TWI437838B - 基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法 - Google Patents

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Description

基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法
本發明係有關於一種多輸入多輸出無線正交分頻多工系統，特別是有關於一種能夠基於部份札德奧夫-朱序列來有效改善其同步化效能的合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法。
正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)在近二十年來已經成為各種無線通訊系統的核心。同時，多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Out，MIMO)的技術已經被證明可以有效改善系統的容量及效能。因此，多輸入多輸出技術與無線正交分頻多工系統的結合被認為是未來寬頻無線通訊系統的主流。
多輸入多輸出系統可以利用集中式(Centralized)或合作式(Cooperative or Distributed)的方式來實現。然而，由於硬體及成本上的限制，將多個天線設置於一個裝置上的集中式的多輸入多輸出系統使用上有很大的限制。在另一方面，在合作式的多 輸入多輸出系統中，由於不同的傳輸延遲，由分散設置的合作的結點傳輸的訊號會在不同的時序抵達接收端，並且有著不同的載子頻率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)。因此，合作式的多輸入多輸出系統較難以達到同步化。
J.-J. van de Beek, P. Borjesson, M.-L. Boucheret, D. Landstrom, J. Arenas, P. Odling, C. Ostberg, M. Wahlqvist, and S. Wilson,所提出的“A time and frequency synchronization scheme for multiuser OFDM,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 17, no. 11, pp. 1900 - 1914, Nov. 1999.已針對合作式正交分頻多工系統提出一種同步化的方法。其係利用分配給各個傳送端不同的子頻帶，使各個傳送端所傳送的訊號在頻域上能夠分離，再利用帶通濾波器還原各個傳送端所傳送的資料。然而，這種方式需要額外的帶通濾波器，因此會大幅地增成系統的成本。
F. Guo, D. Li, H. Yang, and L. Cai,所提出的“A novel timing synchronization method for distributed MIMO-OFDM system,” in Proc. 2006 IEEE Veh. Technol. Conf. - Spring (VTC 2006-Spring), vol. 4, Melbourne, Australia, May 2006, pp. 1933-1936.係在不同的傳送端放置不同週期的訓練序列，接收端則經由辨識不同週期的訓練序列，來辨識由不同的傳送端傳送而來的訊號。然而，雖然各個傳送端有著不同週期的訓練序列，但是這種方式還是會使訓練序列在接收端產生時域及頻域混合的訊號，隨著傳送端的數量增加，其訊號相互之間的干擾也會變得愈來愈嚴重。
因此，如何提出一種合作式正交分頻多工系統，不需要帶通濾波器，也能夠使傳送端之訓練序列在時域及頻域上都能有效地分離，以提及系統同步化的效能，即為本發明所欲解決的問題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法以解決習知技藝之問題。
根據本發明之目的，提出一種基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統，係包含複數個傳送端及接收端。複數個傳送端分散地設置於不同地點，並分別利用長度為V的子頻帶放置訓練訊號，並將訓練訊號料轉換為時域訊號；以及接收端，係接收時域訊號；其中，傳送端係由長度為V的倍數的札德奧夫-朱序列中，取其任意區間的連續V個樣本，並放置於子頻帶中，以作為訓練訊號，使各個傳送端之訓練訊號在轉換為時域訊號及頻域訊號時，均能夠相互分離，以降低接收端之相互干擾，增進系統同步化的效能。
根據本發明之目的，再提出一種合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法，係包含下列步驟：利用分散地設置於不同地點之複數個傳送端在長度為V的子頻帶放置訓練訊號，並將訓練訊號轉換為時域訊號；藉由傳送端由長度為V的倍數的札德奧夫-朱序列中，取其任意區間的連續V個樣本，並放置於子頻帶中，以作為訓練訊號，使各個傳送端之訓練訊號在轉換為時域訊號及頻域訊號時，均能夠相互分離；以及透過接收端接收時域訊號，並將時域訊號轉換為頻域訊號，並分析頻域訊號以還原為 傳送資料。
較佳的，各個傳送端可利用長度為V的倍數的札德奧夫-朱序列，並取其前V個樣本放置於子頻帶中，以作為訓練訊號。
較佳的，該訓練訊號Z(k)可符合下列關係式：k=0,1,…,V-1；其中，β=1相對於一個長度為V的完整的札德奧夫-朱序列，β為大於1的自然數，k為子載波指數(Subcarrier Index)，V為子頻帶的長度。
較佳的，合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統可利用一比較視窗(Correlation Window)來執行載子頻率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)補償，以降低運算複雜度，其中該比較視窗P係符合下列關係式： 其中，β為大於1的自然數，k為子載波指數(Subcarrier Index)，V為子頻帶的長度，N為傅立葉轉換規模(FFT Size)。
承上所述，依本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法不需要帶通濾波器，因此能夠大幅地降低系統的成本。
(2)本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法能夠使傳送端之札德奧夫-朱序列在時域及頻域上均能有效地分離，因此能夠大幅地提升系統的同步化效能。
(3)本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法能夠使用特殊設計的比較視窗來執行載子頻率偏移補償，因此能有效地降低系統的運算複雜度。
1‧‧‧合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統
11‧‧‧傳送端
12‧‧‧接收端
S31~S33、S91~S93‧‧‧步驟流程
第1圖及第2圖 係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之示意圖。
第3圖 係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之第一實施例之流程圖。
第4圖 係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之第二實施例之示意圖。
第5圖 係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之第三實施例之示意圖。
第6~8圖 係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之一實施例之模擬結果圖。
第9圖 係為本發明之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法之流程圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法 之實施例，為使便於理解，下列所述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請一併參閱第1圖及第2圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之示意圖。如第1圖所示，合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統1包含複數個傳送端11及接收端12。
本發明之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統1之複數個傳送端11係分散地設置於不同地點，並分別利用長度為V的子頻帶放置訓練訊號，使各個傳送端所傳送的訊號能夠在頻域上分離。各個傳送端將訓練訊號經過處理後，再利用反快速傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)將其轉換為時域資料，以傳送至接收端12。接收端12接收時域訊號。
如第2圖所示，在傳送端11之訓練訊號的設計上，傳送端11可以由長度為V的倍數的一札德奧夫-朱序列中，最其任意區間的連續V個樣本，並放置於子頻帶中，以做訓練訊號。而隨著不同倍數的選擇，各個傳送端11所傳送的札德奧夫-朱序列不但在頻域上能夠有效地分離，同時在時域上也能產生互相分離的訊號。因此，各個傳送端11所傳送到接收端12的訓練訊號不會相互的干擾，故能夠提升系統的同步化效能。除了使用部分的札德奧夫-朱序列之外，也可以使用完整的高斯序列。
值得一提的是，本發明所提出的以部分札德奧夫-朱序列做為傳送端之訓練訊號的方法不需要利用帶通濾波器，因此能夠大幅地降低系統所需的成本。在另一方面，本發明能夠更有效地在時域 及頻域上分離由各個傳送端所傳送的訓練訊號，因此能夠改善系統的同步化效能。
請參閱第3圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之第一實施例之流程圖。在本實施例中，合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之各個傳送端利用長度為V的子頻帶放置訓練訊號，並利用長度為V的倍數的札德奧夫-朱序列中，取其前V個樣本放置於子頻帶中，以作為訓練訊號。此訓練訊號係由部份的札德奧夫-朱序列所構成，並符合下列關係式：k=0,1,…,V-1；其中，β=1相對於一個長度為V的完整的札德奧夫-朱序列，因此β須為大於1的自然數，k為子載波指數(Subcarrier Index)，V為子頻帶的長度。與利用完整的札德奧夫-朱序列所產生的訓練訊號與相比，利用部分的札德奧夫-朱序列所產生的訓練訊號在時域上會產生較為集中的訊號，因此能夠有效地在時域上分離由各個傳送端所傳送的訓練訊號。本實施例包含下列步驟：在步驟S31中，利用分散地設置於不同地點之複數個傳送端在長度為V的子頻帶放置訓練訊號及傳送資料，並將訓練訊號轉換為時域訊號。
在步驟S32中，藉由傳送端由長度為V的倍數的札德奧夫-朱序列中，取其前V個樣本，並放置於該子頻帶中，以作為訓練訊號，使各個傳送端之訓練訊號在轉換為時域訊號及頻域訊號時，均能 夠相互分離。
在步驟S33中，透過接收端接收時域訊號。
請參閱第4圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之第二實施例之示意圖。第4圖圖例了一個部分的札德奧夫-朱序列，其中，β為5、子頻帶長度(V)為6及傅立葉轉換規模(N)為1024。而藉由增加β的值，訓練訊號在時域上則會產生較為集中的訊號。
而在另一方面，藉由增加β的值，合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統更可以利用更小的比較視窗(Correlation Window)來執行載子頻率偏移補償(Carrier Frequency Offset，CFO)，因此能有效地降低系統的運算複雜度。其中，比較視窗係P符合下列關係式： 其中，β為大於1的自然數，k為子載波指數，V為子頻帶的長度，N為傅立葉轉換規模(FFT Size)，k為子載波指數。
請參閱第5圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之第三實施例之示意圖。如同前述，藉由增加β的值，訓練訊號在時域上則會產生較為集中的訊號。由圖中可以很明顯的看出，完整的札德奧夫-朱序列(β=1)在時域上的訊號極為平均。而當β=2時，部分的札德奧夫-朱序列在時訊上的訊號則明顯的較為集中。當β=6時，部分的札德奧夫-朱序列在時訊上的訊號則更為集中。因此，本發明 所提出的方法能夠有效地在時域上分離訓練訊號，以提高接收端之同步化效能。其中，V為子頻帶的長度，N為傅立葉轉換規模。
請參閱第6圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之一實施例之模擬結果圖。本實施例將本發明所提出的方法依據時序同步化成功的或然率與F. Guo, D. Li, H. Yang, and L. Cai,所提出的A novel timing synchronization method for distributed MIMO-OFDM system,” in Proc. 2006IEEE Veh.Technol. Conf. - Spring (VTC 2006-Spring), vol. 4, Melbourne, Australia, May 2006, pp. 1933-1936.比較。如圖所示，本發明之提出的方法與習知技藝之UPSP-based方法相比，有明顯較佳的效能，特別是在合作的傳送端的數量(NT)增加的時候或訊噪比較低的時候。由於本發明之方法能夠將傳送端的訓練訊號同時在時域及頻域上相互分離，因此能夠將其相互的干擾降到最低。相反的，若是使用習知技藝之UPSP-based方法，傳送端的訓練訊號在時域及頻域上是混合的，因此將更多合作的結點加入時，訓練訊號彼此間的干擾也會更加嚴重，這也大幅地降低其同步化的效能。
請參閱第7圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之一實施例之模擬結果圖。本實施例將本發明所提出的方法與H. Ni, G. Ren, and Y. Chang,提出的“Synchronization for cooperative spatial multiplexing MIMO-OFDM systems in multipath fading environments,” in Proc. 2008 IEEE International Conference on Communication Systems (ICCS 2008), Guangzhou, Singapore, Nov. 2008.比較。此習知技藝之方法係利用完整的札德奧夫-朱序列的subband-based的訓練訊號。其中，V為子頻帶的長度，N為傅立葉轉換規模，NT為傳送端的數量，β為大於1的自然數。
本發明由於使用部分的札德奧夫-朱序列，因此能夠產生在時域上及頻域上都截然分開的訓練訊號。如圖中所示，本發明之同步化方法與習知技藝之方法相比，能夠大幅地提升效能上的增益。而在另一方面，習知技藝之方法雖然能夠利用subband-based的訓練訊號在頻域上執行多載子頻率偏移的估測(Multi-CFO Estimation)，但同時也需要額外的反快速傅立葉轉換(FFT)操作，將接收訊號轉換為頻域訊號，也因此增加了運算複雜度。
請參閱第8圖，其係為本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之一實施例之模擬結果圖。本實施例圖例了在不同的β之下，本發明之方法所能達成的效能。如同前述，較大的β值在時域上會產生較為集中的波形，即較佳的分離效果及較低的相互干擾，因此也能達到較高的同步化效能。因此，經由適當地選擇β值，本發明之方法能夠適應各種不同的應用而達到最佳的效能。在另一方面，當β值增加時，也能使用比原比較視窗更小的比較視窗(如同前述之比較視窗)，因此可以大幅地降低運算複雜度。
儘管前述在說明本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統的過程中，亦已同時說明本發明之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法的 概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。
請參閱第9圖，係為本發明之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法之流程圖。
在步驟S91中，利用分散地設置於不同地點之複數個傳送端在長度為V的子頻帶放置訓練訊號，並將訓練訊號轉換為時域訊號。
在步驟S92中，藉由傳送端由長度為V的倍數的札德奧夫-朱序列中，取其任意區間的連續V個樣本，並放置於子頻帶中，以作為訓練訊號，使各個傳送端之訓練訊號在轉換為時域訊號及頻域訊號時，均能夠相互分離。
在步驟S93中，透過接收端接收時域訊號。
綜上所述，本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法不需要帶通濾波器，因此能夠大幅地降低系統的成本。本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法能夠使傳送端之訓練序列在時域及頻域上均能有效地分離，因此能夠大幅地提升系統的同步化效能。本發明之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統及其同步化方法能夠使用特殊設計的比較視窗來執行載子頻率偏移補償，因此能有效地降低系統的運算複雜度。可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
S31~S33‧‧‧步驟流程

Claims (6)

  1. 一種基於部分札德奧夫-朱(Partial Zadoff-Chu Sequence)序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統，係包含：複數個傳送端，係分散地設置於不同地點，並分別利用長度為V的一子頻帶放置一訓練訊號及傳送資料，並將該訓練訊號轉換為一時域訊號；以及一接收端，係接收該時域訊號；其中，該複數個傳送端係由長度為V的倍數的一札德奧夫-朱序列中，取其任意區間的連續V個樣本，並放置於該子頻帶中，以作為該訓練訊號，使各個該傳送端之該訓練訊號在轉換為該時域訊號及該頻域訊號時，均能夠相互分離，以降低該接收端之相互干擾，增進系統同步化的效能；其中，該合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統係利用一比較視窗(Correlation Window)來執行載子頻率偏移(Carrier Frequency Offset，CFO)補償，以降低運算複雜度，其中該比較視窗P係符合下列關係式： 其中，β為大於1的自然數，k為子載波指數(Subcarrier Index)，V為子頻帶的長度，N為傅立葉轉換規模(FFT Size)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統，其中各個該傳送端係利用長度為V的倍數的該札德奧夫-朱序列，並取其前V個樣本放置於該 子頻帶中，以作為該訓練訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之基於部分札德奧夫-朱序列之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統，其中該訓練訊號Z(k)係符合下列關係式：k=0,1,…,V-1；其中，β=1相對於一個長度為V的札德奧夫-朱序列，β為大於1的自然數，k為子載波指數(Subcarrier Index)，V為子頻帶的長度。
  4. 一種合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法，係包含下列步驟：利用分散地設置於不同地點之複數個傳送端在長度為V的一子頻帶放置一訓練訊號，並將該訓練訊號轉換為一時域訊號；藉由該複數個傳送端由長度為V的倍數的一札德奧夫-朱序列中，取其任意區間的連續V個樣本，並放置於該子頻帶中，以作為該訓練訊號，使各個該傳送端之該訓練訊號在轉換為該時域訊號及該頻域訊號時，均能夠相互分離；以及透過一接收端接收該時域訊號；其中，該合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統係利用一比較視窗來執行載子頻率偏移補償，以降低運算複雜度，其中該比較視窗係P符合下列關係式： 其中，β為大於1的自然數，k為子載波指數(Subcarrier Index)，V為子頻帶的長度，N為傅立葉轉換規模(FFT Size)，k為子載波指數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法，其中各個該傳送端係利用長度為V的倍數的該札德奧夫-朱序列，並取其前V個樣本放置於該子頻帶中，以作為該訓練訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之合作式多輸入多輸出無線正交分頻多工系統之同步化方法，其中該訓練訊號Z(k)係符合下列關係式：k=0,1,…,V-1；其中，β為大於1的自然數，k為子載波指數，V為子頻帶的長度。
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