臺灣博碩士論文加值系統

近年來，無線通訊系統需在有限的頻寬，提供高傳輸速率的數據服務，除此之外，目前無線通訊系統著重在於提高系統的頻譜效率，全球微波存取互通系統（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）是一種新穎的行動通訊技術，其主要技術是利用多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）通訊系統架構，可提供系統高傳輸速率的數據服務。本篇論文中，我們針對目前WiMAX系統，所運用到的BPSK、QPSK、16-QAM及64-QAM等調變技術，模擬系統使用不同的通訊系統架構，比較系統位元錯誤機率及頻譜效率。
在本篇論文中，我們模擬在相同訊號雜訊比（Signal to Noise Ratio）的情況下，比較系統在MIMO、MISO（Multi-Input Single-Output）、SIMO（Single-Input Multi-Output）與SISO（Single-Input Single-Output）不同通訊系統架構下，當系統傳送端發射功率均相同，運用蒙地卡羅方法，由系統傳送端連續傳送十萬次隨機訊號，經由傳輸通道，接收端接收訊號，估測接收端接收訊號時，我們利用開平方歐幾里得距離（Squared Euclidean Distance）的方法，比較系統在四種不同的通訊系統架構，運用不同的調變技術，在加成性白高斯雜訊（Additive white Gaussian noise, AWGN）通道與Rayleigh Fading通道，兩種不同環境下，比較在相同的訊號雜訊比時，系統位元錯誤機率，在論文模擬分析圖中，我們可以明顯看出，在相同訊號雜訊比的情況下，系統運用MIMO通訊系統架構可降低系統位元錯誤機率。
在本篇論文中，我們以系統位元錯誤機率1×10-5為基準，比較系統運用四種不同通訊系統架構，在AWGN與Rayleigh Fading兩種通道環境下，系統頻譜效率的差異，由分析圖我們可以發現在Rayleigh Fading通道環境，系統運用MIMO通訊系統架構，相較於另外三種通訊系統架構，可提升系統頻譜效率。最後本論文探討系統運用MIMO通訊系統架構相較於傳統SISO通訊系統架構，在AWGN與Rayleigh Fading通道環境下，系統運用MIMO通訊系統架構所提供的分集增益（Diversity Gain）。
爲驗證本論文模擬結果無誤，我們將系統在四種不同通訊系統架構，使用BPSK調變技術，在Rayleigh Fading通道環境下，系統位元錯誤機率Waterfall曲線與Siavash M. Alamouti [7]模擬結果相比較，可發現其模擬結果近乎相同；也比較系統在四種不同通訊系統架構，使用16-QAM調變技術，在Rayleigh Fading通道環境下，系統位元錯誤機率Waterfall曲線與Xiayu Zheng等作者們[8]模擬結果相比較，可發現其模擬結果也近乎相同，由此可知，本論文模擬架構上設定無誤。

In recent year, wireless communication systems are required to provide high data rate service within very limited bandwidth. Therefore, most wireless communication systems lay stress on the enhancement of spectral efficiency. The worldwide interoperability for microwave access（WiMAX）is a newly developed technology system, which aims at providing high data rate service and employs MIMO technique with BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM modulations. In this paper, we focus on MIMO capacity analysis and link performance evaluation in Rayleigh fading channel in reference of Shannon capacity on the bandwidth efficiency plot.
We use Monte-Carlo method to simulate systems under the same signal-to-noise ratio（SNR）for SISO, SIMO, MISO and MIMO system architectures. There are totally 100,000 random signal symbols that are transmitted through Rayleigh fading channel. We deploy Maximum-likelihood detector in the receiving end to plot the waterfall curves for the four kinds of different system architectures in BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM modulations. In simulation result, we can find at the same signal-to-noise ratio, MIMO system architecture can decreased system bit error rate.
We choose the system bit error rate at 10-5 to analyze system bandwidth efficiency of the four kinds of system architectures in figure 4.6.1 and 4.6.2.
In order to prove the accuracy of the simulation results, we verify the simulated data of BPSK modulation in Rayleigh fading channel with the data obtained by Siavash M. Alamouti[7], and compare 16-QAM modulation in Rayleigh fading channel with the results in Xiayu Zheng[8] as well. All these two comparisons show excellent consistent.
Finally, we come to conclusion that the system in MIMO architecture can increase bandwidth efficiency and offer diversity gain over traditional SISO system architecture. The diversity gains of the four kinds of system architectures in Rayleigh fading environment are shown in figure 5.3.2.

第1章 研究動機與背景 …………………………………………1
第2章 研究相關理論 …………………………………………8
2.1 消息理論 …………………………………………8
2.1.1 消息量 …………………………………………8
2.1.2 熵（Entropy）……………………………………13
2.1.3 離散無記憶通道……………………………………15
2.1.4 條件熵與互資訊……………………………………18
2.1.5 通道容量……………………………………………24 2.1.6 連續隨機變數的微分熵値與互資訊 …………………………30
2.1.7 資訊容量定理………………………………………33
2.2 訊號估測理論………………………………………………40
2.2.1 貝式定理……………………………………………40
2.2.2 檢測理論……………………………………………42
2.2.3 最大概似度估測（ML）……………………………48
2.2.4 最大後驗估測（MAP）……………………………51
2.2.5 錯誤機率……………………………………………54
2.3 Rayleigh通道與卡方分佈………………………………61
2.3.1 Rayleigh Fading通道 …………………………61
2.3.2 Rayleigh分佈公式推導 …………………………64
2.3.3 卡方分佈（Chi-Squared Distribution）……67
第3章 通訊系統架構………… …………………………………………69
3.1 SISO系統架構 … …………………………………………69
3.2 SIMO系統架構 … …………………………………………71
3.3 MISO系統架構 … …………………………………………73
3.4 MIMO系統架構 … …………………………………………76
第4章 MIMO系統模擬與分析……………………………………………79
4.1 MIMO通訊系統架構效能模擬與分析………………………79
4.2 BPSK調變下MIMO通道位元錯誤機率……………………81
4.3 QPSK調變下MIMO通道位元錯誤機率 ……………………86
4.4 16-QAM調變下MIMO通道位元錯誤機率 …………………90
4.5 64-QAM調變下MIMO通道位元錯誤機率 …………………94
4.6 頻譜效率……………………………………………………98
第5章 通道容量估算……………………………………………………101
5.1 SISO通道容量………………………………………………102
5.2 MIMO通道容量………………………………………………103
5.3 分集增益……………………………………………………108
第6章 結論與未來展望……… …………………………………………111
參考文獻 …………………………………………………………………113
附錄…………………………………………………………………………118

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