一、背景說明
本課程係承繼「5G天線與射頻技術」團隊前期計畫所發展之課程模組，發展具延續性與進階應用之教材模組。相關之先前課程模組包含「大型陣列天線設計」、「大型陣列天線波束成形電路」、「大型陣列天線射頻模組」與「5G毫米波天線設計」，惟相較於前期課程模組聚焦於大型陣列天線的輻射天線單元、相移器電路、低雜訊放大器、功率放大器、混頻器等元件，發展可訓練學生熟悉元件特性與設計方法的教材，本課程模組更強調從系統的觀點來學習5G基地台不可或缺，能支援高階MIMO操作的大型天線陣列。因此設計課程單元使學員能夠理解5G通訊規格為何要採用高階MIMO技術、相對於低階MIMO所能得到的效能提升、大型天線與高階MIMO的關聯性、對應高階MIMO操作所需的天線特性、以及在設計此類天線時，對於饋入網路、主被動射頻元件、天線單元布局的特性需求。因此本課程模組屬於高階應用課程範圍。可以讓學生不僅得以系統性的了解5G基地台天線的設計原理與對應的傳輸效能評估方法，也可以熟悉電磁模擬軟體、天線設計製作流程與系統特性評估方法。具此技術之人才為目前產業亟須的研發人力資源。
二、主要達成之目標
- 以模組化的課程結構建構與5G無線通訊實行的關鍵技術之一：即大型高階MIMO基地台陣列天線的設計、製作、驗測與運作等相關議題。開發產業應用發展所需要的課程模組，該課程技術內涵可應用於行動通訊、物聯網、車聯網、無線生醫、國防科技等產業。
- 聚焦於大型陣列天線在無線通訊基地台上的實務應用，讓學生能系統性的了解大型波束成形陣列天線的基本智能，由基礎的觀念、應用的範疇為起始點，以技術發展所需的技能為本，讓學生了解各個組成的元素，達到基本技能的培養，模組化的課程有利於學生區隔技術發展的方向，依各課程模組的內涵進行深入學習。
- 透過課程模組的設計，學生也將學習MIMO多輸入多輸出技術及其天線特性需求、傳播環境需求、天線分集效能的評估參數及其物理意義。而透過實驗單元的設計，也可讓同學透過訊號處理程式的撰寫，認識富含多重路徑的通道環境特性。
- 導入產業的實務經驗，各模組課程除了由課程內容發展的教授提供理論部分的教授，也希望由產業講師擔任相當部份的授課工作，使教學活動能夠兼顧學理發展與實務經驗的傳承。
- 該課程內容可改善現有無線通訊產業人才可能僅偏重射頻電路設計或基頻訊號處理的有限經驗，藉由課程內容的引導與實驗設計，能由淺入深，從系統整體觀點介接射頻與基頻的研發能量與經驗，培養產業急需的人才。
三、課程大綱
| 課程綱要 |
實驗項目 |
| MIMO通訊技術介紹與Massive MIMO技術特徵：本單元將回顧MIMO技術特性及其提升通訊頻寬的學理基礎，進而說明何以Massive MIMO可以用更高的資料傳輸率容納更多使用者，並強化通續系統的穩定度。
課程項目包含：
1.多輸入多輸出MIMO技術
2.天線分集原理
3.多重路徑傳播環境
4.無線通道傳播特性
5.OFDM 技術介紹
6.MIMO OFDM 技術介紹 |
本單元所包含的兩個實驗項目將應用電波領域學生普遍熟悉的電磁模擬軟體與網路分析儀，設計、模擬、製作、驗證多單元陣列天線，實驗項目成品將用於後續硬體實驗單元。 |
| Massive MIMO的天線與系統需求：本單元將說明Massive MIMO技術施行與大型天線陣列的關聯性，解釋關鍵天線設計規格與MIMO效能的連動關係，以及設計時常面臨的規格取捨情境。
課程項目包含：
1.5G行動通訊中的MIMO規格
2.5G行動通訊中的MIMO應用場景
3.Massive MIMO的定義與優勢
4.Massive MIMO的限制與應用挑戰
5.Massive MIMO天線規格
6.Massive MIMO收發機規格 |
- MIMO實行模擬與特性變動觀察
- 射頻子系統模擬實驗
本單元將使用示範教學實驗室的「MIMO特性與應用教育平臺」軟體與「射頻元件系統模擬」軟體。容許學生調整關鍵MIMO與射頻子系統的設計參數，觀察對應的性能變動。 |
| Massive MIMO大型陣列天線基礎：本單元將介紹大型陣列天線在天線單元布局、主被動電路架構、基頻訊號處理流程等系統觀點出發的規格需要。
課程項目包含：
1.陣列天線波束合成原理
2.陣列天線單元特性選用
3.陣列天線單元布局
4.大型陣列天線射頻電路架構
5.大型陣列天線基頻訊號處理流程
6.大型陣列天線建置環境影響 |
- 相移器控制與波束掃描實驗
- 陣列天線布局與波束涵蓋範圍實驗
本單元將使用示範教學實驗室開發之「智慧型天線硬體平台」，藉由實際的硬體設備操作驗證相控陣列天線的波束掃描效能，該實驗可使用學生在先前單元所製作之子陣列天線，觀測使用不同輻射單元、不同布局的天線陣列在波束特性上的變化。 |
| 5G基地台大型陣列天線設計：本單元將針對5G通訊應用情境的基地台，例如室內的small cell，進行可支援Massive MIMO的大型天線設計。
課程項目包含：
- 5G行動通訊中的接取點種類與天線規格
- 大型陣列天線數值模擬技術
- 大型陣列天線製程與封裝
- 大型陣列天線特性量測
- 大型陣列天線單元檢測技術
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本單元將使用示範教學實驗室開發之「Massive MIMO實驗平臺」進行可支援Massive MIMO的大型天線設計。使用學生在先前單元所製作之子陣列天線構成等效的大型陣列天線。 |
四、團隊成員
主持教師：臺灣科技大學 廖文照教授
參與教師：臺灣大學 周錫增教授
臺灣科技大學 林丁丙教授
臺灣科學大學 侯元昌助理教授
