TWI441491B - 用於無線區域網路裝置之前置資料序列產生方法 - Google Patents

Description

用於無線區域網路裝置之前置資料序列產生方法

本發明係指一種用於一無線區域網路裝置之前置資料(Preamble)序列產生方法，尤指一種用於符合IEEE 802.11ac標準之無線區域網路裝置中的前置資料序列產生方法。

無線區域網路(Wireless Local Area Network，WLAN)技術是熱門的無線通訊技術之一，最早用於軍事用途，近年來廣泛應用於各種消費性電子產品，如桌上型電腦、筆記型電腦或個人數位助理，提供大眾更便利及快速的網際網路通訊功能。無線區域網路通訊協定標準IEEE 802.11系列是由國際電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)所制定，由早期的IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g等，演進至目前主流的IEEE 802.11n。

IEEE 802.11 a/g/n標準採用正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM)調變技術，其優點為頻譜利用率高，以及能夠抵抗多路徑傳輸(Multipath Propagation)所造成的訊號衰減效應等，然而，對無線區域網路系統中的訊號傳送機而言，其調變訊號之峰均值功率比(Peak-to-Average Power Ratio)容易過高，調變訊號在訊號傳送機之射頻電路進行處理時也容易產 生失真，導致訊號接收機正確偵測封包的機率降低。與IEEE 802.11a/g標準不同的是，IEEE 802.11n標準使用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術及其它新功能，大幅改善了資料速率及傳輸吞吐量(Throughput)，同時，通道頻寬由20MHz增加為40MHz。

請參考第1圖，第1圖為習知IEEE 802.11n標準之封包格式示意圖。無線區域網路系統所傳輸之封包為一前置資料(Preamble)與待傳輸之資料的組合，前置資料位於每一封包的最前端，接續為待傳輸之資料。第1圖所示之前置資料為混合格式，可向下相容於IEEE 802.11a/g標準之無線區域網路裝置，其中包含的欄位依序為傳統短訓練欄位L-STF(Legacy Short Training Field)、傳統長訓練欄位L-LTF(Legacy Long Training Field)、傳統訊號欄位L-SIG(Legacy Signal Field)、高吞吐量訊號欄位HT-SIG( High-Throughput Signal Field)、高吞吐量短訓練欄位HT-STF(High-Throughput Short Training Field)以及N個高吞吐量長訓練欄位HT-LTF(High-Throughput Long Training Field)。傳統短訓練欄位L-STF用於封包起始偵測(Start-of-packet Detection)、自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)、初始頻率偏移估測(Frequency Offset Estimation)及初始時間同步(Time Synchronization)；傳統長訓練欄位L-LTF用於精密之頻率偏移估測及時間同步；傳統訊號欄位L-SIG攜帶資料速率及封包長度之資訊。高吞吐量訊號欄位HT-SIG攜帶資料速率之資訊，並且用於自動偵測封包屬於混合格式 或傳統格式；高吞吐量短訓練欄位HT-STF用於自動增益控制；高吞吐量長訓練欄位HT-LTF用於多輸入多輸出之通道估測。

根據目前的IEEE 802.11n標準，在40MHz通道之前置資料中，下半部20MHz通道之前置資料與IEEE 802.11a/g標準之前置資料相同，上半部20MHz通道之前置資料係複製自下半部20MHz通道之前置資料且相位旋轉90°，如此可以降低傳送前置資料時的峰均值功率比，提高訊號接收機成功偵測封包之機率。

為了實現更高品質的無線區域網路傳輸，相關單位正在制定新一代的IEEE 802.11ac標準，係超高吞吐量(Very High Throughput，VHT)之無線區域網路標準，通道頻寬由40MHz提高至80MHz。若IEEE 802.11ac標準欲向下相容於IEEE 802.11a/g/n標準之無線區域網路裝置，IEEE 802.11ac標準必須設計能夠選擇使用20MHz通道或40MHz通道。因此，前置資料的設計除了必須考慮到通道頻寬之向下相容性，同時必須注意峰均值功率比可能過高的問題。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一無線區域網路裝置之前置資料序列產生方法，使得IEEE 802.11ac標準能夠向下相容於IEEE 802.11a/g/n標準之無線區域網路裝置，並且降低峰均值功率比。

本發明揭露一種用於一無線區域網路裝置之前置資料序列產生方法，該無線區域網路裝置所使用之一通道可分為一第一子通道、一第二子通道、一第三子通道及一第四子通道，該前置資料序列產生方法包含有形成該第一子通道之一前置資料序列；複製該第一子通道之該前置資料序列以產生一第一複製序列，並且由該無線區域網路裝置之一記憶體取得一第一角度，將該第一複製序列之相位旋轉該第一角度，形成該第二子通道之一前置資料序列；複製該第一子通道之該前置資料序列以產生一第二複製序列，並且由該記憶體取得一第二角度，將該第二複製序列之相位旋轉該第二角度，形成該第三子通道之一前置資料序列；複製該第一子通道之該前置資料序列以產生一第三複製序列，並且由該記憶體取得一第三角度，將該第三複製序列之相位旋轉該第三角度，形成該第四子通道之一前置資料序列；以及根據該第一子通道、該第二子通道、該第三子通道及該第四子通道所分別對應之頻帶之高低順序，排列該第一子通道之該前置資料序列、該第二子通道之該前置資料序列、該第三子通道之該前置資料序列及該第四子通道之該前置資料序列，以形成該通道之一前置資料序列。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例符合IEEE 802.11ac標準之封包中一80MHz通道之前置資料(Preamble)序列於頻域(Frequency Domain)上的示意圖，80MHz通道可分為四個20MHz子通道(Sub-channel)，根據頻帶由低至高分別標示為A、B、C、D。 子通道A之一前置資料序列S₀與習知IEEE 802.11a標準之20MHz通道之前置資料序列相同；子通道B、C、D中每一子通道之前置資料序列，分別為子通道A之前置資料序列S₀之複製序列旋轉不同的角度而得，子通道B之前置資料序列為S ₀×exp(j2πθ₁)，子通道C之前置資料序列為S ₀×exp(j2πθ₂)，子通道D之前置資料序列為S ₀×exp(j2πθ₃)。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一流程30之示意圖，流程30用於符合IEEE 802.11ac標準之無線區域網路裝置，用來產生80MHz通道之前置資料序列，例如第2圖之前置資料序列。無線區域網路裝置可為無線區域網路卡、無線區域網路接取點(Access Point)、電腦及行動通訊裝置如手機或個人數位助理等。流程30包含有以下步驟：步驟300：開始。

步驟302：從四個20MHz子通道中選擇一子通道X，以IEEE 802.11a標準之20MHz通道之前置資料序列做為子通道X之一前置資料序列。

步驟304：複製子通道X之前置資料序列以產生一第一複製序列，並且將該第一複製序列的相位旋轉一第一角度，以形成該四個20MHz子通道中，除了子通道X以外之一子通道Y之一前置資料序列。

步驟306：複製子通道X之前置資料序列以產生一第二複製序列，並且將該第二複製序列的相位旋轉一第二角 度，以形成該四個20MHz子通道中，除了子通道X以外之一子通道Z之一前置資料序列。

步驟308：複製子通道X之前置資料序列以產生一第三複製序列，並且將該第三複製序列的相位旋轉一第三角度，以形成該四個20MHz子通道中，除了子通道X以外之一子通道W之一前置資料序列。

步驟310：根據子通道X、Y、Z、W所分別對應之頻帶的高低順序，排列子通道X之前置資料序列、子通道Y之前置資料序列、子通道X之前置資料序列及子通道W之前置資料序列，以形成80MHz通道之一前置資料序列。

步驟312：結束。

根據步驟302，首先從80MHz通道所劃分出的四個20MHz子通道中，選擇一子通道X，以IEEE 802.11a標準之20MHz通道之前置資料序列做為子通道X之一前置資料序列S₀。IEEE 802.11a標準之20MHz通道之前置資料序列預先儲存於無線區域網路裝置之一記憶體。請注意，流程30沒有限制子通道X必須對應於何者頻帶，實作上可自由設計。根據步驟302形成子通道X之前置資料序列S₀之後，接下來的步驟304、步驟306及步驟308係同時進行，無特定之順序；子通道Y、Z、W為四個20MHz子通道中，除了子通道X以外的其它三個子通道，子通道Y、Z及W所屬頻帶的高低亦沒有限制。

步驟304至步驟308用來產生三個前置資料序列S₀之複製序列，並且分別對這三個複製序列進行相位旋轉，以形成除了子通道X以外的其它三個子通道之前置資料序列。詳細來說，步驟304係複製前置資料序列S₀，並且將複製產生之前置資料序列的相位旋轉一第一角度，以徑度表示為2πθ₁，以形成子通道Y之一前置資料序列S₁，S ₁=S ₀×exp(j2πθ₁)。步驟306同樣是複製前置資料序列S₀，接著將複製產生之前置資料序列旋轉一第二角度，以徑度表示為2πθ₂，以形成子通道Z之一前置資料序列S₂，S ₂=S ₀×exp(j2πθ₂)。步驟308同樣是複製前置資料序列S₀，並且將複製產生之前置資料序列旋轉一第三角度，以徑度表示為2πθ₃，以形成子通道W之一前置資料序列S₃，S ₃=S ₀×exp(j2πθ₃)。上述第一角度、第二角度及第三角度之值預先儲存於無線區域網路裝置之記憶體。最後，根據步驟310，將上述前置資料序列S₀、S₁、S₂及S₃根據其對應之子通道之頻帶的高低順序，進行排列，形成80NHz通道之一前置資料序列S。

由上可知，流程30選擇四個20MHz子通道其中一子通道，設計該子通道之前置資料序列使之符合IEEE 802.11a標準之20MHz通道之前置資料序列，並且固定此前置資料序列的相位(可視為旋轉0°)，其它三個子通道之前置資料序列之相位旋轉角度是相對於此前置資料序列之相位。以第2圖所示之80MHz通道之前置資料序列為例，其中位於最低頻帶之子通道A之前置資料序列是根據流程 30之步驟302而形成；其它子通道B、C、D是根據步驟304至步驟308而形成。請注意，流程30可形成多個不同的80MHz通道之前置資料序列，第2圖所示僅為其中之一例；流程30之步驟302亦可用來形成次低頻帶之子通道B、次高頻帶之子通道C或是最高頻帶之子通道D之前置資料序列。

為了降低實作複雜度，本發明之一實施例定義θ₁、θ₂或θ₃為0.25的倍數，即0、0.25、0.5或0.75，使得流程30中的第一角度、第二角度或第三角度為90°的倍數，即0°、90°、180°或270°。如此一來，在進行步驟304至步驟308時，前置資料序列S₀只須乘上+1、-1、+j或-j，能夠有效提升系統運算速度。流程30中的子通道Y、Z及W之前置資料序列表示如下：S _i =S ₀×exp(j2πθ _i )，θ _i {0,0.25,0.5,0.75},i=1,2,3。

基於流程30中僅三個子通道之前置資料序列之相位進行旋轉以及θ₁、θ₂及θ₃為0.25之倍數的定義，本發明只須由4³=64組(θ₁,θ₂,θ₃)之排列組合中，搜尋出能夠使80MHz通道之前置資料序列具有最小峰均值功率比之(θ₁,θ₂,θ₃)之組合，亦即搜尋出第一角度、第二角度及第三角度之最佳組合，而不須由4⁴=256組(θ₁,θ₂,θ₃)中進行搜尋，系統運算負荷因此大幅降低。

進一步地，本案申請人根據第2圖所示之80MHz通道之前置資料序列之格式，逐一搜尋64組(θ₁,θ₂,θ₃)，找出8組能夠使80MHz 通道之前置資料序列具有最小峰均值功率比之(θ₁,θ₂,θ₃)。請參考第4圖，第4圖為前述8組(θ₁,θ₂,θ₃)及其對應之旋轉角度之列表，這8組(θ₁,θ₂,θ₃)分別為(0,0,0.5)、(0,0.5,0)、(0.25,0,0.75)、(0.25,0.5,0.25)、(0.5,0,0)、(0.5,0.5,0.5)、(0.75,0,0.25)、(0.75,0.5,0.75)；其對應之第一角度、第二角度及第三角度之組合依序分別為(0°,0°,180°)、(0°,180°,0°)、(90°,0°,270°)、(90°,180°,90°)、(180°,0°,0°)、(180°,180°,180°)、(270°、0°、90°)、(270°,180°,270°)。上述8組(θ₁,θ₂,θ₃)之值儲存於無線區域網路裝置的記憶體中。

除此之外，本案申請人根據上述8組旋轉角度組合進行模擬，以驗證無線區域網路系統之訊號接收機是否能正確地偵測到使用這8組旋轉角度之前置資料，模擬通道環境為IEEE 802.11n標準之通道模型B(Channel Model B)，訊號傳送機傳送1000個僅包含如第2圖之80MHz通道之前置資料序列且根據第4圖所示之最佳角度組合進行相位旋轉之封包，其分別由40MHz通道之訊號接收機以及80MHz通道之訊號接收機所接收，並且計算正確偵測封包的機率。80MHz通道可被分割為4個非重疊之20MHz子通道A、B、C、D，如第2圖；80MHz通道又可分為3個部分重疊之40MHz子通道{A,B}、{B,C}及{C,D}。

請參考第5圖，第5圖表列40MHz通道之一訊號接收機之一自相關性偵測器(Auto-correlation Detector)於各個40MHz子通道{A,B}、{B,C}、{C,D}及各個傳輸鏈(Transmit Chain)之下，基於不 同的訊雜比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)所量測之封包成功偵測機率(Packet Detection Probability)之最小值。請參考第6圖，第6圖表列40MHz通道之一訊號接收機之一交互相關性偵測器(Cross-correlation Detector)於各個40MHz子通道{A,B}、{B,C}、{C,D}及各個傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值。由第5圖及第6圖可知，40MHz通道之訊號接收機量測到的封包成功偵測機率之最小值在可接受的範圍內，這表示即使無線區域網路之訊號接收機不支援IEEE 802.11ac標準，訊號接收機也能夠成功偵測出根據流程30所產生之80MHz通道之前置資料序列。

請參考第7圖，第7圖表列80MHz通道之一訊號接收機之一自相關性偵測器於各個傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值。請參考第8圖，第8圖表列80MHz通道之一訊號接收機之一交互相關性偵測器於各個傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值。由第7圖及第8圖可知，80MHz通道之訊號接收機量測到的封包成功偵測機率之最小值多數都高達100%，這表示根據流程30所產生之80MHz通道之前置資料序列，能夠成功地被80MHz通道之訊號接收機所偵測出。

綜上所述，本發明提出之前置資料序列的產生流程，能夠形成符合IEEE 802.11ac標準之前置資料序列，並且形成之前置資料序列能夠向下相容於IEEE 802.11a/g/n標準之無線區域網路裝置。較佳 地，本發明進一步搜尋出最佳的各個子通道之前置資料序列之相位之旋轉角度，使前置資料序列之峰均值功率比最佳化。

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。

L-STF‧‧‧傳統短訓練欄位

L-LTF‧‧‧傳統長訓練欄位

L-SIG‧‧‧傳統訊號欄位

HT-SIG‧‧‧高吞吐量訊號欄位

HT-STF‧‧‧高吞吐量短訓練欄位

HT-LTF‧‧‧高吞吐量長訓練欄位

A、B、C、D‧‧‧子通道

30‧‧‧流程

300、302、304、306、308、310、312‧‧‧步驟

S₀、S ₀×exp(j2πθ₁)、S ₀×exp(j2πθ₂)、S ₀×exp(j2πθ₃)‧‧‧前置資料序列

第1圖為習知IEEE 802.11n標準之封包格式示意圖。

第2圖為本發明實施例符合IEEE 802.11ac標準之封包中一80MHz通道之前置資料序列於頻域上的示意圖。

第3圖為本發明實施例一流程之示意圖。

第4圖為根據第2圖中80MHz通道之前置資料序列之格式所搜尋到的最佳旋轉角度之列表。

第5圖為40MHz通道之一訊號接收機之一自相關性偵測器於各個40MHz子通道及各個傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值之列表。

第6圖為40MHz通道之一訊號接收機之一交互相關性偵測器於各個40MHz子通道及各個傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值之列表。

第7圖為80MHz通道之一訊號接收機之一自相關性偵測器於各個傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值之列表。

第8圖為80MHz通道之一訊號接收機之一交互相關性偵測器於各個 傳輸鏈之下，基於不同的訊雜比所量測之封包成功偵測機率之最小值之列表。

A、B、C、D‧‧‧子通道

S₀、S ₀×exp(j2πθ₁)、S ₀×exp(j2πθ₂)、S ₀×exp(j2πθ₃)‧‧‧前置資料序列

Claims (12)

1. 一種用於一無線區域網路裝置之前置資料(Preamble)序列產生方法，該無線區域網路裝置所使用之一通道可分為一第一子通道、一第二子通道、一第三子通道及一第四子通道，該前置資料序列產生方法包含有：形成該第一子通道之一前置資料序列；複製該第一子通道之該前置資料序列以產生一第一複製序列，並且由該無線區域網路裝置之一記憶體取得一第一角度，將該第一複製序列之相位旋轉該第一角度，形成該第二子通道之一前置資料序列；複製該第一子通道之該前置資料序列以產生一第二複製序列，並且由該記憶體取得一第二角度，將該第二複製序列之相位旋轉該第二角度，形成該第三子通道之一前置資料序列；複製該第一子通道之該前置資料序列以產生一第三複製序列，並且由該記憶體取得一第三角度，將該第三複製序列之相位旋轉該第三角度，形成該第四子通道之一前置資料序列；以及排列該第一子通道之該前置資料序列、該第二子通道之該前置資料序列、該第三子通道之該前置資料序列及該第四子通道之該前置資料序列，以形成該通道之一前置資料序列。
2. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一子通道之頻帶係該第一至該第四子通道之頻帶中最低者。
3. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為0°、0°、180°。
4. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為0°、180°、0°。
5. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為90°、0°、270°。
6. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為90°、180°、90°。
7. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為180°、0°、0°或者180°、180°、180°。
8. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中根據該第一子通道、該第二子通道、該第三子通道及該第四子通道所分別對應之頻帶之高低順序，排列該第一子通道之該前置資料序列、 該第二子通道之該前置資料序列、該第三子通道之該前置資料序列及該第四子通道之該前置資料序列，以形成該通道之一前置資料序列。
9. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為270°、0°、90°。
10. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度及該第三角度分別為270°、180°、270°。
11. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該第一角度、該第二角度、該第三角度及該第一子通道之該前置資料序列的角度中至少有兩個相同。
12. 如請求項1所述之前置資料序列產生方法，其中該無線區域網路裝置係符合IEEE 802.11ac標準之一無線區域網路裝置。