行動通訊陣列天線

教材模組教學目標
  • 課程模組整體教學目標:
    本課程模組的目標在於讓學生了解陣列天線在行動通訊的應用及設計觀念,因此課程的介紹以應用為起始點,介紹行動通訊的基本觀念,尤其是利用陣列天線來形成細胞規劃的機制;其次將課程引導至次世代的行動應用,包括利用多路徑通道特性來形成MIMO的機制、及MIMO的基本原理與應用;待應用的觀念建置後,將學生的訓練導引至陣列天線的基本原理及設計觀念,最後讓學生設計簡易的陣列天線,以數值模擬的方式來呈現陣列天線的各個面向,其中數值模擬介紹及量測系統的介紹。如此,本模組屬於陣列天線的入門課程,讓學生由應用、規劃、設計、乃至於模擬驗證等均有一個初步的認識,讓學生對於第五代行動通訊天線技術有一個背景式的知識與了解,有助於訓練系統性人才。
  • 子模組ㄧ:行動通訊概論與細胞規劃
    教學目標:介紹4G的網路遠景, 4G相關功目標, 4G之核心技術,第一代到第四代的基本技術參數,細胞規劃: 蜂巢式網路的概念、無線電波干擾、頻率重複使用,增進系統容量、改善通訊品質、多重存取。
  • 子模組二:MIMO的基本原理及應用(含Massive MIMO)
    教學目標:MIMO技術簡介, MIMO基本原理, MIMO在LTE的應用,Massive MIMO。建立學生MIMO運作機制的觀念,此MIMO技術將會在5G大幅的應用。
  • 子模組三:通訊傳播通道概論、估計與量測
    教學目標: MIMO通訊傳播特性,MIMO天線系統效能,由多重路徑的訊號差異,讓學生了解通道特性對於行動通訊訊號品質與效能的重要,進而引出MIMO的應用。
  • 子模組四:陣列天線的數值模擬技術
    教學目標:介紹電磁數值模擬方法與模擬軟體的應用,讓學生跨入設計陣列天線的第一步,利用數值軟體的使用,一步一步引導學生完成一個陣列天線的設計。
  • 子模組五:天線量測技術與量測方法
    教學目標: 介紹典型的天線量測系統,包括遠場與近場的量測方式,本課程亦介紹各種天線相關參數及其量測方式,讓學生了結天線的特性驗證、及與通訊系統整合時的介面關係。
教材模組課程大綱
  • 子模組ㄧ:行動通訊概論與細胞規劃
    課程大綱:

(1) 無線通訊的世代

(2) 從2G到3G之路

第一代 (1G , First Generation): 1G –AMPS 及早期行動通訊系統

第二代 (2G , Second generation): 2G–GSM, 2G–IS-95 (窄頻CDMA)

第2.5代 (2.5 G): 2.5G–GPRS 與 WAP 通訊協定

第三代 (3G , Third Generation): 2G/2.5G網路如何升級到3G網路、3G –WCDMA、3G–cdma2000

(3) 從 1G 到 3G 看行動通訊系統之演進

(4) 4G概述: 4G的網路遠景, 4G相關功能目標, 4G之核心技術

(5) 第一代到第四代的基本技術參數

(6) 細胞規劃: 蜂巢式網路的概念、無線電波干擾、頻率重複使用、增進系統容量、改善通訊品質、多重存取

  • 子模組二:MIMO的基本原理及應用(含Massive MIMO)
    課程大綱:

(1) MIMO 技術簡介:

傳輸模型

MIMO是甚麼?

LTE中的MIMO 模型

MIMO的系統容量

為何選擇MIMO技術

(2) MIMO基本原理:

MIMO 系統模型圖

MIMO原理

空間複用

發射分集

空間發射分集

空頻發射分集

循環延遲發射分集

接收分集

MIMO 關鍵技術: 層映射、預編碼

(3) MIMO在LTE的應用

LTE中的MIMO模式

MIMO模式的應用

發射分集的應用場景

空間複用的應用場景

波束成型的應用場景

(4) Massive MIMO:

Massive MIMO的定義

Multi user vs Single user

Massive MIMO的潛力

TDD OR FDD

Massive MIMO的限制

Massive MIMO的研發問題

Massive MIMO的Channel

Massive MIMO的coding

  • 子模組三:通訊傳播通道概論、估計與量測

課程大綱:

(1) MIMO通訊傳播特性

多輸入多輸出系統簡介

無線通道之特性及其參數

波束形成、空間分集和空間多工傳輸技術

(2) MIMO天線系統效能

天線之基礎介紹與設計

提升隔離度之去耦合架構設計

天線間耦合對於通道容量影響

通道量測系統及量測結果分析

 

  • 子模組四:陣列天線的數值模擬技術
    課程大綱:

(1)數值電磁模擬技術基本介紹

陣列天線電磁特性基本介紹

使用MATLAB執行陣列天線場型模擬

(2)電磁模擬軟體HFSS介紹

使用HFSS執行陣列天線電磁模擬

使用HFSS分析陣列天線電磁特性

(3)電磁模擬軟體CST介紹

使用CST執行陣列天線電磁模擬

使用CST分析陣列天線電磁特性

實驗一: 2.4GHz與5.8GHz之1×4陣列天線模擬設計

 

  • 子模組五:天線量測系統及量測方法介紹
    課程大綱:

(1) 電磁輻射基本理論、天線驗證方法、天線驗證實驗系統。

(2) 天線參數量測方法計紹,包括增益量測與在各種實驗系統的量測方法。

(3) 天線遠、近場量測系統介紹,近場系統包括平面、圓柱面及球面近場量測系統;遠場量測包括戶外量測系統、縮距式天線量測系統等。

 

可分享教材模組內容說明 授課教材投影片 484 頁,實驗手冊共 2組

  • 單元1:行動通訊概論與細胞規劃 (159頁)
  • 單元2:MIMO基本原理及應用(含Massive MIMO) (125頁)
  • 單元3:通訊傳播通道概論、估計與量測 (50頁)
  • 單元4:天線數值模擬設計 (50頁)
  • 單元5:天線量測系統及量測方法介紹 (50頁)
  • 實驗1:2.4GHz與5.8GHz之1×4陣列天線模擬設計
  • 實驗2:2.4GHz與5.8GHz之1×8陣列天線模擬設計 (2個實驗共50頁)
所需實作平台配備與經費需求預估 實作平台配備說明(每組供 3位同學使用):
以電磁數值模擬軟體在電腦上模擬天線的設計,實驗方式係由三位同學為一組進行陣列天線的設計與參數的驗證。因此實作平台包括Ansys Dessigner/HFSS和Keysight ADS模擬軟體。設備經費需求:
整體軟體以Ansys軟體租用,每年約10萬元。另十台電腦可以使用學校電腦教室或購置(每台約三萬元,含螢幕)
聯盟/示範教學實驗室可提供之訓練與技術支援

可提供之訓練:

1. 遠端登入學習實驗環境的設定與操作。

2. 種子教師與助教可到示範教學實驗室接受訓練。

可提供之技術支援:

1. 課程規劃主持人可到種子學校進行示範教學。

2. 可派遣技術人員到種子學校進行安裝設定的指導。

 

聯絡窗口 負責教師:周錫增 教授

專責助理:林思華 助理

聯絡方式:02-33661987,Email:shlin0819@ntu.edu.tw