窺探次世代行動通訊系統關鍵技術　OFDM/SDR分飾要角

行動電話從第一代類比架構、第二代數位架構，進而邁向全球化與多媒體化，前後只經歷短短十幾年。隨著行動電話朝向高速化、多功能與次世代行動通訊系統等發展方向演進，如何降低終端產品的耗電量與體積，成為系統整合業者須面臨的課題。本文將以多重輸入輸出-正交分頻多工(MIMO-OFDM)技術與軟體無線電技術(Software Defined Radio, SDR)為例，探討次世代行動通訊系統發展的關鍵技術。  

目前行動通訊系統可分為代表第三世代行動通訊系統的Cellular系統設備與WLAN的區域網路(LAN)系統設備。一般認為未來兩系統可望達到更高傳輸速率，並可做有機性整合，提供終端使用者最適宜的系統。除此之外，隨著網路IP(Internet Protocol)化，未來甚至可提供包含網路語音通訊協定(Voice over IP, VoIP)等多樣服務。  

圖1為次世代行動通訊系統的主要關鍵技術，具體而言，有幾個發展方向：  

‧提高傳輸速度技術：為利用有限的頻率資源提高傳輸率，必須提高頻率的使用效率，因此開始檢討高密度多重化與高效率變調方法。  

‧支援高速行動技術：為提升高速行動環境下的傳輸率，因此開始檢討影響寬頻領域的多重穿透(Multi Pass)干涉與訊號衰減(Fading)的對策。  

‧服務品質(Quality of Service, QoS)保證：為提供多樣化服務，須隨著服務需求，供應傳輸速度、容許延遲、資料錯誤率等保證，並開始檢討高性能錯誤修正與高效率再送訊控制技術。  

‧多系統化(Multi System)技術：為整合各種系統，開始檢討網路控制與支援終端相關技術。  

MIMO-OFDM 將成行動通訊主流技術  

所謂MIMO為利用複數收、送訊天線提高傳輸率的技術，如圖2的MIMO送訊器使用相同頻率，同時傳送由複數天線發射的相異訊號，且該收訊器運用複數天線接收傳來的送訊訊號，並將其復原。  

至於OFDM則是使用現有的WLAN技術架構，如圖3(a)所示，將複數載波(Carrier)內的訊號進行多重化的多載波(Multi Carrier)通訊技術。具體方法如圖3(b)，首先將已複製部分符號(Symbol)的防護區段(GT)添加在各符號前方，藉此防止反射訊號干擾的影響，由於OFDM可防止符號間的干擾，所以收訊器的歪斜推測處理作業相當簡潔，且與MIMO的親和性極高，整合MIMO與OFDM的MIMO-OFDM也順理成章，成為次世代行動通訊系統的基礎技術之一。  

MIMO收訊器復原送訊訊號的演算法(Algorithm)採用最優推定法(圖4)，可讓送訊訊號各自朝向光束(Beam)做空間濾波 (Filtering)(圖5)，或是推定收訊訊號中最有可能傳送的訊號。其中，空間濾波具備低訊號處理量，與收訊性能劣化等特徵；最優推定法理論上可獲得最適宜的收訊功能，缺點則是訊號處理量有膨脹之虞。  

最優推定法中有可能送訊的所有訊號形態(Pattern)，也會與收訊訊號做類似性比較，若貿然增加天線，比較處理演算量會提高，電路規模則變成非常龐大，基於可攜式產品封裝等考量，而須大幅削減比較處理的演算量，組合空間濾波與最優推定法的群組偵測(Group Detection)技術因而問世。  

有關群組偵測的具體方法，首先針對群組進行朝向光束的空間濾波作業，接著分離各群組，最後再利用最優推定法在各群組內推定送訊訊號(圖6)。雖然，利用階層性的處理與最優推定法比對，其收訊性能會劣化，但卻可大幅削減訊號處理量，並有效降低電路規模。  

可攜式裝置結合軟體無線電技術  

次世代行動通訊系統內的可攜式裝置，要求須可與多種系統進行通訊，但傳統可攜式裝置為無線通訊處理模組，並由類比元件、數位訊號處理器及微處理器等元件構成，接著再利用系統固有的通訊與頻寬做最佳化設計。  

基本上可支援多種系統的可攜式裝置，須考慮適合各系統的無線通訊處理模組，以及可與各系統做有機性結合的控制模組結構，但這樣將無法避免可攜式裝置大型化、高價格化與耗電量增加等問題。  

由硬體封裝構成的無線通訊處理模組，如改成利用軟體定義方式，將產生更多對應相異系統，亦即所謂的軟體無線電技術。  

但實際上任意增加軟體，勢必大幅提高微處理器的處理能力，如第三代行動通訊系統的可攜式裝置，具備高速、大量的訊號處理能力，若全部都用軟體定義，處理能力可能高達數千個每秒百萬指令(MIPS)以上，且微處理器的耗電量則會急遽暴增，有效對策則是訊號處理模組採用硬體封裝，同時開發多種微處理器可與硬體模組做階層性匯流排(Bus)連接的結構技術(圖7)。  

訊號處理模組是由下列四種階層結構形成：  

‧HA(Hardware Accelerator)：可要求處理速度超越微處理器的運作能力，同時還可執行微處理器內1位元(Bit)單位低效率的演算。  

‧LLP(Low Level Process)：可執行無線訊號同步等時間約束性極強的處理。  

‧HLP(High Level Process)：可同時進行複數處理，與控制處理等條件極端分歧的任務。  

‧APP(Application Process)：可執行可攜式裝置的人機介面與應用，同時還可處理與通訊協定(Protocol)間的介面問題。  

此外，階層結構還利用LLP將關聯性極強的多資料複數處理，分割成軟體處理與複數的硬體處理模組，接著再用LLP匯流排程序連接成結構。  

而將複數微處理器與硬體模組連接成一個匯流排的階層結構，特徵如下：  

‧將資料分散成複數匯流排程序，可降低各匯流排的資料轉送速度。  

‧整合極多的資料轉送處理作業，不會發生不必要的微處理器間的通訊，因此有效減少額外負擔。  

換句話說，結構可將各系統必要的硬體模組適當的連接至LLP匯流排程序，再根據LLP執行軟體變更，此外還可利用HLP或是APP控制，將複數系統做有機性的整合。  

根據初步測試結果顯示，上述次世代行動通訊系統的傳輸率可望超過100Mbit/s，屆時頻寬須維持100MHz以上水準，但以目前頻率分割狀況而言，要將極寬廣的頻寬分割給一個系統使用實際上相當困難，因此可識別複數頻寬的使用狀況，暫時共用仍未使用頻寬的感知無線電(Cognitive Radio)技術。  

由於無線可攜式終端設備，可透過使用相異頻寬系統訊號的處理技術，與識別頻寬使用狀況的技術達成預期效果，這也意味階層結構的軟體無線電技術，可應用於無線的可攜式裝置。未來，隨著小型化、高性能、低耗電的市場需求，相關業者須開發更多高效率的周邊技術，以實現次世代行動通訊系統的技術。  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌74期4月號)