闕志達臺灣大學：電子工程學研究所連瑞屏Lien, Jui-PingJui-PingLien2007-11-272018-07-102007-11-272018-07-102005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/57373隨著無線通訊的日漸普遍，頻寬需求量愈來愈大，然而目前頻譜使用方式效率並不高，因此，感知無線電系統的概念開始被提出並逐漸受到重視。所謂感知無線電系統是一種能隨著外界環境的改變，動態的調整其傳輸頻寬、功率、調變方式及其它各項參數以達到更有效率傳輸的無線電系統，而本論文的目標頻帶設定於5GHz的UNII頻帶，希望能與該頻帶的主要使用者—IEEE802.11a系統共存且不干擾到主要使用者的運作，以提高該頻帶的使用效能。 本篇論文首先根據感知無線電系統的訴求設定其系統規格及適合的傳送封包格式，接著根據此規格建立一2x2 MIMO-OFDM基頻收發機。在接收機架構的資料接收方面主要可分為初始同步、迴路追蹤以及資料回復等三大部份，其中同步是利用封包最前端的前置碼來達成符元時序與載波頻率偏移的估計，之後便利用FFT運算器將訊號由時域轉至頻域，根據領航碼的相位旋轉作殘餘的載波頻率偏移與取樣時脈偏移的估測並利用追蹤迴路達到收斂，而資料回復的部份，先完成最小方差的通道估計之後，再根據MIMO-VBLAST的等化方式而後解碼；除此之外，接收機同時有一通道品質評估區塊對通道特性持續估測，以掌握外界環境變化調整本身的設定。就整體設計而言，感知無線電系統在基頻接收機設計的考量主要可分成兩個部份，首先便是參數化的設計，須隨著動態的頻譜配置改變其各項設定，收發機根據不同的系統頻寬大小、頻帶分布位置等調整內部各區塊的參數設定，而封包格式如前置碼的訊號、次載波分布等亦是隨之調整；另外則是通道環境之估測，感知無線電系統將偵測環境的變化，以期作適當的調整而提升傳輸的效率。As the wirelsss applications become more and more sophisticated and widely used, the demand for more bandwidth will increase substantially. However, wide ranges of potential spectral resources are only used rarely nowadays. In order to enhance the spectrum efficiency, the concept of cognitive radio has been proposed. Cognitive radio system is a radio system that can sense the spectrum environment and use the spectrum only if communication does not interfere with primary users, and also adjust the transmission parameters adaptively to increase spectral efficiency. In this thesis, the system specifications and packet formats are proposed according to the functional requirement of cognitive radio systems. Under the proposed system specifications, the 2x2 MIMO-OFDM baseband transceiver for cognitive radio systems has also been developed. The design of baseband transceiver has the two main considerations. One is parameterized design, that is, the parameters of all functional blocks need to be adjusted adaptively according to dynamic spectrum allocations, and the packet format including signal design of preamble and subcarrier allocation do as well. The other aspect is the sensing capability. The receiver will estimate the channel environment to access the channel quality and thus adapt its transmission parameters. The system design is developed with sample-based floating-point C++ programs, so the latency and complexity of hardware is also evaluated and thus can fasten the IC design procedure in the future.目錄 i 圖示列表 v 表格列表 ix 第一章 緒論 1 1.1 動機 1 1.2 感知無線電系統之簡介 3 1.3 論文組織 8 第二章 多重輸入多重輸出正交分頻多工技術 9 2.1 應用MIMO-OFDM技術於感知無線電系統之動機 9 2.2 正交分頻多工(OFDM)技術 10 2.3 多重輸入多重輸出(MIMO)技術 14 2.3.1 訊號模型 14 2.3.2 通道容量(Channel Capacity) 15 2.3.3 時空編碼處理(MIMO Space-Time Processing) 16 第三章 實體層系統規格與基頻傳送機架構 19 3.1 實體層規格介紹 19 3.1.1 動態頻譜配置 (Dynamic Spectrum Allocation) 19 3.1.2 規格參數 20 3.2 封包格式之設計 (Packet Format) 23 3.2.1 封包格式 24 3.2.2 短前置碼序列之設計 (Short Preamble Sequence) 25 3.2.3 長前置碼序列之設計 (Long Preamble Sequence) 27 3.2.4 訊號參數欄位 (SIGNAL Field) 30 3.3 基頻傳送機系統架構 32 3.3.1 基頻傳送機架構概述 32 3.3.2 星座圖對應 (Constellation Mapping) 33 3.3.3 符元形成 (Symbol Shaping) 33 第四章 基頻通道模型 39 4.1 室內無線通道模型(Indoor WLAN Channel Model) 39 4.1.1 群集模型方法(Cluster Modeling Approach) 40 4.1.2 通道衰減之相關性(Correlation) 45 4.1.3 通道模擬方法 46 4.2 多重輸入輸出基頻通道模型 47 4.2.1 基頻通道模型架構 47 4.2.2 多路徑Rayleigh衰減 (Multipath Rayleigh Fading) 48 4.2.3 取樣時脈偏移 (Sampling Clock Offset) 50 4.2.4 加成性白色高斯雜訊 (AWGN) 52 4.2.5 載波頻率偏移 (Carrier Frequency Offset) 52 第五章 基頻接收機架構 55 5.1 基頻傳送機架構概述 55 5.2 初始同步估測 (Initial Acquisition) 56 5.2.1 符元時序粗估 (Coarse Symbol Timing Synchronization) 58 5.2.2 分數載波頻率偏移估計 (Fractional CFO Estimation) 60 5.2.3 符元時序細調 (Fine Symbol Timing Synchronization) 64 5.2.4 初始同步摘要 (Summary of Initial Acquisition) 69 5.3 快速傅利葉轉換 (FFT Processor) 71 5.4 載波頻率偏移與取樣時脈偏移追蹤迴路 (CFO and SCO Tracking Loop) 77 5.4.1 載波頻率與取樣時脈偏移效應之影響 77 5.4.2 聯合加權最小方差估測器 (Joint Weighted Least Square Estimator) 79 5.4.3 迴路濾波器 (Loop Filter) 82 5.4.4 載波頻率與取樣時脈偏移補償 (Compensation for CFO and SCO) 85 5.5 通道估計與等化 88 5.5.1 多重輸入輸出通道估計 (MIMO Channel Estimation) 88 5.5.2 估測通道頻率響應之平滑化 (Smoothing for Channel Frequency Response Estimation) 89 5.5.3 多重輸入輸出等化處理 (MIMO Equalization Processing) 91 5.6 相位調整與決策單元 93 5.6.1 相位調整 (Phase Modification) 93 5.6.2 決策單元 (Slicer) 95 5.7 通道品質評估(Channel Quality Accessment) 97 5.7.1 訊噪比估測器 (SNR Estimator) 98 5.7.2 方均根值延遲擴散時間估計器 (RMS Delay Spread Estimator) 101 5.7.3 通道品值評估流程(Flow Chart of Channel Quality Accessment) 106 5.8 本章結語(Summary) 107 第六章 接收機模擬與結果表現 109 6.1 系統驗證(System Verification) 109 6.2 有/無頻率與取樣時脈偏移之位元錯誤率比較 112 6.3 接收機模擬結果及總合表現 115 第七章 結論與展望 129 參考資料 1318609480 bytesapplication/pdfen-US正交分頻多工感知無線電系統多重輸入輸出OFDMCognitive RadioMIMOthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/57373/1/ntu-94-R92943001-1.pdf