TWI491194B - 於無線網路訊號中界定訊號時序的方法與相關裝置 - Google Patents

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Description

於無線網路訊號中界定訊號時序的方法與相關裝置
本發明是有關於一種於無線網路訊號中界定訊號時序的方法與相關裝置，且特別是有關於一種可於多天線傳輸的無線網路訊號中界定符元邊界的方法與相關裝置。
無線網路能以無線網路訊號進行封包、資料、訊息、指令、語音、影音串流的交換、互聯、通訊及/或廣播，已成為現代資訊社會中最重要的網通技術之一。其中，能實現多輸入多輸出(multi-input multi-output，MIMO)技術的無線網路能在不佔用額外頻寬的情形下提昇網路容量(network capacity)、增加資料傳輸率、降低錯誤率、增進干擾抵抗能力、利用波束成型(beam-forming)改良指向性及/或加強對通道衰減的抵抗能力，已經成為現代無線網路的研發重點。舉例而言，基於IEEE 802.11n標準的無線區域網路，即已納入多輸入多輸出技術。在多輸入多輸出的無線網路中，同一傳輸端可以設有多個天線，以利用多個天線發出合成的無線網路訊號；同一接收端也可以設置一或多個天線以接收由傳輸端發出的無線網路訊號。
當傳輸端發出無線網路訊號時，會依照預設的訊號時序而在無線網路訊號中劃分出不同的時段，例如時槽(time slot)、符元、訊框等等；各時段各自攜載個別的波形、訊息及/或資料。舉例而言，在正交分頻多工(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的無線網路中，無線網路訊號會劃分出不同的正交分頻多工符元(OFDM symbol)；在每一個正交分頻多工符元中，會以多個頻率正交的子載波(sub-carrier)攜載數位資料。當接收端接收無線網路訊號後，需要重建無線網路訊號的訊號時序，以便和訊號時序同步地正確解讀出無線網路訊號中攜載的訊息或資料。舉例而言，在正交分頻多工的無線網路中，訊號時序便反映了正交分頻多工符元的符元邊界；接收端必須辨識出符元邊界，才能正確地解讀出各個正交分頻多工符元所攜載的數位資料。
為了使接收端能重建無線網路訊號的訊號時序，在無線網路訊號的各封包啟始時，傳輸端會在無線網路訊號中加入同步用的定序訊號。此定序訊號的內容(例如其波形及/或其頻譜)是依照無線網路標準預先設定的；因此，對接收端而言，此定序訊號的內容是已知的。當接收端於無線網路訊號中辨識出此定序訊號後，便可藉以啟始無線網路訊號的訊號時序，定出其後各時段的邊界，以解讀後續各時段中的資料、訊息。舉例而言，在正交分頻多工的無線網路訊號中，其封包前文(preamble)內的短前文(short preamble)序列即可視為定序訊號；短前文序列中包括有複數個內容重複的短前文，可用於時序同步。
當一傳輸端要以多天線發出無線網路訊號時，每個天線會各自傳輸個別的單天線無線訊號，而接收端收到的無線網路訊號即是由這些單天線無線訊號所合成。各天線的單天線無線訊號中均包括有各自的定序訊號；為了避免意料之外的波束成型，傳輸端會在不同天線的定序訊號間引入循環偏移延遲(cyclic shift delay，CSD)。不過，當接收端要辨識無線網路訊號中的定序訊號時，由於無線網路訊號中混合了不同天線的定序訊號，習知技術的接收端將無法穩定地決定訊號時序。舉例而言，在某一時刻，若一第一天線的單天線無線訊號較強，習知的接收端會依據第一天線的定序訊號決定一第一訊號時序；然而，在另一時刻，當第二天線的單天線無線訊號較強，習知的接收端將依據第二天線的定序訊號訂定出一第二訊號時序。由於兩天線的定序訊號間有循環偏移延遲，據此得到的第一訊號時序與第二訊號時序也有所差異；換言之，接收端的訊號時序將無法強健地抵抗不同天線間的訊號強弱變化。
在傳輸端只有單一天線的應用中，接收端可利用匹配濾波(match filtering)技術辨識出無線網路訊號中的定序訊號。接收端可針對不同的時點分別設定一匹配範圍，並於各時點對應的匹配範圍中依據無線網路訊號與一預設訊號的乘積累計而為各時點提供一對應的匹配值。集合不同時點對應的匹配值可形成一匹配值分佈。在匹配值分佈中搜尋峰值，即可在無線網路訊號中辨識出定序訊號出現的時序，進而決定無線網路訊號的訊號時序。不過，若無線網路訊號係由多天線的無線訊號所合成，則匹配值分佈中會出現多數個局部峰值，無法藉由匹配值分佈的峰值提供穩定的訊號時序。
因此，本發明將改進匹配濾波技術，提供一種能在一或多天線的應用中穩定地界定訊號時序的技術。
本發明的目的之一是提供一種應用於無線網路接收端的方法，以於一無線網路訊號中界定一訊號時序；其包括：針對無線網路訊號進行一匹配濾波以提供一匹配值分佈，對匹配值分佈進行一移動平均(moving average)以提供一累計值分佈，並依據累計值分佈中峰值出現的時序提供一中心時序，並依據中心時序界定無線網路訊號的訊號時序(如符元邊界)。
一實施例中，當提供中心時序時，可將累計值分佈與一臨界值相比較，依據累計值分佈與臨界值的交會時點提供一時序上限與一時序下限，並依據時序上限與時序下限的平均設定中心時序。一實施例中，可依據累計值分佈的峰值數值大小與一臨界值比例的乘積設定臨界值。
一實施例中，當進行移動平均時，係針對不同的時點分別設定一對應的累計範圍，並於各時點對應的累計範圍中累計匹配值，以替各時點提供一對應的累計值。
本發明的又一目的是提供一種應用於一無線網路接收端的裝置，用以在無線網路訊號中界定一訊號時序；其包括有一匹配濾波模組、一累計值模組、一峰值模組與一時序模組。匹配濾波模組針對無線網路訊號進行匹配濾波以提供匹配值分佈。累計值模組對匹配值分佈進行移動平均以提供累計值分佈。峰值模組依據累計值分佈中出現峰值的時序提供一中心時序。時序模組依據中心時序界定無線網路訊號的訊號時序。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參考第1圖，其所示意的是一匹配濾波器10的實施例。匹配濾波器10針對一網路訊號r(n)進行匹配濾波；網路訊號r(n)可以是由無線網路接收端所接收的無線網路訊號。舉例而言，當接收端以天線接收無線網路訊號後，包括混波、帶通及/或低通濾波訊號，可將其降轉(down-conversion)至中頻或基頻訊號，並進行取樣/數位化，而其所得的訊號即可作為網路訊號r(n)。網路訊號r(n)可以是一複數(complex)訊號，其實部(real part)與虛部(imaginary part)分別對應無線網路訊號中的平行相位(in-phase)部份與正交相位(quadrature-phase)部份。
匹配濾波器10包括複數個延遲器12、乘法器14、共軛複數計算器16與一累計器18，用以實現匹配濾波；其係針對不同的時點n分別設定一匹配範圍(如0至(N-1))，並於各時點n對應的匹配範圍中對訊號r(n)與一預設訊號R(k)的共軛複數R*(k)的乘積進行累計，以便為各時點n提供一對應的匹配值A(n)。如等式eq1所示，匹配濾波器10可將某一時點n之後的N個網路訊號值r(n)至r(n+N-1)分別乘以N個預設訊號值R(0)至R(N-1)的共軛複數R*(0)至R*(N-1)，並進行加總累計，其結果即為匹配值A(n)。集合不同時點n的對應匹配值A(n)，可形成一匹配值分佈。
在匹配濾波器10進行的匹配濾波中，預設訊號R(n)即為內容已知的定序訊號；換言之，匹配濾波器10進行匹配濾波的目的即是要在網路訊號r(n)中辨識出定序訊號。
請參考第2圖，其所示意的是在天線數目不同時對網路訊號r(n)進行匹配濾波的結果。當傳輸端只以單一天線傳輸無線網路訊號時，此單一傳輸天線會發出單天線無線訊號r(n)_1，而接收端接收到的網路訊號r(n)即是由單天線無線訊號r(n)_1所形成。單天線無線訊號r(n)_1中設有複數筆定序符元tD[1]以形成定序訊號。舉例而言，在正交分頻多工的無線網路中，定序符元tD[1]可以是短前文(又稱為短訓練符元)。如第2圖所示，每一定序符元tD[1]中有N個取樣值x(1)至x(N)；當被接收端接收後，訊號值x(1)至x(N)就分別對應時點(t+1)至(t+N)的網路訊號值r(t+1)至r(t+N)。由於定序符元的內容是依照無線網路標準所預先設定的，故其取樣值x(1)至x(N)是固定、已知的；當接收端進行第1圖匹配濾波時，等式eq1中的預設訊號值R(0)至R(N-1)即是依據取樣值x(1)至x(N)所設定的，而第2圖中的匹配值分佈20a即是對網路訊號r(n)進行匹配濾波的結果。針對定序符元tD[1]，匹配值分佈20a會出現一峰值。換言之，峰值的出現，代表匹配濾波已經從網路訊號r(n)中辨識出定序符元，而峰值出現的時序即對應定序符元的時序；依據定序符元的時序，接收端就可為網路訊號r(n)重建其時段劃分的訊號時序，例如說是時槽、符元、訊框及/或正交分頻多工符元的邊界。
另一方面，若傳輸端設有第一與第二天線，並以第一天線與第二天線分別發出單天線無線訊號r(n)_1與r(n)_2，則接收端接收所得的網路訊號r(n)會是由這兩個單天線無線訊號r(n)_1與r(n)_2所合成的，例如說是r(n)=h1*r(n)_1+h2*r(n)_2，其中，h1與h2為合成的權重。由於傳輸端的兩天線與接收端之間的距離、方向、雜訊與通道衰減都有差異，故權重h1與h2可以是相異的，且其數值大小也是隨機的。單天線無線訊號r(n)_1與r(n)_2中分別包括有複數個重複的定序符元tD[1]與tD[2]，定序符元tD[1]中有N個取樣值x(1)至x(N)。相對地，由於傳輸端會在第二天線的單天線無線訊號r(n)_2中引入循環偏移延遲，故定序符元tD[2]的前L個取樣值分別為取樣值x(N-L+1)至x(N)，後(N-L)個取樣值則分別為取樣值x(1)至x(N-L)。換句話說，定序符元tD[2]中的取樣值是將取樣值x(1)至x(N)循環偏移數目L所得的，而數目L即對應循環偏移延遲的延遲時間長短。
因為網路訊號r(n)是由單天線無線訊號r(n)_1與r(n)_2所合成的，故時點(t+1)至(t+L)的L個網路訊號值r(t+1)至r(t+L)分別是由取樣值x(1)至x(L)、取樣值x(N-L+1)至x(N)所合成的，即網路訊號值r(t+n)=h1*x(n)+h2*x(N-L+n)，對n=1至L。在後續的時點(t+L+1)至(t+N)，後(N-L)個網路訊號值r(t+L+1)至r(t+N)則分別是由取樣值x(L+1)至x(N)、取樣值x(1)至x(N-L)所合成，即網路訊號值r(t+n)=h1*x(n)+h2*x(n-L)，對n=(L+1)至N。
不過，當接收端進行第1圖的匹配濾波時，等式eq1中的預設訊號值R(0)至R(N-1)仍然是依據取樣值x(1)至x(N)所設定的，第2圖中的匹配值分佈20b則是對兩天線下的網路訊號r(n)進行匹配濾波的結果。對應時點(t+1)至(t+N)的定序符元tD[1]與tD[2]，匹配值分佈20a將出現前後兩個局部峰值，這兩個局部峰值出現的時間差即對應循環偏移的數量L。這兩個局部峰值的峰值大小會受權重h1與h2影響，而權重h1與h2又會因雜訊及/或通道的隨機(random)衰落而隨機地改變，故此兩個局部峰值間的峰值大小關係也會隨機地改變，即前一局部峰值的峰值大小可能高於或低於後一局部峰值的峰值大小。因此，若要沿用單一天線的情形而在這兩個局部峰值間比較出一個較高的峰值並藉以重建訊號時序，則此訊號時序也會是隨機變化而不穩定的。
由兩個天線的情形可推廣得知更多天線的情形。若傳輸端是以M個天線(M大於1)分別發出M個單天線無線訊號，在第m個(m可以等於2至M的其中之一)單天線無線訊號的定序符元tD[m]內，其N個取樣值中的前(m-1)*L個取樣值會是循環偏移的取樣值x(N-(m-1)*L+1)至x(N)，後續的(N-(m-1)*L)個取樣值則分別為取樣值x(1)至x(N-(m-1)*L)。由於接收端接收所得的網路訊號r(n)是由M個單天線無線訊號所合成，故對時點(t+1)至(t+N)的定序符元tD[1]至tD[M]而言，於網路訊號r(n)中進行匹配濾波所得的匹配值分佈中會出現M個局部峰值；這M個局部峰值間的峰值大小相互關係也是隨機的，無法依據局部峰值間的峰值大小比較來重建穩定的訊號時序。
為了要利用M個天線於匹配值分佈中形成的M個局部峰值提供穩定的訊號時序，本發明會進一步對匹配值分佈進行平均，以整合這M個局部峰值。請參考第3圖，其所示意的是依據本發明一實施例而對匹配值分佈進行移動平均的移動平均器30。移動平均器30中包括一暫存器22與一累計器24。移動平均器30係針對某一時點n設定一對應的累計範圍(n-Q)至(n+P)，並於此累計範圍中累計匹配值A(n-Q)至A(n+P)，為時點n提供一對應的累計值S(n)，如等式eq2所示；其中，增益W可以為一常數值，例如是1或1/(P+Q)。數量P與Q可依據數量M與L而訂定，例如說是使數量和(P+Q)趨近或略大於數量(M-1)*L；數量P與Q可以相等或相異，數量P與Q的其中之一可以等於0。對各時點n，暫存器22可暫存時點(n-Q)至(n+P)的匹配值A(n-Q)至A(n+P)，而累計器24可對這些匹配值A(n-Q)至A(n+P)進行累計，以得出對應的累計值S(n)。集合不同時點n對應的累計值S(n)，就可形成一累計值分佈。
請參考第4圖，其所繪示的是依據本發明一實施例而由一匹配值分佈26得到對應累計值分佈28的示意圖。於不同的時點n1、n2與n3分別對累計範圍(n1-Q)至(n1+P)、(n2-Q)至(n2+P)與(n3-Q)至(n3+P)內的匹配值A(n1-Q)至A(n1+P)、A(n2-Q)至A(n2+P)與A(n3-Q)至A(n3+P)進行累計，就可以求出時點n1、n2與n3的累計值A(n1)、A(n2)與A(n3)。如第4圖所示，經第3圖的移動平均整合，即使匹配值分佈26中有M個局部峰值(數量M可以大於等於1)，移動平均所得的累計值分佈28也只會出現單一峰值。
延續第1圖至第4圖，請繼續參考第5圖；第5圖所繪示的是依據本發明一實施例而利用累計值分佈28來為接收訊號r(n)決定訊號時序的示意圖。如第2圖所討論的，接收訊號r(n)可以是由M個天線的單天線無線訊號r(n)_1、...、r(n)_m至r(n)_M所合成的；在單天線無線訊號r(n)_1至r(n)_M中的各個定序符元tD[1]至tD[M]間，會因相互的循環偏移延遲而在匹配值分佈26中形成M個局部峰值。這M個局部峰值分別對應定序符元tD[1]至tD[M]的循環偏移啟始處，即各定序符元tD[1]至tD[M]中取樣值x(1)的啟始時序。因此，若能找出第一個與第M個局部峰值之間的中心時點nc，就能據此決定各定序符元的邊界(如啟始與結束的時點)，進而決定接收訊號r(n)的訊號時序。而本發明即是要利用累計值分佈28來估測中心時點nc。
如第5圖所示，在本發明的一實施例中，本發明可為累計值分佈28設定一臨界值S_TH，並針對累計值分佈28與臨界值S_TH進行比較，以依據累計值分佈28與臨界值S_TH的交會時點提供一時序上限與一時序下限，如時點n_max與n_min。依據此時序上限與時序下限，便可求得一中心時點nc_e(可視為一中心時序)，而此中心時點nc_e即可作為中心時點nc的估測值。舉例而言，中心時點nc_e可以是時序上限與時序下限的平均：nc_e=(n_min+n_max)/2。利用中心時點nc_e與已知的數量L，就可決定各定序符元的時序，並進而決定網路訊號r(n)的訊號時序，達到本發明的目的。
在本發明的一實施例中，臨界值S_TH可以是依據累計值分佈28的峰值大小(即累計值S(n_peak))而決定的。舉例而言，可依據峰值S(n_peak)的數值大小與一臨界值比例R的乘積設定臨界值S_TH，如S_TH=R*S(n_peak)；其中，臨界值比例R可以等於一預設的常數。
在本發明的又一實施例中，可以直接依據峰值出現的時點n_peak來當作中心時點nc的估測值，並進而決定網路訊號r(n)的訊號時序，達到本發明的目的。
請參考第6圖，其所示意的是依據本發明一實施例的裝置40，其可設置於一無線網路接收端(未圖示)，用以為接收端接收所得的網路訊號r(n)界定訊號時序。裝置40包括有一匹配濾波模組32、一累計值模組34、一峰值模組36與一時序模組38；匹配濾波模組32、累計值模組34、峰值模組36與時序模組38依序串聯耦接。匹配濾波模組32實現第1圖的匹配濾波器10，針對網路訊號r(n)進行匹配濾波，以提供匹配值A(n)的時域分佈。累計值模組34實現第3圖的移動平均器30，對匹配值A(n)的分佈進行移動平均，以提供累計值S(n)及其時域分佈。基於第5圖所示的原理，峰值模組36依據累計值分佈中出現峰值的時序提供中心時點nc_e以作為中心時序。時序模組38則依據中心時序界定網路訊號r(n)的訊號時序。裝置40中的各模組可用硬體、軟體及/或韌體或其組合來予以實現。舉例而言，可用硬體邏輯電路來實現匹配濾波模組32、累計值模組34等等。
總結來說，在多傳輸天線的應用中，基於匹配濾波的技術會受到匹配值分佈的峰值大小影響而無法穩定地為無線網路接收端所收到的網路訊號提供訊號時序。相較之下，本發明可以將匹配值分佈的多個峰值整合為累計值分佈中的單一峰值，故可為訊號時序提供穩定的基礎，避免因匹配濾波的局部峰值大小隨機變異而影響訊號時序的重建，進而使無線網路接收端能正確地解讀其所接收的無線網路訊號。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．匹配濾波器
12．．．延遲器
14．．．乘法器
16．．．共軛複數計算器
18、24．．．累計器
22．．．暫存器
26．．．匹配值分佈
28．．．累計值分佈
30．．．移動平均器
32．．．匹配濾波模組
34．．．累計值模組
36．．．峰值模組
38．．．時序模組
r(.)．．．網路訊號
R(.)．．．預設訊號
A(.)．．．匹配值
S(.)．．．累計值
r(n)_1、r(n)_2、r(n)_m、r(n)_M．．．單天線無線訊號
tD[1]、tD[2]、tD[m]、tD[M]．．．定序符元
x(.)．．．取樣值
eq1、eq2．．．等式
S_TH．．．臨界值
nc、nc_e．．．中心時點
n_min、n_max、n_peak．．．時點
第1圖示意的是進行匹配濾波的一種實施例。
第2圖示意性地比較單一傳輸天線與多傳輸天線下的網路訊號及其對應的匹配濾波結果。
第3圖示意的是依據本發明一實施例的移動平均器。
第4圖示意的是第3圖移動平均器的運作結果。
第5圖繪示的是依據本發明一實施例而藉由移動平均結果估測中心時序的示意圖。
第6圖示意的是依據本發明一實施例的裝置。
26．．．匹配值分佈
28．．．累計值分佈
r(n)_1、r(n)_m、r(n)_M．．．單天線無線訊號
tD[1]、tD[m]、tD[M]．．．定序符元
nc、nc_e．．．中心時點
n_min、n_max、n_peak．．．時點

Claims (16)

  1. 一種於一無線網路訊號中界定一訊號時序的方法，該無線網路訊號係由複數個單天線無線訊號合成，該些單天線無線訊號係分別由複數個天線發出，該方法包含：針對該無線網路訊號進行一匹配濾波(match-filtering)以提供一匹配值分佈；對該匹配值分佈進行一移動平均(moving average)以提供一累計值分佈；依據該累計值分佈中峰值出現的時序提供一中心時序；以及依據該中心時序與該複數個天線的個數界定該無線網路訊號的該訊號時序，該訊號時序包含該無線網路訊號的一符元邊界。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該提供該中心時序之步驟包含：設定一臨界值；比較該累計值分佈與該臨界值，依據該累計值分佈與該臨界值的交會時點提供一時序上限與一時序下限；以及依據該時序上限與該時序下限設定該中心時序。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該提供該中心時序之步驟，更包含： 依據該時序上限與該時序下限的平均設定該中心時序。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該設定該臨界值之步驟，係依據該峰值的數值大小設定該臨界值。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該設定該臨界值之步驟，係依據該峰值的數值大小與一臨界值比例的乘積設定該臨界值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該進行該匹配濾波之步驟包含：針對不同的時點分別設定一匹配範圍，並於各該時點對應的該匹配範圍中依據該無線網路訊號與一預設訊號的乘積累計而為各該時點提供一對應的匹配值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該進行該移動平均之步驟包含：針對不同的時點分別設定一對應的累計範圍，並於各該時點對應的該累計範圍中的累計該匹配值，以替各該時點提供一對應的累計值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，各該單天線無線訊號包含一對應的定序訊號，而不同的該單天 線無線訊號所對應的該定序訊號間具有一循環偏移延遲(cyclic shift delay，CSD)。
  9. 一種應用於一無線網路接收端的裝置，用以在該無線網路訊號中界定一訊號時序；該無線網路訊號係由複數個單天線無線訊號合成，該些單天線無線訊號係分別由複數個天線發出；該裝置包含：一匹配濾波模組，針對該無線網路訊號進行一匹配濾波(match-filtering)以提供一匹配值分佈；一累計值模組，對該匹配值分佈進行一移動平均(moving average)以提供一累計值分佈；一峰值模組，依據該累計值分佈中出現峰值的時序提供一中心時序；以及一時序模組，依據該中心時序與該複數個天線的個數界定該無線網路訊號的該訊號時序；其中，該訊號時序包含該無線網路訊號的一符元邊界。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，該峰值模組係比較該累計值分佈與該臨界值，以依據該累計值分佈與該臨界值的交會時點提供一時序上限與一時序下限，並依據該時序上限與該時序下限設定該中心時序。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中，該峰值模組係依據該時序上限與該時序下限的平均設定該中心時序。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中，該峰值模組係依據該峰值的數值大小設定該臨界值。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其中，該峰值模組係依據該峰值的數值大小與一臨界值比例的乘積設定該臨界值。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，該匹配濾波模組係針對不同的時點分別設定一匹配範圍，並於各該時點對應的該匹配範圍中依據該無線網路訊號與一預設訊號的乘積累計而為各該時點提供一對應的匹配值。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，該移動平均模組係針對不同的時點分別設定一對應的累計範圍，並於各該時點對應的該累計範圍中的累計該匹配值，以替各該時點提供一對應的累計值。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，各該單天線無線訊號包含一對應的定序訊號，而不同的該單天線無線訊號所對應的該定序訊號間具有一循環偏移延遲(cyclic shift delay，CSD)。
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