TWI696359B

TWI696359B - 循環頻移正交分頻多工存取之展頻裝置

Info

Publication number: TWI696359B
Application number: TW107111158A
Authority: TW
Inventors: 江政憲
Original assignee: 大陸商貴州濎通芯物聯技術有限公司
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-06-11
Also published as: TW201902164A

Abstract

本發明提供一種CFS-OFDMA裝置，包含：至少一通訊裝置，依據一頻帶進行訊號傳輸，頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，且通訊裝置用以利用多個循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，Q個頻域符元依據Q台工作站的Q個資料所產生，Q台工作站具有對應的Q個子頻帶；Q台工作站具有對應的該串比特並分配至Q個子頻帶；以及該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的循環頻率位移值對應不同的比特值。

Description

循環頻移正交分頻多工存取之展頻裝置

本發明係關於一種展頻裝置，特別關於一種循環頻移(Cyclic-Frequency Shift，以下簡稱CFS)正交分頻多工存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，以下簡稱OFDMA)之展頻裝置。

循環頻移正交分頻多工之展頻(Cyclic-Frequency Shift Orthogonal Frequency Division Multiplex Spread Spectrum，以下簡稱CFS-OFDM)技術，訊息是透過寬頻OFDM訊號的循環頻率位移值來傳送。其優點是在訊號雜訊比非常低的狀況下仍能傳輸，非常適合長距離的通訊應用。藉由循環前導，在多重路徑的通道比直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum，以下簡稱DSSS)、跳頻展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum，以下簡稱FHSS)，以及線性調頻展頻(Chirp Spread Spectrum，以下簡稱CSS)等傳統展頻技術有更好的表現。透過適當選擇頻域訊號，在時域的訊號有極低的功率峰均比，因此傳送端的RF增益放大器的線性度要求很低，可以大幅降低放大器的成本。

本發明之CFS-OFDMA之展頻裝置的目的，是讓基地台(Access Point，以下簡稱AP)能同時使用多個子頻帶與多台工作站(以下簡稱station)，且AP與多台station同時透過CFS-OFDM通訊，達到提升整體傳輸速率的效果。在作上行傳輸時，每一台工作站只需傳送自己的CFS-OFDM訊號，因此訊號的功率峰均比極低，大幅降低前端增益放大器的成本

於一實施例中，其中該至少一通訊裝置包含一接收裝置與一傳送裝置，該Q台工作站進行上行傳輸時，該傳送裝置先透過廣播方式，傳送一個同步封包至該Q台工作站，以確認各該Q台工作站開始傳送的時間；當該Q台工作站在收到該同步封包後，依據該同步封包作為一傳送時間軸的參考點，在一固定時間後該Q台工作站同時將該Q個資料在所對應的該Q個子頻帶，透過一CFS-OFDM訊號傳送所對應的一時域封包。

於一實施例中，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行排列；或，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行交錯排列。

100‧‧‧CFS-OFDMA之展頻裝置

110‧‧‧通訊裝置

200‧‧‧傳送裝置

210_1~210_Q‧‧‧格雷碼編碼單元

220_1~220_Q‧‧‧調變單元

230‧‧‧OFDM傳送單元

231‧‧‧封包組成單元

232‧‧‧窗單元

233‧‧‧循環前導單元

234‧‧‧N點反傅利葉轉換單元

240‧‧‧傳送電路Tx

300‧‧‧接收裝置

310_1~310_Q‧‧‧格雷解碼單元

320‧‧‧解調模組

321_1~321_Q‧‧‧峰值判斷單元

322_1~322_Q‧‧‧循環卷積單元

330‧‧‧OFDM接收單元

331‧‧‧封包偵側單元

332‧‧‧循環前導移除單元

333‧‧‧N點傅利葉轉換單元

340‧‧‧接收電路Rx

圖1顯示不同循環頻率組合態樣對應一比特值之示意圖。

圖2顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的功能方塊圖。

圖3顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的傳送裝置的功能方塊圖。

圖4顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的子頻帶切割方式示意圖。

圖5顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的子頻帶切割方式示意圖。

圖6顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的接收裝置的功能方塊圖。

圖7顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的上行傳輸之同步封包示意圖。

本發明一實施例，提出一種CFS-OFDM技術，是一種新的展頻技術(Spread Spectrum)，可以提供極其穩定的有線(Wired)以及無線(Wireless)的傳輸，廣泛應用於所有的通訊系統。當無線網路中存在多台station，我們可以將整體頻寬切割成數個子頻帶，每一子頻帶供不同的station使用。AP即可同時跟數個station用CFS-OFDM傳輸。此種多工存取的方式稱為CFS-OFDMA。除了具備原本CFS-OFDM的穩定傳輸效果外，由於一次可跟多台station同時通訊，CFS-OFDMA提升了網路的整體傳輸效能，並且大幅降低各station間大量傳輸所造成的訊號碰撞機率。在上行傳輸(uplink)時，每一station只需傳送自己子頻帶的CFS-OFDM訊號，因此具有非常低的功率峰均比(Peak to average power ratio)，對於前端放大器的線性需求大幅降低，可以降低成本。綜合以上優點，CFS-OFDMA非常適合於無線物聯網這種具有可達上千台station的大型網路系統使用。

於一實施例中，可以將依序排列的循環頻率排序視為第一組合態樣，並以循環方式使該些頻率往左或往右位移作為其他組合態樣，每一個組合態樣對應一個循環頻率位移值。更詳細說明如下。圖1顯示不同循環頻率組合態樣對應一比特值之示意圖。如圖1所示，在本實施例中，將依序排列的頻率排序S ₁₁ S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄作為第一組合態樣，並指定循環頻率位移值m=0且為第一個子頻帶。以循環方式使該些頻率往左位移一單位後，形成頻率排序S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄ S ₁₁，作為第二組合態樣，此時循環頻率位移值m=1且為第一個子頻帶，其他組合態樣，以此類推。在本實施例中，不同的循環頻率組合態樣對應不同的循環頻率位移值，而不同的循環頻率位移值對應不同的比特值，且比特值可以為二進位碼或格雷編碼。

舉例來說，當N=4時，可以透過循環頻率位移值傳送k=2個比特的訊息。如上表1所示(以第一個子頻帶為例)，m為循環頻率位移值傳送兩個比特的訊息，二進位值為b ₂ b ₁，格雷編碼為g ₂ g ₁，原始子載波內容為S ₁₁ S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄，當循環頻率位移=1時，子載波順序變為S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄ S ₁₁，當循環頻率位移=2時，子載波順序變為S ₁₃ S ₁₄ S ₁₁ S ₁₂，以此類推。表1的例子是往左循環位移，但本發明之循環位移並不限於往左或往右循環位移。

請參照上述表2及數學式S(mod(k+m,N))，於一實施例中，CFS-OFDM的傳送訊號，可以滿足下式(1)：

其中，N為所有頻域子載波的數量，S(k)為頻域符元，k代表第k個子載波，s(n)為時域符元，n為第n個時間點，m代表該循環頻率位移值，以子載波為單位，mod(.,N)為module N即對N取餘數，且N可為二的冪次方所實現。

因為循環頻率位移量m的可能值為0~N-1，所以一個CFS-OFDM的符元(symbol)最多可以傳送K=log₂(N)個比特訊息。

理論上來說，S(k)只要是非週期性訊號，均可作為CFS-OFDM訊號，但適當的選擇S(k)可以得到更好的傳輸品質。所謂適當的選擇，包含選擇具備最佳的自相關(auto-correlation)特性，以及在時域上最低的功率峰均比(Peak to average power ratio，以下簡稱PAPR)。舉例來說，當選擇的S(k)為如下述式(4)所示時，即具備前述二種優點：

在本實施例中，其在時域上的實部或虛部的PAPR約為3dB，而自相關(auto-correlation)只有在k=0時遠大於0，在k≠0的情況下均為0，所以是作為CFS-OFDM非常好的選擇。本實施例能夠降低傳送端的RF增益放大器的線性度要求，可以大幅降低放大器的成本。

本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置是以CFS-OFDM為基礎的通訊技術，將頻帶分為多個子頻帶，藉由多台station同時利用多路的CFS-OFDM同時運作，將CFS-OFDM的傳輸速率提升數倍。

圖2顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的功能方塊圖。如圖2所示，依據本發明一實施例，CFS-OFDMA之展頻裝置100中包含至少一通訊裝置110，且通訊裝置110依據一頻帶進行訊號傳輸；請注意，頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，Q個子頻帶分別對應Q個頻域符元，且通訊裝置110利用多個循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，Q個頻域符元依據Q台station的Q個資料所產生，該Q台station具有對應的Q個子頻帶；Q台station具有對應的該串比特並分配至該Q個子頻帶；以及該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的該些循環頻率位移值對應不同的比特值。

假設整個頻帶共有M個子載波，可依據Q台station將整個頻帶切割成Q個子頻帶，將每一子頻帶分配給一台station使用，接著AP以CFS-OFDM同時與Q台station傳輸，整體的網路傳輸速率將提升數倍之多。舉例而言，假設M=1024，CFS-OFDM每一符元可以傳送log₂(1024)=10比特。如果切割成8個子頻帶，每一子頻帶有128個子載波，則每個子頻帶的CFS-OFDM可傳送log₂(128)=7比特，透過CFS-OFDMA同時與八台station傳輸，每個符元即可傳送8×7=56比特，亦即傳輸速率可達原本的5.6倍之多。由於AP同時與多台station用CFS-OFDM通訊，故此方法稱為CFS-OFDMA。

於一實施例中，至少一通訊裝置110包含一傳送裝置200，於一實施例中，可以更包含一接收裝置300。傳送裝置200用以將一串比特轉換成多個頻域符元，並且將該些頻域符元轉換成傳輸用訊號St。接收裝置300用以接收傳輸用訊號St，並將傳輸用訊號St轉換成多個頻域符元，再將該些頻域符元轉換成一串比特。

圖3顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的傳送裝置的功能方塊圖。在CFS-OFDMA之展頻裝置下行(downlink)傳送端中，如圖3所示，CFS-OFDMA之展頻裝置100 的傳送裝置200包含：Q個調變單元220_1~220_Q，同時將Q個子頻帶中的M個子載波轉換成該Q個頻域符元，Q個頻域符元為多個循環頻率位移值之函數。

再請參照圖3，CFS-OFDMA之展頻裝置100的傳送裝置200可以更包含：Q個格雷碼編碼單元210_1~210_Q、一OFDM傳送單元230及一傳送電路Tx 240。在本實施例中，要給Q台station的資料分別為Data_1至Data_Q，各自經過Q個格雷碼編碼單元210_1~210_Q格雷編碼後，格雷碼編碼單元210_1~210_Q依據該Q個子數據用以同時將該串比特的格式從Q個二進位碼轉換成Q個格雷碼，來最小化符元解調錯誤時的一比特錯誤率。OFDM傳送單元230將該Q個頻域符元轉換成一時域符元，並以該時域符元形成一時域封包。傳送電路Tx 240將該時域封包轉換成傳輸用訊號St後，通過網路線或無線訊號進行傳送。

在一實施例中，OFDM傳送單元230包含一N點反傅利葉轉換單元234、一循環前導(CP)單元233、一窗單元232及一封包組成單元231。N點反傅利葉轉換(N-point Inverse Fast Fourier Transform，N-IFFT)單元234分別耦接Q個調變單元220_1~220_Q，N點反傅利葉轉換單元234依據N點頻域符元轉換成N點時域符元，換言之，N點反傅利葉轉換單元234用以將該Q個頻域符元組合轉換成時域符元。循環前導單元233，把N點時域符元封包末端中的部分符元複製至N點時域符元之前端。窗單元232耦接至循環前導單元233用以降低時域封包於相鄰頻帶之干擾。封包組成單元231將組合前導碼(preamble)、檔頭(header)、載荷(payload)並且利用N點時域符元產生時域封包。在一實施例中，傳送裝置200透過格雷碼可以將比特錯誤率降到最低，經過格雷碼轉換後的十進位數字值即為循環頻率位移的值，根據循環頻率位移值再依據公式(1)將訊號透過反傅利葉轉換到時域。接下來，加入循環前導(Cyclic prefix，CP)以提升對於多重路徑的免疫力。最後加上窗範圍以降低對於相鄰頻帶的干擾。

請注意，CFS-OFDMA之展頻裝置100的子頻帶切割方式並無任何限制，只要子頻帶為整體頻帶的子集合即可。不過一般而言會切割成相同大小的子頻帶比較容易實現，亦即每個子頻帶具有相同數目的子載波N=M/Q。

比較實用的切割方式有兩種，第一種稱為區域型的子頻帶，如圖4所示，有三個子頻帶，每個子頻帶各有四個子載波，以不同圖樣表示，由圖4可見每個子頻帶的子載波是連續的；其中，子載波S ₁₁ S ₁₂ S ₁₃ S ₁₄為指定循環頻率位移值m=0且為第一個子頻帶，子載波S ₂₁ S ₂₂ S ₂₃ S ₂₄為指定循環頻率位移值m=0且為第二個子頻帶，子載波S ₃₁ S ₃₂ S ₃₃ S ₃₄為指定循環頻率位移值m=0且為第三個子頻帶，本圖4雖僅繪出三個子頻帶，但本發明不應以此限。

第二種稱為分散式的子頻帶，每個子頻帶的子載波平均交錯排列，如圖5所示。分散式的子頻帶優點是可以有比較好的頻道分散性，缺點是子頻帶間比較容易彼此干擾。

換言之，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行排列；或，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行交錯排列。

CFS-OFDMA之展頻裝置的傳送端將資料Data_1至Data_Q分配給Q個格雷碼編碼單元210_1~210_Q，之後Q個調變單元220_1~220_Q根據資訊在各自的子頻帶上做循環頻率位移(circular frequency shift)，最後將整體的頻域訊號整合透過N點反傅利葉轉換單元234轉換成時域符元，加上循環前導，經過窗後經由傳送電路Tx 240傳送出去。

圖6顯示本發明一實施例之CFS-OFDMA之展頻裝置的接收裝置的功能方塊圖。在CFS-OFDMA之展頻裝置上行(downlink)接收端中，如圖6所示，CFS-OFDMA之展頻裝置100 的接收裝置300可以包含：一接收電路Rx 340、一OFDM接收單元330、Q個解調模組320_1~320_Q及Q個格雷解碼單元310_1~310_Q。接收電路Rx 340通過網路線或無線訊號接收一傳輸用訊號St後，將該傳輸用訊號St轉換成時域封包。接收電路Rx 340可以包含有類比前端電路(Analog front end)AFE，類比前端電路AFE可以包含有例如一模擬濾波器(Analog filter)、一訊號增益器、以及一類比數位轉換電路等用以處理該傳輸用訊號St。

OFDM接收單元330接收時域封包，並將時域封包轉成該些頻域符元。在一實施例中，OFDM接收單元330包含：封包偵側(Packet detection)單元331、循環前導移除單元332及一N點傅利葉轉換(N-point Fast Fourier Transform，N-FFT)單元333。封包偵側(Packet detection)單元331用以監測時域訊號，根據幀前導來估測是否有時域封包存在，調整增益大小。循環前導移除單元332移除時域封包中的循環前導，以還原成多個N點時域符元。N點傅利葉轉換單元333將多個N點時域符元轉換成多個頻域符元，換言之，N點傅利葉轉換單元333將該Q個頻域符元分配至該Q個子頻帶中的該M個子載波，並將該些時域符元還原成該Q個頻域符元。

封包偵側單元331偵測到訊號後，移除循環前導，透過N點傅利葉轉換單元333轉換至頻域，各子頻帶分別進行CFS-OFDM的解調，以解出Q台station所傳送的原始資料。

Q個解調模組320_1~320_Q，用以同時解調該M個子載波所對應的該Q個頻域符元，依據對應的該循環頻率位移值轉換成所對應不同的比特值。

Q個解調模組320_1~320_Q用以將該Q個頻域符元同時解調成對應的一串比特。請注意，Q個格雷碼解碼單元310_1~310_Q用以在該串比特的格式為格雷碼時，將該串比特的格式為從Q個格雷碼轉換成Q個二進位碼。

於本實施例中，解調模組320_1~320_Q分別對應包含循環卷積單元322_1~322_Q及峰值判斷單元321_1~321_Q。循環卷積單元322_1~322_Q用分別將Q個頻域符元進行循環卷積；峰值判斷單元321_1~321_Q分別耦接至循環卷積單元322_1~322_Q並判斷循環卷積結果之多個峰值作為所對應的該Q個頻域符元的該些循環頻率位移值，並將該些循環頻率位移值轉換成該串比特。

CFS-OFDMA之展頻裝置的OFDM接收單元330係封包偵側單元331偵測到訊號後，進行移除循環前導，透過N點傅利葉轉換單元333轉換至頻域，各子頻帶分別進行CFS-OFDM的解調，包括循環卷積，峰值判斷，格雷解碼，以解出原始資料。

請參考圖7，請注意，CFS-OFDMA之展頻裝置的上行傳輸，由於多台的station必須同時在各自的子頻帶傳送CFS-OFDM訊號，因此需要做好同步，以確保各台station開始傳送的時間誤差在可容許的範圍之內。這個同步工作通常是由AP端先以廣播(broadcast or multicast)的方式，傳送一個同步封包(synchronization packet)，每台station在收到此同步封包後，依據該同步封包作為一傳送時間軸的參考點；在一個固定時間後，該Q台工作站同時將該Q個資料在所對應的該Q個子頻帶，透過一CFS-OFDM訊號傳送所對應的時域封包；換言之，對AP端而言，AP端只會偵測與接收到該Q台工作站同時傳輸並於空氣中組合而成的時域封包。

在一實施例中，同步封包包含每台station應該使用哪一個頻帶，以確保各台station使用不同頻帶傳送所對應的時域封包；且同步封包並不限制透過何種方式，亦可由CFS-OFDMA之展頻裝置的傳送裝置發送同步封包給Q台station，本發明不應以此為限。

本發明之裝置與方法具有以下特點：CFS-OFDMA之展頻裝置是以CFS-OFDM為基礎的多工通訊技術，將頻帶分為多個子頻帶，AP與多台station同時利用CFS-OFDM作傳輸，將CFS-OFDM的傳輸速率提升數倍；上行傳輸時由於訊號功率峰均比極低，可以降低前端放大器的成本；CFS-OFDMA之展頻裝置上行傳輸時，各台station均只傳送自己的CFS-OFDM訊號，功率峰均比很低，可降低前端放大器的成本；CFS-OFDMA之展頻裝置允許多台station同時傳輸，因此大幅降低多台station傳輸所造成的訊號碰撞機率。

以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，該行業者進行之各種變形或變更均落入本發明之申請專利範圍。

Claims

一種循環頻移正交分頻多工存取之展頻裝置，包含：至少一通訊裝置，依據一頻帶進行訊號傳輸，該頻帶具有Q個子頻帶，且每一個子頻帶具有M個子載波，該Q個子頻帶具有分別獨立循環頻率位移值，且該通訊裝置用以利用多個該循環頻率位移值來進行一串比特與Q個頻域符元之間的轉換；其中，該Q個頻域符元依據Q台工作站的Q個資料所產生，該Q台工作站具有對應的該Q個子頻帶；該Q台工作站具有對應的該串比特並分配至該Q個子頻帶；以及該些循環頻率位移值為一頻率排序之循環，且不同的該些循環頻率位移值對應不同的比特值。
根據請求項1所述的展頻裝置，其中該至少一通訊裝置包含一接收裝置與一傳送裝置，該Q台工作站進行上行傳輸時，該傳送裝置先透過廣播方式，傳送一個同步封包至該Q台工作站，以確認各該Q台工作站開始傳送的時間；當該Q台工作站在收到該同步封包後，依據該同步封包作為一傳送時間軸的參考點，在一固定時間後該Q台工作站同時將該Q個資料在所對應的該Q個子頻帶，透過一CFS-OFDM訊號傳送所對應的一時域封包。
根據請求項2所述的展頻裝置，該傳送裝置包含：Q個調變單元，同時將該Q個子頻帶中的該M個子載波轉換成該Q個頻域符元，該Q個頻域符元為多個該循環頻率位移值之函數；以及一OFDM傳送單元，將該Q個頻域符元轉換成一時域符元，並以該時域符元形成一時域封包。
根據請求項3所述的展頻裝置，其中，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行排列；或，該Q個頻域符元可依據該M個子載波之順序進行交錯排列。
根據請求項3所述的展頻裝置，其中，該時域符元滿足下式：
, m=0~ N-1其中，N為OFDM傳送單元每一個頻域子載波的數量，S(k)為該頻域符元，k代表第k個子載波，s(n)為時域訊號，n為第n個時間點，m代表該循環頻率位移值，以子載波為單位，mod(.,N)為對N取餘數，N可為二的冪次方；以及該Q個頻域符元S(k)，均滿足下式：
, k=0~ N-1
根據請求項5所述的展頻裝置，其中，該OFDM傳送單元包含：一N點反傅利葉轉換單元，用以將該Q個頻域符元組合轉換成該時域符元；一循環前導(CP)單元，用以把該時域符元末端中的部分符元複製至該時域符元之前端，以產生該時域符元；一窗單元，耦接至該循環前導單元用以降低該時域符元於相鄰頻帶之干擾；以及一封包組成單元，利用該時域符元產生該時域封包。
根據請求項3所述的展頻裝置，其中，該傳送裝置更包含：Q個格雷碼編碼單元，將該串比特的格式從Q個二進位碼轉換成Q個格雷碼。
根據請求項2所述的展頻裝置，其中，該接收裝置包含：一OFDM接收單元，用以將該時域封包轉換成該頻域符元；Q個解調模組，用以同時解調該M個子載波所對應的該Q個頻域符元，依據對應的該循環頻率位移值轉換成所對應不同的比特值。
根據請求項8所述的展頻裝置，其中，該Q個解調模組分別包含：一循環卷積單元，用分別將Q個頻域符元進行循環卷積；以及一峰值判斷單元，耦接至該循環卷積單元，並判斷循環卷積結果之多個峰值作為所對應的該Q個頻域符元的該些循環頻率位移值，並將該些循環頻率位移值轉換成該串比特。
根據請求項8所述的展頻裝置，其中，該OFDM接收單元包含：一封包偵側單元，估測該時域封包是否存在；一循環前導移除單元，移除該時域封包中之循環前導，以還原成多個時域符元；以及一N點傅利葉轉換單元，將該Q個頻域符元分配至該Q個子頻帶中的該M個子載波，並將該些時域符元還原成該Q個頻域符元，並且，該接收裝置更包含：Q個格雷碼解碼單元，用以將該串比特的格式，從Q個格雷碼轉換成Q個二進位碼。