TW201526557A - 射頻訊號處理方法及無線通訊裝置 - Google Patents

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Abstract

一種射頻訊號處理方法，用於一無線通訊裝置，該無線通訊裝置包含一全向性天線及複數個指向性天線，該射頻訊號處理方法包含有使用該全向性天線接收由一第一發送端傳送之一請求訊號，並回傳一確認訊號至該第一發送端，其中，該請求訊號用來要求該無線通訊裝置接收一資料訊號；根據該請求訊號及一訊框處理程序之一執行結果，使用該複數個指向性天線中之一第一指向性天線由該第一發送端接收該資料訊號；以及於完成接收該資料訊號後，透過該第一指向性天線傳送一應答訊號至該第一發送端，並使用該全向性天線接收後續訊號。

Description

射頻訊號處理方法及無線通訊裝置
本發明係指一種射頻訊號處理方法及無線通訊裝置，尤指一種藉由切換全向性天線與指向性天線而可提高接收訊號品質的射頻訊號處理方法及無線通訊裝置。
具有無線通訊功能的電子產品，如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant)、無線基地台、行動電話、智慧電表(Smart Meter)、USB無線網路卡(USB dongle)等，係透過天線來發射或接收無線電波，以傳遞或交換無線電訊號，進而存取無線網路。有鑑於此，無線通訊裝置的傳輸效能容易受到環境的影響，例如系統所處的環境有較嚴重的通道效應(channel effect)，來自其他無線通訊系統或電子設備的干擾，或是受到建築物的屏蔽等，導致無線通訊系統的傳送與接收受到影響。因此，如何提升無線通訊系統的接收訊號品質，就成為業界所努力的目標之一。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種可藉由切換全向性天線與指向性天線而能提高接收能力與訊號品質的射頻訊號處理方法及其裝置。
本發明揭露一種射頻訊號處理方法，用於一無線通訊裝置，該無線通訊裝置包含一全向性天線及複數個指向性天線，該射頻訊號處理方法包含有使用該全向性天線接收由一第一發送端傳送之一請求訊號，並回傳一確認訊號至該第一發送端，其中，該請求訊號用來要求該無線通訊裝置接收一資料訊號；根據該請求訊號及一訊框處理程序之一執行結果，使用該複數個 指向性天線中之一第一指向性天線由該第一發送端接收該資料訊號；以及於完成接收該資料訊號後，透過該第一指向性天線傳送一應答訊號至該第一發送端，並使用該全向性天線接收後續訊號。
本發明另揭露一種無線通訊裝置，包含有一全向性天線、複數個指向性天線以及一射頻訊號處理單元，用來執行一射頻訊號處理方法。該射頻訊號處理方法包含使用該全向性天線接收由一第一發送端傳送之一請求訊號，並回傳一確認訊號至該第一發送端，其中，該請求訊號用來要求該無線通訊裝置接收一資料訊號；根據該請求訊號及一訊框處理程序之一執行結果，使用該複數個指向性天線中之一第一指向性天線由該第一發送端接收該資料訊號；以及於完成接收該資料訊號後，透過該第一指向性天線傳送一應答訊號至該第一發送端後，並使用該全向性天線接收後續訊號。
10‧‧‧無線通訊裝置
ANT_omni‧‧‧全向性天線
D_ANT_1~D_ANT_n‧‧‧指向性天線
D_ANT_superior‧‧‧合適指向性天線
110‧‧‧射頻訊號處理單元
NODE_S、NODE_1~NODE_m‧‧‧發送端
S_ask‧‧‧請求訊號
S_confirm‧‧‧確認訊號
S_data‧‧‧資料訊號
S_ACK‧‧‧應答訊號
20、40‧‧‧射頻訊號處理方法
30‧‧‧訊框處理程序
S_detect_1~S_detect_n、S_quality_1~S_quality_n‧‧‧訊號
PER_1~PER_n‧‧‧封包錯誤率
RSSI_1~RSSI_n‧‧‧接收訊號強度指標
RST‧‧‧執行結果
S_indicate‧‧‧指示訊號
第1圖為本發明實施例一無線通訊裝置之示意圖。
第2A圖為本發明實施例一射頻訊號處理方法之流程示意圖。
第2B圖為射頻訊號處理方法對應之執行序示意圖。
第3A圖為本發明實施例一訊框處理程序之流程示意圖。
第3B圖為訊框處理程序對應之執行序示意圖。
第4A圖為本發明實施例一射頻訊號處理方法之流程示意圖。
第4B圖為射頻訊號處理方法對應之執行序示意圖。
一般而言，常見的天線依其輻射場型分布方式可分為全向性及指向性。顧名思義，全向性天線之場型無特定方向性，而指向性天線之場型則大致朝一特定方向。本發明係於一無線通訊裝置配置全向性天線及指向性天線，並透過適時切換使用全向性天線或指向性天線，以確保接收訊號品質、減低雜訊干擾並提高傳輸速率。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一無線通訊裝置10之示意圖。無線通訊裝置10包含有一全向性天線ANT_omni、指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n及一射頻訊號處理單元110。當一發送端NODE_S欲傳輸資料訊號S_data時，射頻訊號處理單元110根據一訊框處理程序(training packet process)之執行結果，決定使用全向性天線ANT_omni或指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n其中之一來接收資料訊號S_data，以確保接收訊號品質。其中，相較於全向性天線ANT_omni，指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n於相對應指向性輻射場型處較具優勢，如對來自特定方向之訊號具有較高增益、較長傳輸距離、較佳接收訊號強度指標(received signal strength indication，RSSI)、較低封包錯誤率(packet error rate，PER)、較低旁側(side lobe)干擾、低雜訊以及在相同等效全向輻射功率(Equivalent isotropically radiated power，EIRP)要求下具有較低功耗等。因此，透過利用合適之指向性天線接收資料訊號S_data，可確保接收訊號品質、減低雜訊干擾並提高傳輸速率。
詳細而言，請參考第2A、2B圖，第2A圖為本發明實施例一射頻訊號處理方法20之流程示意圖，而第2B圖為射頻訊號處理方法20對應之執行序示意圖。射頻訊號處理方法20可由射頻訊號處理單元110執行，其包含以下步驟：步驟S200：開始。
步驟S202：使用全向性天線ANT_omni接收由發送端NODE_S傳送之一請求訊號S_ask。
步驟S204：使用全向性天線ANT_omni回傳一確認訊號S_confirm至發送端NODE_S。
步驟S206：根據請求訊號S_ask及一訊框處理程序之一執行結果，使用指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中之一合適指向性天線D_ANT_superior接收發送端NODE_S輸出之資料訊號S_data。
步驟S208：於完成接收資料訊號S_data後，透過合適指向性天線 D_ANT_superior傳送一應答(acknowledge，ACK)訊號S_ACK至發送端NODE_S。
步驟S210：使用全向性天線ANT_omni接收後續訊號。
步驟S212：結束。
換言之，當發送端NODE_S欲傳輸資料訊號S_data至無線通訊裝置10時，發送端NODE_S先傳送請求訊號S_ask，以要求無線通訊裝置10接收資料訊號S_data。由於無線通訊裝置10亦可接受其他發送端所傳送之訊號，因此射頻訊號處理單元110此時係使用全向性天線ANT_omni，以確保來自任何方向之無線訊號均能被接收。當全向性天線ANT_omni接收請求訊號S_ask後，射頻訊號處理單元110將使用全向性天線ANT_omni回傳確認訊號S_confirm至發送端NODE_S，以指示發送端NODE_S可以開始傳送資料訊號S_data。此外，根據請求訊號S_ask及訊框處理程序之執行結果，射頻訊號處理單元110可確知指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中何者相對於發送端NODE_S較適合接收訊號，並選作為合適指向性天線D_ANT_superior，進而使用合適指向性天線D_ANT_superior接收發送端NODE_S輸出之資料訊號S_data，以增強接收訊號品質、減低雜訊干擾並提高傳輸速率。並且，當成功接收完資料訊號S_data後，射頻訊號處理單元110使用合適指向性天線D_ANT_superior傳送應答訊號S_ACK至發送端NODE_S，以告知接收資料結束。最後，射頻訊號處理單元110將重新改用全向性天線ANT_omni接收訊號。
因此，透過射頻訊號處理方法20，射頻訊號處理單元110將使用適合之指向性天線從發送端NODE_S接收資料訊號S_data，以確保接收訊號品質、減低雜訊干擾並提高傳輸速率。除此之外，在非進行接收資料訊號S_data的情況下，無線通訊裝置10主要係使用全向性天線ANT_omni，以確保來自任何方向之無線訊號均能被接收。
值得注意的是，資料訊號S_data可以是任何形態之訊號，其對應 之傳輸量較佳地係分別大於請求訊號S_ask之傳輸量、確認訊號S_confirm之傳輸量以及應答訊號S_ACK之傳輸量。或者，資料訊號S_data可對應於較為重要或具較高優先程度之資料，而需較高訊號品質及傳輸速率，但不限於此。此外，如前所述，射頻訊號處理單元110係根據訊框處理程序之執行結果，決定合適指向性天線D_ANT_superior。其中，訊框處理程序係用以判斷指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中何者相對於發送端NODE_S具最佳接收品質，以作為合適指向性天線D_ANT_superior。並且，射頻訊號處理單元110可於發送端NODE_S與無線通訊裝置10建立連結時進行訊框處理程序，但不限於此，例如射頻訊號處理單元110亦可週期性地進行訊框處理程序，或於無線通訊裝置10改變位置時進行訊框處理程序等。此外，訊框處理程序之實現方式不限於特定步驟。
舉例來說，請參考第3A、3B圖，第3A圖為本發明實施例一訊框處理程序30之流程示意圖，而第3B圖為訊框處理程序30對應之執行序示意圖。射頻訊號處理單元110可執行訊框處理程序30，以決定相對於發送端NODE_S之合適指向性天線D_ANT_superior。訊框處理程序30包含以下步驟：步驟S300：開始。
步驟S302：透過指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n分別發送訊號S_detect_1~S_detect_n至發送端NODE_S，並分別由發送端NODE_S接收訊號S_quality_1~S_quality_n。
步驟S304：根據訊號S_quality_1~S_quality_n，分別計算指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n之封包錯誤率(packet error rate，PER)PER_1~PER_n及接收訊號強度指標(received signal strength indicator，RSSI)RSSI_1~RSSI_n，以比較指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n之接收品質。
步驟S306：根據封包錯誤率PER_1~PER_n及接收訊號強度指標RSSI_1~RSSI_n，產生一執行結果RST，以決定指向性天線D_ANT_1~ D_ANT_n中相對於發送端NODE_S具最佳接收品質的天線為合適指向性天線D_ANT_superior。
步驟S308：結束。
由上述可知，當需判斷指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中相對於發送端NODE_S之合適指向性天線D_ANT_superior時(例如發送端NODE_S與無線通訊裝置10建立連結時，或當無線通訊裝置10改變位置時，或每隔一預定時間時等)，射頻訊號處理單元110透過指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n分別發送訊號S_detect_1~S_detect_n至發送端NODE_S，並分別從發送端NODE_S接收訊號S_quality_1~S_quality_n。接著，射頻訊號處理單元110根據訊號S_quality_1~S_quality_n，分別計算指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n之封包錯誤率及接收訊號強度指標，以比較指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n之接收品質。換言之，指向性天線D_ANT_1發送訊號S_detect_1至發送端NODE_S並從發送端NODE_S接收訊號S_quality_1，且射頻訊號處理單元110計算指向性天線D_ANT_1之封包錯誤率及接收訊號強度指標；接著，指向性天線D_ANT_2發送訊號S_detect_2至發送端NODE_S並從發送端NODE_S接收訊號S_quality_2，且射頻訊號處理單元110計算指向性天線D_ANT_2之封包錯誤率及接收訊號強度指標；以此類推，直到天線D_ANT_n從發送端NODE_S接收訊號S_quality_n且射頻訊號處理單元110計算指向性天線D_ANT_n之封包錯誤率及接收訊號強度指標。據此，射頻訊號處理單元110可決定指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中相對於發送端NODE_S具最佳接收品質的天線為合適指向性天線D_ANT_superior，因此射頻訊號處理單元110可使用合適指向性天線D_ANT_superior接收發送端NODE_S輸出之資料訊號S_data，以確保接收訊號品質、減低雜訊干擾並提高傳輸速率。
因此，透過訊框處理程序30，射頻訊號處理單元110可判斷指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中相對於發送端NODE_S具最佳接收品質的天 線為合適指向性天線D_ANT_superior，進而適時使用指向性天線D_ANT_superior接收發送端NODE_S輸出之資料訊號S_data。需注意的是，判斷接收品質的依據不限於封包錯誤率及接收訊號強度指標，亦可根據系統之不同，採用其它判斷依據，而不限於此。
此外，第1圖之無線通訊裝置10、第2圖之射頻訊號處理方法20或第3圖之訊框處理程序30係為本發明之實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉例來說，射頻訊號處理單元110可包含開關或多工器，以使用或不使用全向性天線ANT_omni或指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n。另一方面，當指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n之接收品質均不佳時，或當訊框處理程序30未能及時決定指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中接收品質最佳的天線時，射頻訊號處理單元110亦可使用全向性天線ANT_omni從發送端NODE_S接收資料訊號S_data，此皆屬本發明之範疇。
此外，為進一步確保接收訊號品質，無線通訊裝置10可於接收資料訊號S_data時，告知其他發送裝置勿發送訊號，以避免訊號碰撞。請參考第4A、4B圖，第4A圖為本發明實施例一射頻訊號處理方法40之流程示意圖，而第4B圖為射頻訊號處理方法40對應之執行序示意圖。射頻訊號處理方法40可由射頻訊號處理單元110執行，其包含以下步驟：步驟S400：開始。
步驟S400：使用全向性天線ANT_omni接收由發送端NODE_S傳送之一請求訊號S_ask。
步驟S402：使用全向性天線ANT_omni回傳一確認訊號S_confirm至發送端NODE_S。
步驟S404：使用全向性天線ANT_omni分別傳送一指示訊號S_indicate至發送端NODE_1~NODE_m，用以指示發送端NODE_1~NODE_m於一時段不發送訊號至無線通訊裝置10。
步驟S406：根據請求訊號S_ask及一訊框處理程序之一執行結果，使用指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中之一合適指向性天線D_ANT_superior接收發送端NODE_S輸出之資料訊號S_data。
步驟S408：於完成接收資料訊號S_data後，透過合適指向性天線D_ANT_superior傳送一應答訊號S_ACK至發送端NODE_S。
步驟S410：使用全向性天線ANT_omni接收後續訊號。
步驟S412：結束。
比較射頻訊號處理方法40與射頻訊號處理方法20可知，射頻訊號處理方法40與射頻訊號處理方法20不同之處在於，射頻訊號處理單元110使用全向性天線ANT_omni接收從發送端NODE_S傳送之請求訊號S_ask後，除了回傳確認訊號S_confirm以指示發送端NODE_S開始傳送資料訊號S_data外，更進一步分別傳送指示訊號S_indicate至其他發送端NODE_1~NODE_m，以避免接收資料訊號S_data時，發送端NODE_1~NODE_m亦發送訊號至無線通訊裝置10，而引發訊號碰撞。
另一方面，由於無線通道可能是直線(目視)傳播(Line of Sight，LOS)，因此合適指向性天線D_ANT_superior可能係最接近發送端NODE_S之天線。然而，無線通道也可能會被許多不同的因素所干擾，例如訊號經過建築物、山丘、或者樹葉反射所產生的多重路徑效應(Multipath Effect)，而多重路徑效應可會造成訊號放大或衰減，所以合適指向性天線D_ANT_superior可能在非理想的因素之下，未必同時具有最佳之接收訊號強度指標及封包錯誤率。因此，在訊框處理程序30中，射頻訊號處理單元110亦可根據接收訊號強度指標及封包錯誤率之一權重W，判斷指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中哪一指向性天線相對於發送端NODE_S具最佳接收品質，以作為合適指向性天線D_ANT_superior。
此外，若發送端NODE_S和無線通訊裝置10間具相對移動，將使通道的特性隨時間而改變，增加了訊號品質的不確定性。因此，本發明亦 可利用無線通訊裝置10之移動而作為觸發訊框處理程序30之機制。換言之，一旦無線通訊裝置10改變位置，則射頻訊號處理單元110可重新判斷指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中哪一指向性天線相對於發送端NODE_S具最佳接收品質，以作為合適指向性天線D_ANT_superior。或者，在接收資料訊號S_data的過程中，進一步使射頻訊號處理單元110改用新的合適指向性天線D_ANT_superior，而能確保接收訊號品質。
由於傳播路徑的多樣性與時變性，當下連接使用之指向性天線可能並非真正接收品質最佳之指向性天線，因此可週期性(如每隔一預定時間)地觸發訊框處理程序30，以使射頻訊號處理單元110判斷指向性天線D_ANT_1~D_ANT_n中哪一指向性天線相對於發送端NODE_S具最佳接收品質，而作為合適指向性天線D_ANT_superior。或者，在接收資料訊號S_data的過程中，進一步使射頻訊號處理單元110改用新的合適指向性天線D_ANT_superior，而能確保接收訊號品質。
綜上所述，本發明係使用全向性天線接收來自任何方向之無線訊號，並可適時切換使用合適之指向性天線從發送端接收資料訊號，以確保接收訊號品質、減低雜訊干擾並提高傳輸速率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧無線通訊裝置
ANT_omni‧‧‧全向性天線
D_ANT_1~D_ANT_n‧‧‧指向性天線
D_ANT_superior‧‧‧合適指向性天線
110‧‧‧射頻訊號處理單元
NODE_S‧‧‧發送端
S_data‧‧‧資料訊號

Claims (10)

  1. 一種射頻訊號處理方法，用於一無線通訊裝置，該無線通訊裝置包含一全向性天線及複數個指向性天線，該射頻訊號處理方法包含有：使用該全向性天線接收由一第一發送端傳送之一請求訊號，並回傳一確認訊號至該第一發送端，其中，該請求訊號用來要求該無線通訊裝置接收一資料訊號；根據該請求訊號及一訊框處理程序之一執行結果，使用該複數個指向性天線中之一第一指向性天線由該第一發送端接收該資料訊號；以及於完成接收該資料訊號後，透過該第一指向性天線傳送一應答訊號至該第一發送端，並使用該全向性天線接收後續訊號。
  2. 如請求項1所述之射頻訊號處理方法，其中該訊框處理程序包含有：該複數個指向性天線中之每一指向性天線分別發送一第一訊號至該第一發送端，並分別由該第一發送端接收一第二訊號；以及根據該複數個第二訊號，決定該複數個指向性天線中接收品質最佳之一指向性天線作為該第一指向性天線。
  3. 如請求項2所述之射頻訊號處理方法，其中該訊框處理程序另包含有根據該複數個第二訊號，分別計算該複數個指向性天線之封包錯誤率(packet error rate，PER)及接收訊號強度指標(received signal strength indicator，RSSI)，以比較該複數個指向性天線之接收品質。
  4. 如請求項1所述之射頻訊號處理方法，其中當該全向性天線接收由該第一發送端傳送之該請求訊號後，該無線通訊裝置傳送一指示訊號至至少一第二發送端，用以指示該至少一第二發送端於一時段不發送訊號至該無線通訊裝置。
  5. 如請求項1所述之射頻訊號處理方法，其中該資料訊號之傳輸量分別大於該確認訊號之傳輸量、該應答訊號之傳輸量。
  6. 一種無線通訊裝置，包含有：一全向性天線；複數個指向性天線；以及一射頻訊號處理單元，用來執行一射頻訊號處理方法，該射頻訊號處理方法包含以下步驟：使用該全向性天線接收由一第一發送端傳送之一請求訊號，並回傳一確認訊號至該第一發送端，其中，該請求訊號用來要求該無線通訊裝置接收一資料訊號；根據該請求訊號及一訊框處理程序之一執行結果，使用該複數個指向性天線中之一第一指向性天線由該第一發送端接收該資料訊號；以及於完成接收該資料訊號後，透過該第一指向性天線傳送一應答訊號至該第一發送端後，並使用該全向性天線接收後續訊號。
  7. 如請求項6所述之無線通訊裝置，其中該訊框處理程序包含有：該複數個指向性天線中之每一指向性天線分別發送一第一訊號至該第一發送端，並分別由該第一發送端接收一第二訊號；以及根據該複數個第二訊號，決定該複數個指向性天線中接收品質最佳之一指向性天線，以作為該第一指向性天線。
  8. 如請求項7所述之無線通訊裝置，其中該訊框處理程序另包含有根據該複數個第二訊號，分別計算該複數個指向性天線之封包錯誤率(packet error rate，PER)及接收訊號強度指標(received signal strength indicator，RSSI)，以比較該複數個指向性天線之接收品質。
  9. 如請求項6所述之無線通訊裝置，其中當該全向性天線接收由該第一發送端傳送之該請求訊號後，該無線通訊裝置傳送一指示訊號至至少一第二發送端，用以指示該至少一第二發送端於一時段不發送訊號至該無線通訊裝置。
  10. 如請求項6所述之無線通訊裝置，其中該資料訊號之傳輸量分別大於該確認訊號之傳輸量、該應答訊號之傳輸量。
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