TWI473477B - 頻率補償裝置及其頻率補償方法 - Google Patents

Description

頻率補償裝置及其頻率補償方法

本發明係關於一種頻率補償裝置及其頻率補償方法，特別是一種可針對都卜勒效應(Doppler effect)進行補償的頻率補償裝置及其頻率補償方法。

無線通訊系統是藉由各種不同調變技術來讓兩個無線通訊裝置之間能以無線的方式進行資料傳送。但由於一般雙方的系統使用的各自的時脈(clock)系統不同步，使得雙方使用的頻率會產生載波頻率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)，而造成訊號解碼錯誤。

對於一對一(PtoP)的系統，雙方的接受器可藉由各自頻率補償技術改善此問題所造成的影響。也就是說，雙方可針對唯一的特定對象進行補償。但是對於一個基地台(Base Station，BS)與多個使用者設備(User Equipment，UE)的一對多(PtoMP)的系統，作為主控端的BS並無法針對每一個UE進行接收頻率調整。因此傳統上是由UE根據接受頻率的誤差值主動修正發射頻率的誤差，或由BS主動通知UE修正其發射頻率。

但是在一對多且UE高速移動的情況下，傳統的補償方式並無法有效補償誤差。如「第1圖」所示，在UE高速移動的情況下，同一個訊號收發的頻率之間會因都卜勒效應(Doppler effect)而產生劇烈的頻差。且頻差的正負值會因雙方變的接近或遠離而產生變化。一般而言，都卜勒效應大概會影響1秒到10秒，在這段影 響時間中，無線通訊會因誤差在即短期間內變動過大無法有效補償誤差而解碼失敗。

假設BS發射頻率為f_c ，UE設定接收頻率為f_c ’，由於雙方的時脈系統不同步所以會產生f_d =f_c -f_c ’的頻差。在傳統UE主動補償的機制下，UE可將發射頻率設為f_c ’+f_d ，以嘗試使BS的接收頻率仍為f_c 。但若UE向BS方向高速移動，UE實際的接收頻率會是f_c +f_dop ，其中f_dop 就是都卜勒效應所造成的誤差。且傳統上UE會再將發射頻率將為f_c ’+f_d +f_dop ，故BS接收的頻率也會因都卜勒效應增加為f_c ’+f_d +2*f_dop ，使得誤差更加嚴重。

若是在傳統由BS主動通知UE修正的機制下，卻會因UE所需反應時間較長但都卜勒效應的影響時間較短，而為一種較無效率之補償方式。因此傳統上尚無法在一對多且UE高速移動的情況下補償都卜勒效應。

為了解決上述問題，本發明提出一種頻率補償裝置及其頻率補償方法，其適用於與一第一基地台(Base Station，BS)通訊的一使用者設備(User Equipment，UE)。

其中頻率補償方法包括以下步驟。獲得對應第一基地台的一基地台參數。從第一基地台以一第一接收頻率接收至少一第一訊號。讀取第一基地台發射第一訊號的一第一發射頻率。計算第一發射頻率與第一接收頻率的差值作為一頻率差值。依據對應第一基地台的基地台參數計算一頻率補償值。依據對應第一基地台的頻率補償值補償一第二發射頻率。以補償後的第二發射頻率發出 一第二訊號給第一基地台。

頻率補償裝置可包括一接收模組一發射模組。接收模組具有一偏移偵測單元，且偏移偵測單元用以執行以下步驟。從第一基地台以第一接收頻率接收第一訊號。讀取第一基地台發射第一訊號的第一發射頻率。計算第一發射頻率與第一接收頻率的差值作為頻率差值。發射模組則用以執行以下步驟。獲得對應第一基地台的基地台參數，其中基地台參數依據頻率差值計算得到。依據基地台參數計算頻率補償值。依據對應第一基地台的頻率補償值補償第二發射頻率。以補償後的第二發射頻率發出第二訊號給第一基地台。

綜上所述，頻率補償裝置及其頻率補償方法可計算頻率差值以及計算基地台參數，並據以補償第二發射頻率，而能有效解決都卜勒效應所造成的頻移。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

本發明提出一種頻率補償裝置及其頻率補償方法，其適用於與一第一基地台(Base Station，BS)通訊的一使用者設備(User Equipment，UE)。請同時參照「第2圖」以及「第3圖」，其分別為一實施範例之基地台與使用者設備之通訊示意圖，以及頻率補償裝置之方塊示意圖。

第一基地台20可透過全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX)或長期進化(Long Term Evolution，LTE)等無線通訊協定同時與多個UE 30進行無線通訊。頻率補償裝置可被配置於各個UE 30之中，並可執行本頻率補償方法。

UE 30可以是手機、筆記型電腦、平板電腦或是可攜式遊戲機等電子設備，其可與第一基地台20通訊以取得無線上網或通話等服務。頻率補償裝置包括一接收模組40以從第一基地台20接收至少一第一訊號，以及一發射模組50以發射一第二訊號給第一基地台20。接收模組40可包括一偏移(offset)偵測單元42，以偵測第一訊號在被發射時與在被接收時之間的頻率差值。其中偏移偵測單元42可用以偵測載波頻率偏移(carrier frequency offset，CFO)。發射模組50則可包括一預補償單元52，以依據頻率差值預先補償要發給第一基地台20的第二訊號的一第二發射頻率。

根據一實施範例，第一訊號可具有多個圖框(frame)，而偏移偵測單元42可以針對每一個圖框計算對應的頻率差值並進行補償。換句話說，頻率補償方法可以是與圖框同步(synchronously)進行。

第一基地台20以及UE 30可以個別具有一振盪器以產生時脈(clock)；而振盪器可以例如是一石英振盪器(quartz oscillator，或是crystal oscillator)或一陶瓷振盪器(ceramic oscillator)。且第一基地台20以及UE 30的振盪器可都具有高精準度，例如精準度可以是到10-12。

在此先簡單解釋針對都卜勒效應(Doppler effect)進行補償的概念。當第一基地台20位置不會改變但UE 30以一速度持續向第一基地台20移動時，第一基地台20發射給UE 30的第一訊號會具有一個頻率誤差。若未經補償直接以UE 30接收到的頻率作為UE 30發射的頻率，則UE 30回送給第一基地台20的就第二訊號會具有兩倍的頻率誤差。因此UE 30要回送時，可以以比期望被接收的頻率低一個頻率誤差的頻率發出第二訊號，以抵銷因都卜勒效應增加的頻率誤差。類似地，當UE 30以一速度持續遠離第一基地台20時，則可以比期望被接收的頻率再高一個頻率誤差的頻率發出第二訊號，以抵銷因都卜勒效應增加的頻率誤差。

在通訊過程中，從第一基地台20以一第一發射頻率發射第一訊號，UE 30的接收模組40以一第一接收頻率接收第一訊號，且UE 30的發射模組50以補償後的第二發射頻率發射第二訊號，第一基地台20再以一第二接收頻率接收第二訊號。

請參照「第4圖」，其係為一實施範例之頻率補償方法之流程示意圖。

UE 30首先可獲得對應第一基地台20的一基地台參數(步驟S100)。根據一實施範例，發射模組50可以從頻率補償裝置之外較上層的處理模組接收基地台參數。且只要UE 30沒有與第一基地台20進行基地台切換(handover)，發射模組50就可以一直沿用相同的基地台參數進行頻率補償。

接收模組40可以首先可從第一基地台20以第一接收頻率接收至少一個第一訊號(步驟S200)，且讀取第一基地台20發射第 一訊號的第一發射頻率(步驟S300)。更詳細地說，偏移偵測單元42可以以正交頻率多工(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)或分碼多工多重存取(Code Division Multiple Access，CDMA)的方式接收第一訊號。

根據一實施範例，頻率補償裝置另包括一應用層處理單元80，如「第5圖」。應用層處理單元80可用以從一系統廣播訊號中讀取第一發射頻率，並將第一發射頻率傳給預補償單元52。

應用層處理單元80也可進行訊號涵蓋範圍(亦稱為細胞或小區，cell)搜尋以獲得具有通訊控制資訊的一訊號涵蓋範圍搜尋結果，並從訊號涵蓋範圍搜尋結果中讀取第一發射頻率與第二接收頻率。此外，應用層處理單元80也可以進行其他搜尋方式，以得知第一發射頻率與第二接收頻率，並將基地台參數傳給預補償單元52。

偏移偵測單元42計算第一發射頻率與第一接收頻率的差值作為頻率差值(步驟S400)。具體而言，可將第一發射頻率減去第一接收頻率的結果取絕對值作為頻率差值。

偏移偵測單元42也可依據頻率差值計算UE 30的一位移速率。第一訊號由位置固定的第一基地台20發出，並被以位移速率持續移動的接收模組40所接收。

都卜勒效應提供計算頻率變化的公式： 其中f為一發射源(source)發出的訊號的頻率，f’為一觀察者(observer)接收到的訊號的頻率，v為波速，v_s 為發射源的移 動速度，v_o 為觀察者的移動速度。在此為波速為光速，而發射源的移動速度為零。

因此把「式1」移項之後，可以利用以下公式計算得到UE 30的位移速率： 其中v_p 為UE 30的位移速度，v為光速，f_d 為頻率差值，f_r 為第一發射頻率。

得到頻率差值後，偏移偵測單元42可據以獲得對應第一基地台20的基地台參數，並將頻率差值傳送給發射模組50的預補償單元52。而基地台參數係依據第一發射頻率以及第二發射頻率計算得到。更詳細地說，基地台參數可以是第二發射頻率除以第一發射頻率的計算結果。

計算基地台參數的公式如下： 其中M為基地台參數，f_r 為第一發射頻率，f_t 為第二發射頻率。

根據一實施範例，前述應用層處理單元80可用以計算得對應第一基地台20的基地台參數，並將基地台參數傳給預補償單元52。預補償單元52再依據對應第一基地台20的基地台參數計算頻率補償值(步驟S500)。然而應用層處理單元80也可從偏移偵測單元42接收頻率差值並連同基地台參數計算後得到頻率補償值，再將頻率補償值傳給預補償單元52。也就是說，頻率補償值可以由預補償單元52或應用層處理單元80計算得到。

根據一實施範例，偏移偵測單元42以及預補償單元52都是實作於硬體層；而在依據頻率差值進行補償前，可先將頻率差值送給應用層處理單元80或其他頻率補償裝置之外較上層的處理模組以進行濾波或其他處理。如此一來可避免雜訊影響頻率差值準確度，但可能會略增訊號處理的延遲時間。

預補償單元52並依據對應第一基地台20的頻率補償值補償第二發射頻率，(步驟S600)，再讓發射模組50以補償後的第二發射頻率發出第二訊號給第一基地台20(步驟S700)。預補償單元52將第二發射頻率減去頻率差值與基地台參數的乘積的計算結果作為補償後的第二發射頻率。

補償第二發射頻率的公式如下： 其中f_t 為補償前的第二發射頻率，f_t ’為補償後的第二發射頻率，f_d 為頻率差值，M為對應於第一基地台20的基地台參數，f_r 為第一發射頻率，v為光速，v_p 為UE 30的位移速度。

第一基地台20會以一第二接收頻率接收第二訊號，且計算第二接收頻率的公式如下： 其中f_r ’為第二接收頻率，f_t 為補償前的第二發射頻率，f_t ’為補償後的第二發射頻率，v為光速，v_p 為UE 30的位移速度。

由此可見，第一基地台20接收的第二訊號的第二接收頻率f_r ’會與補償前的第二發送訊號f_t 相同，故第一基地台20所接收到的 第二訊號不會產生頻偏(frequency offset)。

此外，上述位移速度可以是正數或負數。當位移速度是正數時可表示UE 30是在接近第一基地台20，而當位移速度是負數時可表示UE 30是在遠離第一基地台20。

而根據另一實施範例，偏移偵測單元42得到的頻率差值也可提供給接收模組40的一補償單元44，以補償第一訊號。

請先參照「第6圖」，其係為又一實施範例之頻率補償裝置之方塊示意圖。偏移偵測單元42可將頻率差值傳送給補償單元52或是上層的應用層處理單元80，並可將頻率差值送給預補償單元52。然而補償單元44也可以透過一第一切換開關46從上層接收一第一控制參數，並依據第一控制參數補償第一訊號，再輸出補償後的第一訊號。第一控制參數可以是前述經過濾波處理或其他前置處理的頻率差值。也就是說，上層的應用層處理單元80可以從偏移偵測單元42接收頻率差值並處理之，再將處理過的頻率差值傳送給補償單元44。

類似地，預補償單元52先從應用層處理單元80獲取補償前的第二訊號以及基地台參數，之後可以透過一第二切換開關54從上層的應用層處理單元80接收一第二控制參數。第二控制參數可以是前述經過濾波處理或其他前置處理的頻率差值，預補償單元52接收第二控制參數後再以前述方式處理並補償。第二控制參數也可以直接是第二傳送頻率用的頻率補償值，預補償單元52接收第二控制參數後就可直接據以進行補償，以增加整個頻率補償裝置的運作彈性。

請參照「第7圖」，其係為另一實施範例之頻率補償方法之流程示意圖。於「第7圖」的實施範例之中，計算得到頻率差值後，補償單元44可利用頻率差值補償第一頻率訊號(步驟S350)。舉例而言，補償單元52可以依據頻率差值去除第一訊號因都卜勒效應而產生的頻差。補償單元44並可將補償後的第一訊號傳送給與頻率補償裝置相連的一解碼器以及一通道等化器(Channel Equalizer)，由後續的解碼器以及通道等化器將第一訊號的各個圖框進行解碼。

更詳細地說，偏移偵測單元42可針對每一個圖框即時計算對應的頻率差值，而補償單元44以及解碼器可同時或延遲至少一圖框時間後進行補償以及解碼。偏移偵測單元42與解碼器之間也可配置有其他的濾波器或補償單元，而能對第一訊號的各圖框進行通道補償或其他處理。

根據又一實施範例，當UE 30進行基地台切換時，頻率補償裝置可以依據新的基地台計算新的基地台參數。請同時參照「第8圖」以及「第9圖」，其分別為又一實施範例之頻率補償方法之流程示意圖，以及第二基地台之示意圖。

假設一第一基地台60具有一第一訊號涵蓋範圍62，並接收第二訊號；一第二基地台70具有一第二訊號涵蓋範圍72，並接收至少一第四訊號。UE 30位於持續移動的一列車上。列車目前位於第一訊號涵蓋範圍62與第二訊號涵蓋範圍72的重疊區域上，且即將離開第一訊號涵蓋範圍62前往第二訊號涵蓋範圍72。UE 30與第一基地台60通訊時，需接收第一訊號並發射第二訊號，同樣地 UE 30與第二基地台70通訊時，需接收至少一第三訊號並發射第四訊號。其中第一訊號與第三訊號頻率可以相同或不同。相同地第二訊號與第四訊號頻率也可以相同或不同。

應用層處理單元80可以依據上層通訊協議的需求，切換接收模組40的接收頻率來偵測是否接收到第二基地台70的第三發射訊號，以判斷是否切換到第二基地台70(步驟S800)。當偵測到第二基地台70時，獲得對應第二基地台70的基地台參數，依據對應第二基地台70的基地台參數計算頻率補償值，依據對應頻率補償值第二基地台70的基地台參數補償第二發射頻率，並以補償後的第二發射頻率發出第三訊號給第二基地台70(步驟S900)。

更詳細地說，當偵測到第二基地台70時，應用層處理單元80可計算對應第二基地台70的基地台參數並傳送給預補償單元52，且切換發射模組50的發射頻率以符合第四訊號的需求。預補償單元52依據對應第二基地台70的基地台參數與頻率差值來補償第二發射頻率，並以補償後的第二發射頻率發出第四訊號給第二基地台70。

若UE 30位於第一訊號涵蓋範圍62與第二訊號涵蓋範圍72的重疊區域上，則頻率補償裝置可以藉其上層所使用的通訊協議及其他模組同步進行切換，以同時與第一基地台60以及第二基地台70進行通訊，並分別以對應於第一基地台60與第二基地台70的基地台參數補償第二訊號與第四訊號。

須注意的是，上述偏移偵測單元42以及預補償單元52都是實作於硬體層而非應用層，因此可以快速地執行步驟S100到步驟 S600，以計算頻率差值並據以補償第二發射頻率。特別是偏移偵測單元42可以直接把頻率差值直接傳給預補償單元52，而預補償單元52也能在獲得基地台參數後以簡單的乘法器(multiplier)直接補償第二發射頻率。因此頻率補償裝置可以即時(real time)進行補償，而將訊號被解碼失敗的機會降到最低。且由於預補償單元52在每個圖框都藉由接收偵測單元42所送出的頻率差值來進行更新，因此即時補償所帶來的效率提升更為突出。

不同基地台可能會對應不同的基地台參數，切換通訊的基地台時應用層處理單元80就需要更新基地台參數並傳給預補償單元52，以讓接收模組40與發射模組50利用更新過的基地台參數進行補償。但一般即使UE 30在高速移動的情況下，通常也會每隔一秒或數十秒才需要切換基地台。相較於從預處理單元52自行計算基地台參數的做法，雖然於從應用層處理單元80處理基地台參數並傳送給預補償單元52會略增UE 30的中央處理器(Central Processing Unit，CPU)的負載，但可減少一個預補償單元52中的乘法器。但根據另一實施範例，預補償單元52中也可另包括一個乘法器以自行計算基地台參數，而不用從應用層處理單元80接收。

綜上所述，頻率補償裝置及其頻率補償方法可由接收模組在硬體層即時偵測頻率差值以及計算第二頻率補償值，並在硬體層立即將第二頻率補償值傳送給發射模組使用，而能有效提高補償的處理效率。換句話說，配置於UE的頻率補償裝置可以在高速環境下利用硬體層的架構直接對接收到的第一訊號以及預發射的第二訊號補償，使UE與BS之間的無線通訊毫無窒礙。

以上較佳具體實施範例之詳述，是希望藉此更加清楚描述本發明之特徵與精神，並非以上述揭露的較佳具體實施範例對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望將各種改變及具相等性的安排涵蓋於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

20‧‧‧第一基地台

30‧‧‧使用者設備

40‧‧‧接收模組

42‧‧‧偏移偵測單元

44‧‧‧補償單元

46‧‧‧第一切換開關

50‧‧‧發射模組

52‧‧‧預補償單元

54‧‧‧第二切換開關

60‧‧‧第一基地台

62‧‧‧第一訊號涵蓋範圍

70‧‧‧第二基地台

72‧‧‧第二訊號涵蓋範圍

80‧‧‧應用層處理單元

第1圖係為一實施範例之都卜勒效應之頻率影響示意圖。

第2圖係為一實施範例之基地台與使用者設備之通訊示意圖。

第3圖係為一實施範例之頻率補償裝置之方塊示意圖。

第4圖係為一實施範例之頻率補償方法之流程示意圖。

第5圖係為另一實施範例之頻率補償裝置之方塊示意圖。

第6圖係為又一實施範例之頻率補償裝置之方塊示意圖。

第7圖係為另一實施範例之頻率補償方法之流程示意圖。

第8圖係為又一實施範例之頻率補償方法之流程示意圖。

第9圖係為一實施範例之第二基地台之示意圖。

40‧‧‧接收模組

42‧‧‧偏移偵測單元

50‧‧‧發射模組

52‧‧‧預補償單元

80‧‧‧應用層處理單元

Claims (13)

1. 一種頻率補償裝置，適用於與一第一基地台通訊的一使用者設備，該頻率補償裝置包括：一接收模組，具有一偏移偵測單元，該偏移偵測單元用以執行以下步驟：從該第一基地台以一第一接收頻率接收至少一第一訊號；讀取該第一基地台發射該至少一第一訊號的一第一發射頻率；以及計算該第一發射頻率與該第一接收頻率的差值作為一頻率差值；一發射模組，用以執行以下步驟：獲得對應該第一基地台的一基地台參數；依據該基地台參數計算一頻率補償值；依據對應該第一基地台的該頻率補償值補償一第二發射頻率；以及以補償後的該第二發射頻率發出一第二訊號給該第一基地台；以及一應用層處理單元，用以從一系統廣播訊號中讀取該第一發射頻率，或是從一訊號涵蓋範圍搜尋結果中讀取該第一發射頻率，並將該第一發射頻率傳給該發射模組。
2. 如請求項1所述之頻率補償裝置，其中該基地台參數係為該第 二發射頻率除以該第一發射頻率的計算結果。
3. 如請求項2所述之頻率補償裝置，另包括：一應用層處理單元，用以計算得對應該第一基地台的該基地台參數，並將該基地台參數傳給該發射模組。
4. 如請求項3所述之頻率補償裝置，其中當該應用層處理單元偵測到一第二基地台時，計算對應該第二基地台的該基地台參數並傳給該偏移偵測單元，以依據對應該第二基地台的該基地台參數補償該第二發射頻率，且該發射模組並以補償後的該第二發射頻率發出一第三訊號給該第二基地台。
5. 如請求項1所述之頻率補償裝置，其中該補償後的該第二發射頻率係為該第二發射頻率減去該頻率差值與該基地台參數的乘積的計算結果。
6. 如請求項1所述之頻率補償裝置，其中該接收模組另包括：一補償單元，用以利用該頻率差值補償該第一訊號。
7. 如請求項1所述之頻率補償裝置，其中該接收模組以正交頻率多工或分碼多工多重存取接收該至少一第一訊號。
8. 一種頻率補償方法，適用於與一第一基地台通訊的一使用者設備，該頻率補償方法包括：獲得對應該第一基地台的一基地台參數；從該第一基地台以一第一接收頻率接收至少一第一訊號；讀取該第一基地台發射該至少一第一訊號的一第一發射頻率； 計算該第一發射頻率與該第一接收頻率的差值作為一頻率差值；依據對應該第一基地台的該基地台參數計算一頻率補償值；依據對應該第一基地台的該頻率補償值補償一第二發射頻率；以及以補償後的該第二發射頻率發出一第二訊號給該第一基地台；其中於該讀取該第一基地台發射該至少一第一訊號的該第一發射頻率的步驟，係從一系統廣播訊號中讀取該第一發射頻率，或是從一訊號涵蓋範圍搜尋結果中讀取該第一發射頻率。
9. 如請求項8所述之頻率補償方法，其中該基地台參數係為該第二發射頻率除以該第一發射頻率的計算結果。
10. 如請求項8所述之頻率補償方法，另包括：判斷是否偵測到一第二基地台；以及當偵測到該第二基地台時，獲得對應該第二基地台的該基地台參數，以依據對應該第二基地台的該基地台參數計算該頻率補償值，依據對應該頻率補償值第二基地台的該基地台參數補償該第二發射頻率，並以補償後的該第二發射頻率發出一第三訊號給該第二基地台。
11. 如請求項8所述之頻率補償方法，其中該補償後的該第二發射 頻率係為該第二發射頻率減去該頻率差值與該基地台參數的乘積的計算結果。
12. 如請求項8所述之頻率補償方法，另包括：利用該頻率差值補償該第一訊號。
13. 如請求項8所述之頻率補償方法，其中係以正交頻率多工或分碼多工多重存取接收該至少一第一訊號。