考察。也希望我國在不久 的將來，也能多多爭取到舉辦類似的菁英、有指標性的國際型會議來提昇我 國通訊產業的學術、工業界的全球競爭力◦

四、 攜回資料名稱及內容

整個會議的論文集紙本以及CD-ROM 一片。

五、 結語及其他

筆者參加此會議，巧遇昔日在學的學長以及曾在留美研究所時共同學習 的同學，及來自國內台大、交大‛ 清大‛ 中央、中山等大學的教授，資策 會的經理等，學習甚多，受益廣闊◦ 筆者有幸接觸到新加坡南洋理工大學 的學習環境，並與其教授交換教學與研究之心得。非常感謝國際合作處的 前輩能夠補助筆者的國科會個人型計畫裡的出國開會項目，參加此次的 IEEE ICSPS 在新加坡南洋理工大學舉辦的國際會議◦ 除了得以口頭發表研 究成果, 並能藉此機會與著名國內外學者專家交換最新研究心得及分享研 究成果◦ 這對從事訊號處理應用於無線通訊系統研究有興趣如筆者而 言，有著無與倫比的鼓舞、啟發及幫助, 再次十二萬分感謝國科會委員及 相關業務人員的辛勞及經費上的支持◦ 經由與前述專家的討論後，筆者正 著手下ㄧ階段的研究(如同步的問題)，希望明年能有機會參與國際盛會，

再接再厲為國爭光。

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