5G通道狀態估測強化通訊效能(1)　提高傳輸速率/降低訊號延遲

能估測和回傳通道狀態(Channel State Information, CSI)的人工智慧自動編碼器(AI-enabled Autoencoder)已經是後5G(5G Advanced, 5G-A)或5G第18版(Release 18)的電信標準規格之一(圖1)。它對於管理多樣與動態的行動通訊通道狀態至關重要。

因為它可以提高通道狀態估測的準確度，並藉此啟動或調整波束成形(Beamforming)和大規模的多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)天線陣列等先進功能，以適應各種複雜的通訊環境和狀況，確保行動通訊系統性能。此外，未來的Wi-Fi 8規範也可望將人工智慧自動編碼器回傳技術納入，以優化Wi-Fi網路的MIMO性能、提高傳輸速率和降低訊號延遲。圖2為Wi-Fi 7和Wi-Fi 8規範的制定日程。

訊號衰減
如圖3所示，在5G行動通訊網路系統中，訊號衰減(Signal Fading)大致可區分為下列兩大類：
大規模的衰減
是指由於位於無線電發射器和接收器之間的障礙物所造成的訊號衰減，例如：建築物或地形。它的主要特徵是訊號強度會隨著通訊距離的增加而大幅衰減。它又可細分為下列兩種：
・路徑損耗(Path Loss)：這是指無線電訊號在空曠的空間中傳輸，所造成的衰減。
・遮蔽或陰影(Shadowing)衰減：這就像可見光(Visible Light)被大型遮蔽物阻擋時，會產生陰影一樣，當電磁波被大型障礙物阻擋時，接收端能夠接收到的訊號強度的平均值就會大幅地降低。

小規模的衰減
是指在很短的通訊距離和時間內，接收器所接收到的訊號強度呈現劇烈變化的現象。它又可區分為兩類：多路徑延遲擴散(Multipath Delay Spread)和都普勒擴散(Doppler Spread Fading)。分別敘述如下：
・多路徑延遲擴散：發射的訊號經過許多路徑，最後傳送到接收端，這可能產生訊號相加或相減的變化，因此導致接收到的訊號強度(Signal Strength)劇烈地波動。就數學模型而言，發射訊號經過許多不同路徑的反射(Reflection)、繞射(Diffraction)、散射(Scattering)，這類似輸入的訊號經過一個通道脈衝響應(Channel Impulse Response, CIR)函數，可輸出一連串的脈衝訊號一樣。
這些輸出的脈衝經傅立葉轉換(Fourier Transform, FT)至頻域(Frequency Domain)後，可發現兩載波之間會出現巨幅的衰減，如附圖4(a)。若分析兩載波的相關性，可以得出兩接收訊號的功率衰減和延遲時間(T,T+dt)的關係，如附圖4(b)，經傅立葉轉換至頻域後，可以發現當兩個接收訊號之間的頻率相差愈大時，兩訊號的振幅相關性就愈低，這是因為較大的頻率差會導致訊號之間的相位差變大，而造成兩者振幅的相關性降低。

因為多路徑無線電傳輸有許多不同的傳播路徑，而且各別路徑的延遲時間不同，亦即訊號從發射到接收所需時間，會依路徑不同而發生變化，於是造成延遲擴散。延遲擴散和接收訊號功率之間的關係，如附圖4(c)。均方根延遲擴散可視為這些不同路徑的延遲時間的平均值。多路徑無線電通道的同調頻寬(Coherence Bandwidth)Bc和延遲擴散成反比。按照傳播環境的不同，多路徑延遲擴散又可區分為下列兩種，如附圖5。

平坦衰減(Flat Fading)：當通道頻寬大於訊號頻寬，或通道的延遲擴散小於符號傳輸週期(Symbol Period)時，由於此通道脈衝響應具有固定增益和線性相位(Linear Phase)的特性，這特性就是同調頻寬Bc，它使接收到的訊號在頻譜上的所有頻率分量都同時以相同比例波動，亦即，接收到的訊號的頻譜特性(Spectral Characteristic)和相位維持不變，但振幅和訊噪比(Signalto-Noise Ratio, SNR)會下降。因此，它也被稱作振幅變動的通道(Amplitude Varying Channel)或窄頻通道(Narroband Channel)，因為其訊號頻寬足夠小到使所有頻率分量都具有等量的衰減，也因此被稱之為平坦衰減。
頻率選擇性衰減(Frequency Selective Fading)：當通道頻寬小於訊號頻寬，或通道的延遲擴散大於符號傳輸週期時，由於此通道脈衝響應也具有固定增益和線性相位的特性，亦即同調頻寬，所以接收到的訊號在此通道頻譜範圍外的頻率分量會大幅衰減，只有在此通道頻譜範圍內的頻率分量會同時以相同比例波動，而且在此通道頻譜範圍內的頻率分量和相位不變，但振幅和訊噪比會下降，這類似帶通濾波器(Band-Pass Filter, BPF)的功能。此外，它也會造成符號間干擾(Intersymbol Interference, ISI)，這是由於頻率分量之間的不同衰減，所造成的訊號失真。它也被稱作寬頻通道(Wide Band Channel)，因為其訊號頻寬足夠大到使不同的頻率分量具有不同程度的衰退，也因此被稱之為頻率選擇性衰減。
・都普勒擴散：都普勒頻移效應(Doppler Shift Effect)和數學式，如附圖6。因為接收端的用戶可能會移動，相對於不會移動的基地台發射端，接收端的用戶運動速度會造成都普勒擴散衰減。當用戶快速運動時，會產生較大的都普勒擴散，於是接收到的訊號會快速衰減(Fast Fading)。當用戶緩慢運動時，則會產生較小的都普勒擴散，這導致接收到的訊號緩慢衰減(Slow Fading)。如附圖7。

都普勒擴散的數學基本式是fD=v/λ或fD=fc/c，其中fD是都普勒擴散，v是運動速度，λ是電磁波的波長，fc是載波頻率，c是光速。當接收端的用戶運動時，接收到的訊號相位仍保持不變的時間週期T0稱之為同調時間，T0和都普勒擴散fD成反比。
圖8是都普勒擴散在時域和頻域的變化，其中，S(△t)是通道的空－時自相關函數(Spaced-time Autocorrelation)，S(f)是通道的都普勒擴散。在同調時間T0內，由於高的自相關性，其通道響應具有不變性。亦即，在同調時間T0內，通道的特性能保持穩定，通道的行為是可預測的，確保更可靠的通訊傳輸。這對於通道狀態可能快速變化的行動通訊環境中，尤其重要。

如果通道的同調時間T0比符號傳輸週期TS小很多，就會發生快速衰減，傳輸的符號或資料在TS時間週期內，受到大小不同的通道增益影響，導致脈衝波形失真。這種失真脈衝所引起的問題，包含：低訊噪比、符號或資料無法同步，以及難以設計出能夠提高訊噪比的匹配濾波器。
相反的，如果通道的同調時間T0比符號傳輸週期TS大很多，就會發生緩慢衰減，至少在TS時間週期內，通道的特性是固定不變的，其通道增益幾乎是一樣的，接收到的訊號不會失真，此時可以將緩慢衰減忽略不計。不過，在符號傳輸週期TS以外，而且在同調時間T0以內，雖仍屬於緩慢衰減，但通道的特性會隨時間而發生變化，導致接收到的訊號波動劇烈，其訊噪比會降低。
5G行動通訊系統的訊號衰減，可以包含上述的任一種或數種組合。所以，必須使用許多不同的方法，才能解決所有的訊號衰減問題。例如：圖9是減輕多路徑延遲擴散的方法，包括：降低頻率選擇性衰減的方法有：通道均衡(Channel Equalization)、展頻(Spread Spectrum, SS)和耙式接收器(Rake Receiver)、正交調變(Orthogonal Modulation)，如：正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)。

降低平坦衰減的方法有：多輸入多輸出天線陣列、錯誤檢測和更正(Error Detection and Correction)或錯誤控制(Error Control)、功率控制(Power Control)。圖10是減輕都普勒擴散的方法，包含：降低快速衰減的方法有：錯誤控制和交錯(Interleaving)傳送、穩固的調變技術。降低緩慢衰減的方法有：多輸入多輸出天線陣列、錯誤控制、功率控制。

訊號干擾
5G行動通訊系統的訊號干擾，除了符號間干擾以外，常見的還有：
細胞間干擾(Inter-cell Interference)
細胞(cell)是3GPP行動通訊的專有名詞，一般而言，它是指基地台傳播所覆蓋的特定地理區域。細胞間干擾是由於來自不同細胞或基地台的訊號因頻率相同或相近，造成訊號相互重疊或干擾，如圖11(a)。

細胞內干擾(Intra-cell Interference)
是指來自相同細胞或基地台的訊號相互干擾。通常，這是因為多個用戶共用相同的頻率資源造成的，如圖11(b)。

用戶間干擾(Inter-user Interference)
也稱作用戶對用戶干擾(User-to-User Interference)。當多個用戶同時使用相同的頻率傳輸時，可能造成這種干擾。它可以區分為細胞間的用戶干擾和細胞內的用戶干擾。本質上，細胞內的用戶干擾等同於細胞內干擾，如圖11(c)。

同通道干擾(Co-Channel Interference, CCI)
是指多個發射器使用相同的頻率通道(Frequency Channel)，亦即共用相同的頻譜範圍，致使它們的訊號相互重疊或干擾。
相鄰通道干擾(Adjacent Channel Interference, ACI)
是指位於相鄰頻率通道的不同訊號相互重疊，造成訊號失真。
相互調變干擾(Intermodulation Interference)
當多個訊號混合在一起時，會產生新的頻率，這可能造成原訊號之間的干擾。
載波間干擾(Inter-Carrier Interference)
這特指正交分頻多工的行動通訊系統，例如：5G，當不同載波之間存在頻率差，導致不同載波相互干擾。這可能是由於都普勒頻移、振盪器錯誤，或其它因素造成的。
上述的訊號干擾可能同時出現，所以需要綜合採用下列方法來解決：
干擾管理技術
這包含部份頻率復用(Fractional Frequency Reuse, FFR)、軟頻率復用(Soft Frequency Reuse, SFR)、全頻率復用(Full Frequency Reuse)、動態的頻譜管理(DSM)等。DSM是根據干擾狀況，即時調整頻率的分配。
波束成形
調整定向天線(Directional Antenna)的方向，朝向特定用戶的接收端，以降低對其他用戶的干擾。
先進的糾錯碼(Error-Correcting Code)和調變技術
使用穩固的糾錯碼和自適應調變方案(Adaptive Modulation Scheme)，以提高訊號本身的抗干擾能力。
網路同步
確保行動通訊網路內的時序同步機制。
功率控制
調整發射功率，降低訊號干擾，同時維持適度的訊號品質。