基於 IEEE 802.11ax 規格之 4X4 MIMO 波束成 型傳輸設計與軟體無線電實現

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姓名

陳琮文(Cong-Wen,Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

通訊工程學系

論文名稱

基於 IEEE 802.11ax 規格之 4X4 MIMO 波束成型傳輸設計與軟體無線電實現
(SDR Realization of 4X4 mimo Beamforming Transmission Design Based on IEEE 802.11ax Standard)

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摘要(中)

隨著網際網路越來越普及之下，上網不再是年輕人的專
利，小孩子利用手機上網連線玩遊戲，老年人使用上網看電視劇，
對人們來說，網路已不再是奢侈品，而是必需品。Wi-Fi 是一種無
線網路技術，讓電腦（筆記型電腦和桌上型電腦）、行動裝置（智
慧型手機和穿戴式裝置）及其他家電設備（冷氣和冰箱）能夠連線
到網際網路。隨著越來越多的裝置可以連線網路操作，會使無線
網路效率變差。因此，提升網路效能以及處理流量壅塞與日益增
加的容量要求，已成為不可忽視的要素。本篇論文按照 Wi-Fi 的
802.11ax 規格模擬 Wi-Fi 的傳送接收，比較兩種不同傳送模式的差
別，再加上波束成型 (Beamforming)，觀察其對解調後的訊號有甚麼影響。最後會透過工研院自主研發之 SDR 平台上模擬，此平台
能夠支援 4X4 MIMO 天線傳輸，作為研究傳輸系統的現實環境之
驗證，此外也應用兩台 SDR 來模擬一台為傳送端與另一台為接收
端，分別比較了其在不同的場景情況下，對於傳送與接收的訊號
處理。

摘要(英)

As the Internet becomes more and more popular, surfing the
Internet is no longer the monopoly of young people. Children use their
mobile phones to connect to the Internet to play games, and the elderly
use the Internet to watch TV shows. For people, the Internet is no longer
a luxury. goods, but necessities. Wi-Fi is a wireless networking technology that enables computers (laptops and desktops), mobile devices
(smartphones and wearables) and other home appliances (air conditioners and refrigerators) to connect to the Internet road. As more and more
devices can be connected to the network to operate, it will make the wireless network less efficient. Therefore, improving network performance and dealing with traffic congestion and increasing capacity requirements
have become factors that cannot be ignored. This paper simulates the
transmission and reception of Wi-Fi according to the Wi-Fi 802.11ax
specification, compares the difference between two different transmission modes, and adds beamforming (Beamforming) to observe its impact
on the demodulated signal. Finally, it will be simulated on the SDR platform independently developed by ITRI. This platform can support 4X4
MIMO antenna transmission, as a verification of the real environment
of the research transmission system. In addition, two SDRs are used to
simulate one as the transmitter and the other The station is the receiving
end, and the signal processing for transmission and reception in different
scenarios are compared.

關鍵字(中)

★ 多輸入多輸出正交分頻多工系統
★ 波束成型
★ 軟體定義無線電

關鍵字(英)

★ MIMO-OFDM
★ Beamforming
★ SDR

論文目次

中文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
英文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
致謝詞 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
第 1 章序論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 正交分頻多工（OFDM） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 循環前綴（Cyclic Prefix） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 正交分頻多重進接（OFDMA） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 多輸入多輸出天線系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 章節架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
第 2 章系統模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 MIMO-OFDM 系統架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 802.11ax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 preamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 子載波類型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 軟體定義無線電 (SDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
第 3 章接收機系統設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 OFDM 同步技術 (Synchronization) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 時序 (Symbol Timing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.2 封包檢測 (Packet Detection) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 載波頻率偏移 (CFO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 基於訊練序列的 CFO 估計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
第 4 章通道估計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1 基於訓練序列的通道估計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 通道等化器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3 殘餘頻率偏移追蹤 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
第 5 章波束成型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.1 反饋矩陣 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
第 6 章系統模擬與結果分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.1 matlab 模擬 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.1 單用戶 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.2 多用戶 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 場景一:SDR 自傳自收模擬 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.3 場景二: 兩台 SDR 傳收模擬 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
第 7 章結論與未來展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

參考文獻

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指導教授

張大中(Dah-Chung Chang)

審核日期

2023-8-15

推文