Method for generating on-off keying (OOK) waveform for backscattering transmission using unified waveform for a-iot

Abstract

The present invention relates to a method of wireless communication for Advanced Internet of Things (A-IoT) devices and networks, utilizing a harmonized waveform that integrates On-Off Keying (OOK) with Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). This method enables efficient synchronization and data demodulation for A-IoT devices, allows for backscatter communication, and supports dynamic configuration updates to ensure compatibility with evolving communication standards. Additionally, the invention encompasses a method for networks to broadcast the harmonized waveform, manage interference, and adjust transmission parameters based on A-IoT device capabilities.

Description

METHOD FOR GENERATING ON-OFF KEYING (OOK) WAVEFORM FOR BACKSCATTERING TRANSMISSION USING UNIFIED WAVEFORM FOR A-IOTBACKGROUNDField

[0001] The present disclosure relates generally to communication systems, and more particularly, to user equipment (UE) that Generating OOK Waveform for Backscattering Transmission Using Unified Waveform for A-IoT.

[0002] Background

[0003] The statements in this section merely provide background information related to the present disclosure and may not constitute prior art.

[0004] Wireless communication systems are widely deployed to provide various telecommunication services such as telephony, video, data, messaging, and broadcasts. Typical wireless communication systems may employ multiple-access technologies capable of supporting communication with multiple users by sharing available system resources. Examples of such multiple-access technologies include code division multiple access (CDMA) systems, time division multiple access (TDMA) systems, frequency division multiple access (FDMA) systems, orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) systems, single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) systems, and time division synchronous code division multiple access (TD-SCDMA) systems.

[0005] These multiple access technologies have been adopted in various telecommunication standards to provide a common protocol that enables different wireless devices to communicate on a municipal, national, regional, and even global level. An example telecommunication standard is 5G New Radio (NR) . 5G NR is part of a continuous mobile broadband evolution promulgated by Third Generation Partnership Project (3GPP) to meet new requirements associated with latency, reliability, security, scalability (e.g., with Internet of Things (IoT) ) , and other requirements. Some aspects of 5G NR may be based on the 4G Long Term Evolution (LTE) standard. There exists a need for further improvements in 5G NR technology. These improvements may also be applicable to other multi-access technologies and the telecommunication standards that employ these technologies.SUMMARY

[0006] The invention provides a novel method of wireless communication that significantly enhances the interaction between Advanced Internet of Things (A-IoT) devices and networks  (gNB) . At the core of this method is the use of a harmonized waveform, which is a sophisticated combination of On-Off Keying (OOK) and Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) signals. This innovative approach allows A-IoT devices to utilize the simplicity of OOK for synchronization and the robustness of OFDM for data demodulation.

[0007] A-IoT devices, according to the invention, receive a broadcasted harmonized waveform from the network. This waveform is used for synchronization and data demodulation, leveraging the OOK preamble overlaid on the OFDM waveform. The method further facilitates backscatter communication by enabling A-IoT devices to reflect the waveform for uplink transmission, obviating the need for active transmission components and optimizing energy consumption.

[0008] Dynamic configuration updates are a critical aspect of the invention, allowing A-IoT devices to adapt to changes in communication standards and network conditions. This ensures that devices remain future-proof and compatible with the anticipated heterogeneity of 6G networks. The invention also includes a method for adjusting transmission and reception parameters based on the harmonized waveform, which optimizes communication and minimizes interference.

[0009] From the network's perspective, the invention involves broadcasting the harmonized waveform to A-IoT devices and managing network resources by utilizing the backscattered signals from these devices. The network provides suitable coding schemes and modulation types to enhance communication performance and adjusts its transmission parameters in response to the capabilities reported by A-IoT devices.

[0010] The invention outlines several periods determined by the harmonized waveform's configuration, such as synchronization, backscatter communication, adaptation, and optimization periods. These are defined by the smallest value in the set according to the harmonized waveform configuration period. The network's methods include broadcasting sequences, dynamic updates, and managing interference within defined periods, ensuring efficient and robust communication across the A-IoT ecosystem.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0011] FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an A-IoT device signal processing and transmission workflow in a 5G network.

[0012] FIG. 2 is a sequence diagram illustrating an example of communication between an A-IoT device and a network (gNB) in a 5G network.

[0013] FIG. 3 is a diagram illustrating the deployment of an A-IoT signal within the channel bandwidth in a 5G network.

[0014] FIG. 4 is a diagram illustrating the addition of Adjacent Carrier Guard Resource Blocks (ACRBs) on both sides of the A-IoT signal bandwidth in a 5G network.

[0015] Fig . 5 illustrates that the gNB initiates the process by configuring and signaling the guard resource blocks to the A-IoT device.

[0016] Fig. 6 illustrates a harmonized waveform strategy where A-IoT devices synchronize using an OOK preamble overlaid on OFDM, enabling efficient use of legacy signals and backscattering for enhanced communication.

[0017] Fig. 7 depicts a harmonized waveform approach, merging OFDM's broad bandwidth and robustness with OOK's simplicity, enhancing A-IoT devices' flexibility and synchronization efficiency in diverse networks.

[0018] Fig. 8 illustrates the signaling and configuration exchanges between the User Equipment (UE) reader, the A-IoT device, and the gNodeB (gNB) to support the harmonized design of integrated OOK and OFDM signaling for efficient A-IoT operation.DETAILED DESCRIPTION

[0019] The detailed description set forth below in connection with the appended drawings is intended as a description of various configurations and is not intended to represent the only configurations in which the concepts described herein may be practiced. The detailed description includes specific details for the purpose of providing a thorough understanding of various concepts. However, it will be apparent to those skilled in the art that these concepts may be practiced without these specific details. In some instances, well known structures and components are shown in block diagram form in order to avoid obscuring such concepts.

[0020] Several aspects of telecommunication systems will now be presented with reference to various apparatus and methods. These apparatus and methods will be described in the following detailed description and illustrated in the accompanying drawings by various blocks, components, circuits, processes, algorithms, etc. (collectively referred to as “elements” ) . These elements may be implemented using electronic hardware, computer software, or any combination thereof. Whether such elements are implemented as hardware or software depends upon the particular application and design constraints imposed on the overall system.

[0021] By way of example, an element, or any portion of an element, or any combination of elements may be implemented as a “processing system” that includes one or more processors. Examples of processors include microprocessors, microcontrollers, graphics processing units (GPUs) , central processing units (CPUs) , application processors, digital signal processors (DSPs) , reduced instruction set computing (RISC) processors, systems on a chip (SoC) , baseband processors, field programmable gate arrays (FPGAs) , programmable logic devices (PLDs) , state machines, gated logic, discrete hardware circuits, and other suitable hardware configured to perform the various functionality described throughout this disclosure. One or more processors in the processing  system may execute software. Software shall be construed broadly to mean instructions, instruction sets, code, code segments, program code, programs, subprograms, software components, applications, software applications, software packages, routines, subroutines, objects, executables, threads of execution, procedures, functions, etc., whether referred to as software, firmware, middleware, microcode, hardware description language, or otherwise.

[0022] Accordingly, in one or more example embodiments, the functions described may be implemented in hardware, software, or any combination thereof. If implemented in software, the functions may be stored on or encoded as one or more instructions or code on a computer-readable medium. Computer-readable media includes computer storage media. Storage media may be any available media that can be accessed by a computer. By way of example, and not limitation, such computer-readable media can comprise a random-access memory (RAM) , a read-only memory (ROM) , an electrically erasable programmable ROM (EEPROM) , optical disk storage, magnetic disk storage, other magnetic storage devices, combinations of the aforementioned types of computer-readable media, or any other medium that can be used to store computer executable code in the form of instructions or data structures that can be accessed by a computer.

[0023] FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an A-IoT device signal processing and transmission workflow in a 5G network, including stages of signal generation, waveform shaping, IFFT multiplexing, CP addition, LPF function, ADC operation, energy detection, packet detection, synchronization or OOK demodulation, ASK / PSK modulation, reflection factor adjustment, and LNA operation.

[0024] Signal: The transmitted signal includes preamble, data payload, and CRC. The preamble, generated by an OFDM sequence known by A-IoT devices, UE reader, or gNB, is used by A-IoT devices for synchronization, packet detection, and backscattering transmission. For example, one implementation can use overlaid OFDM sequences over OOK symbols. The CRC type, which can be CRC-4, CRC-8, CRC-16, or CRC-32, is chosen based on the error detection requirement of the A-IoT device.

[0025] Waveform Shaping: To generate the OOK waveform, which requires on and off periods in the time domain, a new waveform shaping module may be needed. This module can be a least-squared solution of a linear matrix multiplexing that aims to minimize the squared errors between the IFFT output and the target OOK waveform.

[0026] IFFT: The IFFT module can multiplex the A-IoT signal with 5MHz bandwidth and the other PDSCH signal with the rest of the bandwidth (15 MHz for example) . The multiplexing requires guard resource blocks (RB) between A-IoT signal and NR PDSCH signal to prevent interference.

[0027] CP: Adding CP is essential to prevent interference from A-IoT signal to NR PDSCH signal. However, for A-IoT devices with OOK receivers, CP is redundant and can cause inter-symbol  interference for OOK demodulation. To assist A-IoT devices in removing CP, the gNB or UE reader can broadcast assistance information such as subcarrier spacing (SCS) , CP types, and symbol index in system information blocks (SIBs) or a query command.

[0028] LPF: LPF is needed to suppress ASCI and ACI. The LPF requirement is based on the A-IoT signal locations. Different signal locations require different guard band resource blocks (RB) to prevent interference. The gNB or UE reader can signal the configurations about the signal location and the number of guard band RBs via NR signal or channel.

[0029] ADC: The ADC uses few bits and a low sampling rate to save power consumption. If requested by the gNB or UE reader, an A-IoT device can report its ADC range, bits, or sampling rates. The ADC range is related to the interference level, with higher interference requiring a wider ADC range.

[0030] ED: ED is used to perform energy detection by extracting the absolute amplitude based on the correct DC level. To obtain the correct DC level, the gNB or UE reader sends preambles before data parsing. The preamble is used by A-IoT devices for auto gain control (AGC) , timing and frequency synchronization, and DC level estimation.

[0031] Packet Detection: The packet detection module monitors specific time, frequency, and sequences for energy harvesting and A-IoT signal detection. The monitoring behavior is continuous if the traffic is on-demand and no periodic reporting is required. The known time, frequency resources, and sequences should be provided by the network from gNB or UE reader once connected.

[0032] Synchronization or OOK Demodulation: After packet detection and coarse synchronization have been completed, an A-IoT device can use the preamble or the CRC to perform fine synchronization. OOK demodulation can be performed if channel coding and modulation types are provided by the gNB or UE reader via NR channel or signal.

[0033] ASK / PSK Modulation: If a packet is detected and OOK is parsed successfully, A-IoT TX backscatters the detected and parsed signal, by ASK / PSK modulation based on its UL preamble, data, and CRC. A-IoT devices backscatter or reflect the OFDM signal underlaid in the OOK signal, if gNB or UE reader provide indications or the configurations via NR channel or signal.

[0034] Reflection Factor: The reflection factor, which controls the reflection level of the output waveform, can modulate the output signal for the input information such as preamble, data payload, and CRC. The A-IoT devices can only choose to reflect or not reflect on the received signal, so the output signal can be ASK or FSK. The modulation types can be configurable by gNB or UE reader via the NR channel or signal, based on capability reporting via NR channel.

[0035] LNA: LNA is a reflecting amplifier used for UL power control. The amplifier power can be configured by gNB or UE reader via NR channel or signal. The A-IoT device can control its UL power by adjusting the LNA based on the received signal power.

[0036] FIG. 2 is a sequence diagram illustrating an example of communication between an A-IoT device and a network (gNB) in a 5G network. The diagram includes stages of broadcasting sequence and command, broadcasting assistance information, requesting for parameter report, providing coding and modulation types, and providing modulation types. The corresponding actions of the A-IoT device in response to each network action are also depicted.

[0037] In this sequence diagram, the network (gNB) initiates all actions. It starts by broadcasting the sequence and command, which the A-IoT device uses for synchronization and packet detection. The network then broadcasts assistance information, which the A-IoT device uses for CP removal and resource allocation. To manage interference levels, the network requests a parameter report from the A-IoT device, which then reports its parameters. For the process of demodulation, the network provides the coding and modulation types, which the A-IoT device uses. Finally, the network provides the modulation types, and the A-IoT device adjusts its modulation types based on this provided information.

[0038] In the context of A-IoT devices, several key behaviors and corresponding network signaling requirements are integral to their operation.

[0039] Synchronization and Packet Detection: The A-IoT device utilizes a received sequence for synchronization and packet detection. This detection period is initiated from a defined frame and is governed by the smallest value in the set determined by the sequence period. Throughout this period, all sequence block indexes are mapped at least once to the packet detection occasions. To facilitate this, the network broadcasts a sequence and a command indicating the commencement of a packet. The sequence period is derived from the relevant system information.

[0040] CP Removal and Resource Allocation: For operations such as the removal of the Cyclic Prefix (CP) and resource allocation, the A-IoT device employs the received assistance information. The allocation period, which initiates from a defined frame, is determined by the smallest value in the set according to the CP configuration period. Within this period, all CP block indexes are mapped at least once to the resource allocation occasions. To support this, the network broadcasts assistance information, inclusive of relevant parameters in system information blocks (SIBs) or a query command. The CP configuration period is derived from the relevant system information.

[0041] Managing Interference Level: The A-IoT device also plays a role in managing the interference level by reporting its parameters to the network. The report period, which initiates from a defined frame, is determined by the smallest value in the set according to the configuration period. Within this period, all block indexes are mapped at least once to the interference  management occasions. In response, the network requests the A-IoT device to report its parameters. The configuration period is derived from the relevant system information.

[0042] Demodulation: For the process of demodulation, the A-IoT device utilizes the provided coding and modulation types. The demodulation period, which initiates from a defined frame, is determined by the smallest value in the set according to the configuration period. Within this period, all block indexes are mapped at least once to the demodulation occasions. To facilitate this, the network provides specific coding and modulation types for demodulation. The configuration period is derived from the relevant system information.

[0043] Adjusting Modulation Types: Lastly, the A-IoT device adjusts its modulation types based on the information provided by the network. The adjustment period, which initiates from a defined frame, is determined by the smallest value in the set according to the modulation configuration period. Within this period, all modulation block indexes are mapped at least once to the adjustment occasions. To support this, the network provides specific modulation types based on the A-IoT device's capability reporting. The modulation configuration period is derived from the relevant system information.

[0044] In the context of A-IoT devices, several key behaviors are performed by the gNB or UE reader, with corresponding signaling requirements from the A-IoT device.

[0045] Broadcasting Sequence and Command: The gNB or UE reader broadcasts the sequence and command. This broadcast period starts from a defined frame and is determined by the sequence period, ensuring all sequence block indexes are broadcasted at least once within this period. In response, the A-IoT device needs to be in a state ready to receive the broadcast, with the readiness state reported in the relevant system information.

[0046] Providing Assistance Information: The gNB or UE reader broadcasts assistance information for certain operations and resources. The broadcast period starts from a defined frame and is determined by the assistance configuration period, ensuring all assistance block indexes are broadcasted at least once within this period. To facilitate this, the A-IoT device requests such information, with the request period obtained from the relevant system information.

[0047] Managing Interference Level: The gNB or UE reader uses the reported parameters from the A-IoT device to manage the interference level. This management period starts from a defined frame and is determined by the interference management configuration period, ensuring all management block indexes are used at least once within this period. The A-IoT device, in turn, reports its parameters, with the reporting period obtained from the relevant system information.

[0048] Providing Coding and Modulation Types: The gNB or UE reader provides the coding and modulation types. The provision period starts from a defined frame and is determined by the provision configuration period, ensuring all provision block indexes are provided at least once  within this period. To facilitate this, the A-IoT device requests these types, with the request period obtained from the relevant system information.

[0049] Providing Modulation Types: Lastly, the gNB or UE reader provides modulation types based on the reported capabilities of the A-IoT device. The provision period starts from a defined frame and is determined by the provision configuration period, ensuring all provision block indexes are provided at least once within this period. To facilitate this, the A-IoT device reports its capabilities, with the reporting period obtained from the relevant system information.

[0050] FIG. 3 is a diagram illustrating the deployment of an A-IoT signal within the channel bandwidth in a 5G network. Depending on the deployment position of the A-IoT signal, different numbers of guard resource blocks (e.g., blanked resource blocks) are required. These blocks are configurable by the network and signaled from the gNB to the UE reader or A-IoT via NR signals and channels.

[0051] The diagram shows the addition of Adjacent Subcarrier Guard Resource Blocks (ASRBs) on both sides of the A-IoT signal bandwidth. The number of these blocks can range from 0.5RB to 2RBs for 30KHz SCS, or 1RBs to 4RBs for 15KHz SCS. ASRBs are used to protect the A-IoT signal from interference from nearby sub-carrier NR signals (e.g., PDSCH) or intra-cell interference.

[0052] The diagram also depicts the addition of Adjacent Carrier Guard Resource Blocks (ACRBs) on one side of the A-IoT signal bandwidth when the channel bandwidth is more than 10 MHz or the A-IoT signal bandwidth is less than 5 MHz. The number of these blocks can range from 1RB to 3RBs for 30kHz subcarrier spacing, or 2RBs to 6 RBs for 15kHz subcarrier spacing. ACRBs are used to protect the A-IoT signal from interference from nearby carrier NR signals, such as inter-cell interference.

[0053] FIG. 4 is a diagram illustrating the addition of Adjacent Carrier Guard Resource Blocks (ACRBs) on both sides of the A-IoT signal bandwidth in a 5G network. This occurs when the channel bandwidth is less than 10 MHz or the A-IoT signal bandwidth is more than 5 MHz.

[0054] The number of ACRBs can range from 1RB to 3RBs for 30kHz subcarrier spacing, or 2RBs to 6 RBs for 15kHz subcarrier spacing. These blocks are used to protect the A-IoT signal from interference from nearby carrier NR signals, such as inter-cell interference. The number of ACRBs is configurable by the network and is signaled by the gNB to the UE reader or A-IoT via NR signals and channels.

[0055] Fig . 5 illustrates that the gNB initiates the process by configuring and signaling the guard resource blocks to the A-IoT device. The A-IoT device, upon receiving the configuration, adjusts its guard resource blocks accordingly. The gNB then signals the number of Adjacent Subcarrier Guard Resource Blocks (ASRBs) and Adjacent Carrier Guard Resource Blocks (ACRBs) , and the  A-IoT device adds these blocks on both or one side (s) of its signal bandwidth based on the gNB signals.

[0056] In the context of A-IoT devices, several key behaviors and corresponding network signaling requirements are integral to their operation.

[0057] A-IoT Signal Deployment: A-IoT signals can be deployed at various positions within the channel bandwidth. Depending on this position, different numbers of guard resource blocks are required. These guard blocks, which may be blanked resource blocks, are crucial for mitigating interference and ensuring signal integrity. The network configures and signals these blocks to the A-IoT device via NR signals and channels, allowing the device to adapt to different deployment positions.

[0058] Use of Adjacent Subcarrier Guard Resource Blocks (ASRBs) : ASRBs are added on both sides of the A-IoT signal bandwidth. They serve to protect the A-IoT signal from interference from nearby sub-carrier NR signals (such as PDSCH) or intra-cell interference. The number of these blocks can range from 0.5RB to 2RBs for 30KHz SCS, or 1RBs to 4RBs for 15KHz SCS. The network configures and signals the number of ASRBs to the A-IoT device, allowing it to dynamically adjust to changes in the interference environment.

[0059] Use of Adjacent Carrier Guard Resource Blocks (ACRBs) : ACRBs are added to one or both sides of the A-IoT signal bandwidth, depending on the channel bandwidth and the A-IoT signal bandwidth. These blocks are used to protect the A-IoT signal from interference from nearby carrier NR signals, such as inter-cell interference. The number of these blocks can range from 1RB to 3RBs for 30kHz subcarrier spacing, or 2RBs to 6 RBs for 15kHz subcarrier spacing. The network configures and signals the number of ACRBs to the A-IoT device, enabling it to effectively manage inter-cell interference.

[0060] Fig. 6 illustrates a harmonized waveform strategy where A-IoT devices synchronize using an OOK preamble overlaid on OFDM, enabling efficient use of legacy signals and backscattering for enhanced communication.

[0061] A-IoT devices traditionally using On-Off Keying (OOK) for synchronization with User Equipment (UE) readers or gNodeBs (gNB) face limitations, as they cannot directly utilize legacy synchronization signals like the Secondary Synchronization Signal (SSS) . To address this, OOK preamble can be overlaid on an Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) waveform, such as Primary Synchronization Signal (PSS) or SSS, allowing the use of these underlaid signals for ON and OFF keying-transmitting SSS during the ON phase and a DC level signal during the OFF phase. This hybrid approach, termed a harmonized or unified waveform, enables synchronization and data demodulation using OOK, while also allowing advanced A-IoT devices  to utilize the OFDM waveform for finer synchronization and additional information transfer, given that both OOK and OFDM sequences are pre-configured in the devices.

[0062] Passive A-IoT devices employing backscattering for uplink transmission can reflect the preamble, either in full or partially, without embedding their own OOK data. This preserves the OFDM preamble during the ON phase, which can be leveraged by the UE reader or gNB for faster uplink synchronization, assuming they are pre-configured with the OFDM preamble knowledge. Utilizing multiple OFDM preambles from successive ON phases can further refine synchronization.

[0063] Fig. 7 depicts a harmonized waveform approach, merging OFDM's broad bandwidth and robustness with OOK's simplicity, enhancing A-IoT devices' flexibility and synchronization efficiency in diverse networks.

[0064] The harmonized waveform design is crucial for A-IoT devices, enabling them to interpret both OFDM and OOK signals. OFDM is known for encoding data across multiple carriers, offering robustness and efficiency, while OOK is a simpler amplitude-shift keying modulation, representing binary data through the presence or absence of a carrier signal, typically within a 200kHz to 500kHz bandwidth. In contrast, NR reference signals like PSS and SSS operate within a much broader bandwidth, from 1.05MHz up to 30.48MHz, facilitating synchronization in 5G networks.

[0065] The benefits of a harmonized design are twofold. Firstly, it provides implementation flexibility, allowing A-IoT devices to communicate across a diverse range of systems, which is particularly advantageous for the anticipated heterogeneity of 6G networks. Secondly, it streamlines synchronization by utilizing the OFDM preamble, saving time and energy.

[0066] In scenarios with bandwidth discrepancies, an underlaid waveform strategy remains viable. The system must be capable of detecting various bandwidths and adapting accordingly. This involves a flexible receiver design, advanced signal processing to accommodate different bandwidths, and effective interference management to mitigate the challenges of concurrent signals with varying bandwidths. These strategies ensure that an underlaid waveform approach can be effectively implemented, despite bandwidth variations, with the specifics tailored to the system's requirements and the signal characteristics.

[0067] For the harmonized waveform approach, the design and implementation must be agile to accommodate the varying bandwidths inherent in A-IoT communications. This agility is achieved through several key adaptations:

[0068] Adaptive Bandwidth Detection: A-IoT devices must possess the capability to discern the bandwidth of incoming signals. By identifying the bandwidth, the device can adjust its receiving  parameters to align with the signal's characteristics, ensuring accurate interpretation and processing.

[0069] Versatile Receiver Architecture: The receiver architecture within A-IoT devices should be inherently versatile, capable of handling the spectrum of bandwidths encountered. This flexibility can be realized through the deployment of sophisticated signal processing algorithms and modular hardware designs that can be dynamically configured.

[0070] Advanced Signal Processing: To manage signals of varying bandwidths, A-IoT devices should employ advanced signal processing techniques. For example, multi-rate processing allows the device to adjust its processing speed to match the signal's bandwidth, ensuring efficient and accurate signal handling.

[0071] Proactive Interference Management: In environments where signals of different bandwidths coexist, proactive interference management becomes critical. This may involve strategic scheduling of transmissions to minimize conflict or the use of advanced multiplexing techniques, such as OFDM, to delineate and separate signals within the frequency domain, preserving signal integrity.

[0072] By embracing these strategies, A-IoT devices can effectively utilize an underlaid waveform approach, ensuring robust and flexible communication capabilities even when faced with diverse signal bandwidths. The harmonized design not only facilitates backward compatibility with existing systems but also paves the way for forward compatibility with emerging technologies. This ensures that A-IoT devices remain functional and relevant as the communication landscape evolves, particularly as we transition towards 6G networks where an even greater diversity of devices and communication standards is anticipated. The harmonized waveform thus serves as a cornerstone for the future-proofing of A-IoT devices, enabling them to adapt and thrive in the ever-changing ecosystem of wireless communication.

[0073] Fig. 8 illustrates the signaling and configuration exchanges between the User Equipment (UE) reader, the A-IoT device, and the gNodeB (gNB) to support the harmonized design of integrated OOK and OFDM signaling for efficient A-IoT operation.

[0074] The process begins with the UE reader requesting the harmonized waveform configuration from the gNB. The gNB determines the appropriate waveform parameters based on the current network conditions and the capabilities of the A-IoT devices. These parameters are then provided back to the UE reader, which configures the waveform for broadcasting.

[0075] Upon broadcasting the harmonized waveform, the A-IoT device detects and synchronizes using the OOK preamble and acknowledges this synchronization back to the UE reader. The UE reader then requests the device capabilities from the A-IoT device, which responds accordingly.  This information allows the UE reader to adapt the bandwidth and power settings for the specific A-IoT device.

[0076] The gNB sends power control commands to the A-IoT device, which adjusts its transmission power as instructed. For passive A-IoT devices using backscatter communication, the harmonized waveform is reflected back to the UE reader, which then relays the signal to the gNB for uplink communication processing.

[0077] Timing advance updates are sent from the gNB to the A-IoT device to correct uplink timing based on the network's timing advance. Additionally, the gNB provides the UE reader with interference management instructions, which the UE reader uses to schedule A-IoT transmissions and minimize potential interference.

[0078] Dynamic configuration updates are sent to the A-IoT devices to adapt to any updated harmonized waveform and changes in network conditions. Lastly, the gNB sends future-proofing configurations to the UE reader to prepare the A-IoT devices for upcoming standards and technological updates.

[0079] This sequence diagram serves as a guide for implementing the signaling required to support the harmonized design, ensuring robust and efficient communication for A-IoT devices within a dynamic communication ecosystem.

[0080] A-IoT devices supporting the harmonized design exhibit several key behaviors to ensure efficient operation within the integrated OOK and OFDM framework:

[0081] Dual-Mode Synchronization: A-IoT devices are capable of synchronizing with the network using both OOK and OFDM waveforms. They can utilize the simple OOK preamble for initial synchronization and then switch to the more complex OFDM waveform for fine synchronization, enhancing timing accuracy and network coordination.

[0082] Configurability: These devices are designed to be configurable, allowing them to recognize and adapt to the harmonized waveform. This includes the ability to process the underlaid OFDM signals during the OOK's ON periods and appropriately handle the DC level signals during the OFF periods.

[0083] Backscatter Communication: Passive A-IoT devices, which use backscattering for uplink communication, can reflect the harmonized waveform back to the reader or gNB without the need to generate their own modulated signal, thus simplifying the device design and reducing power consumption.

[0084] Bandwidth Adaptability: A-IoT devices are equipped with receivers that can detect and adapt to varying bandwidths. This adaptability is crucial for handling the different bandwidth requirements of OOK and OFDM signals and for ensuring compatibility with various network standards.

[0085] Energy Efficiency: The devices are optimized for energy efficiency, particularly in their synchronization processes. By leveraging the more efficient OFDM preamble when available, they can reduce the time and energy required for synchronization.

[0086] Interference Mitigation: A-IoT devices supporting the harmonized design are also capable of mitigating interference through advanced signal processing techniques. This ensures reliable communication even in environments with high device density or in the presence of competing signals.

[0087] Forward Compatibility: These devices are built with a view toward future technological developments, ensuring that they can seamlessly integrate with upcoming standards and protocols, thereby protecting investments and extending the lifespan of the A-IoT devices.

[0088] In summary, A-IoT devices that support the harmonized design are versatile, configurable, and energy-efficient, with advanced capabilities for synchronization, backscatter communication, and interference mitigation, ensuring robust performance in a dynamic communication ecosystem.

[0089] User Equipment (UE) readers supporting the harmonized design demonstrate behaviors that facilitate interaction with A-IoT devices using both OOK and OFDM signaling:

[0090] Broadcasting Harmonized Waveform: UE readers are responsible for broadcasting the harmonized waveform, which includes the OOK preamble with an underlaid OFDM signal, to enable A-IoT devices to synchronize and communicate effectively.

[0091] Signal Detection and Decoding: They possess advanced signal detection and decoding capabilities to interpret the ON and OFF keying of OOK and extract information from the underlying OFDM waveform, ensuring accurate data demodulation from A-IoT devices.

[0092] Adaptive Bandwidth Reception: UE readers can adapt their reception to handle the different bandwidths of OOK and OFDM signals, maintaining compatibility with a variety of A-IoT devices and communication standards.

[0093] Interference Management: They employ interference management techniques to distinguish between multiple A-IoT devices transmitting simultaneously and to mitigate potential signal interference in a congested wireless environment.

[0094] Energy-Efficient Operation: UE readers are designed to operate energy-efficiently, especially during the synchronization phase, by quickly locking onto the more efficient OFDM preamble when available, thus conserving power.

[0095] Backscatter Signal Processing: For passive A-IoT devices using backscattering, UE readers can process the reflected harmonized waveform for uplink communication, enabling them to establish synchronization and communication without requiring active transmission from the A-IoT device.

[0096] Dynamic Configuration: UE readers are capable of dynamically configuring the harmonized waveform based on the operating environment and the requirements of the A-IoT devices, ensuring flexible and robust communication.

[0097] Forward Compatibility: They are designed with forward compatibility in mind, ready to accommodate future advancements in A-IoT technology and to integrate seamlessly with next-generation wireless networks.

[0098] UE readers that support the harmonized design are thus equipped with sophisticated broadcasting, signal processing, and adaptive capabilities, which are critical for ensuring efficient and reliable communication with A-IoT devices in a mixed-signal environment.

[0099] gNodeBs (gNBs) that support the harmonized design exhibit specific behaviors to manage the integration of A-IoT devices using combined OOK and OFDM signaling:

[0100] Unified Waveform Transmission: gNBs transmit the harmonized waveform, which integrates the OOK preamble with the OFDM waveform, to ensure A-IoT devices can effectively synchronize and communicate with the network.

[0101] Advanced Signal Processing: gNBs are equipped with signal processing capabilities to decode the OOK signaling for initial synchronization and to extract additional information from the OFDM waveform for enhanced network coordination.

[0102] Bandwidth Flexibility: gNBs can handle the reception of signals across a range of bandwidths, accommodating the narrowband OOK as well as the broadband OFDM signals, which is essential for supporting a diverse set of A-IoT devices.

[0103] Interference and Noise Mitigation: They implement strategies to mitigate interference and noise, ensuring clear communication channels for A-IoT devices, even in environments with high levels of signal traffic.

[0104] Energy-Efficient Synchronization: gNBs facilitate energy-efficient synchronization by quickly identifying and locking onto the OFDM preamble, reducing the time and power required for A-IoT devices to synchronize.

[0105] Backscatter Communication Support: gNBs can process backscattered harmonized waveforms from passive A-IoT devices, enabling uplink communication without the need for active transmission from these devices.

[0106] Configurability and Adaptation: gNBs are configurable to support the specific needs of A-IoT devices, adapting the transmitted harmonized waveform based on environmental conditions and device capabilities.

[0107] Technology Evolution Readiness: gNBs are designed to be future-proof, with the ability to support evolving A-IoT technologies and seamlessly integrate with upcoming wireless communication standards.

[0108] By embodying these behaviors, gNBs play a pivotal role in the deployment and operation of A-IoT devices within the harmonized design framework, ensuring reliable, efficient, and scalable communication in the 5G and future 6G networks.

[0109] To support the harmonized design, specific signaling and configurations among UE readers, A-IoT devices, and gNBs are necessary:

[0110] Waveform Configuration Signaling: gNBs and UE readers must signal the configuration of the harmonized waveform to A-IoT devices, including the structure of the OOK preamble and the parameters of the underlaid OFDM signal, such as frequency allocation, power levels, and timing.

[0111] Synchronization Parameters: The network (gNBs / UE readers) must communicate synchronization parameters to A-IoT devices, detailing how to use the harmonized waveform for initial synchronization and subsequent fine synchronization using the OFDM component.

[0112] Bandwidth Adaptation Information: Signaling must include information that allows A-IoT devices to adapt their receivers to the bandwidth of the harmonized waveform, ensuring they can process both OOK and OFDM signals effectively.

[0113] Interference Management Instructions: gNBs should provide instructions for managing interference, which could include timing and frequency domain coordination to avoid overlap and ensure clear signal reception.

[0114] Backscatter Protocol Configuration: For passive A-IoT devices, the gNB and UE readers must establish protocols for backscatter communication, defining how the reflected harmonized waveform should be processed and interpreted.

[0115] Power Control Commands: To maintain energy efficiency, gNBs may send power control commands to A-IoT devices, instructing them on when to increase or decrease power for synchronization and data transmission.

[0116] Timing Advance Updates: gNBs may need to send timing advance updates to A-IoT devices to correct for propagation delay, ensuring that uplink transmissions are correctly aligned with the network's timing.

[0117] Device Capability Exchange: A-IoT devices should signal their capabilities to the network, such as supported bandwidths and modulation schemes, enabling the gNB to tailor the harmonized waveform and other configurations to each device's specifications.

[0118] Feedback and Acknowledgment Mechanisms: A reliable feedback mechanism should be in place for A-IoT devices to acknowledge successful synchronization and configuration, or to report any issues that require adjustments.

[0119] Future-Proofing Configurations: Signaling should also carry information that prepares A-IoT devices for future updates and standards, ensuring long-term compatibility and reducing the need for hardware changes.

[0120] Through this comprehensive signaling and configuration exchange, A-IoT devices, UE readers, and gNBs can effectively collaborate within the harmonized design framework, ensuring robust and efficient communication in the integrated OOK and OFDM environment.

[0121] The present invention introduces a novel system topology for Ambient Internet of Things (A-IoT) communication. In one embodiment, the next-generation NodeB (gNB) establishes a connection with User Equipment (UE) or a UE reader via a wired cable. This configuration eliminates the need for a new air interface between the gNB and the A-IoT device, instead introducing a new air interface between the UE reader and the A-IoT device. As a result, the efforts required for any gNB specification change are significantly reduced. In this setup, the gNB can access the A-IoT device via the UE reader, which acts as an intermediate node between the device and the base station (gNB) .

[0122] In another embodiment, a wireless air interface is established between the gNB and a UE or a UE reader. This air interface leverages the NR-Uu interface to minimize the specification change on the UE side. A new air interface between the UE and the A-IoT device is necessitated, the specifications of which can be determined based on the use cases and their corresponding requirements.

[0123] Device A is designed with specific targets for power consumption during transmission / reception (≤ 1 μW or ≤ 10 μW) , and complexity, which is aimed to be comparable to UHF RFID ISO18000-6C (EPC C1G2) . Device A does not have energy storage or independent signal generation / amplification capabilities, and relies on backscattering transmission. It requires a backscattering activation power threshold, experiences reflection loss, and needs a distant carrier wave source to transmit signals for positioning.

[0124] The architecture of Device A includes the following components:

[0125] · A low pass filter (LPF) for suppressing adjacent sub-carrier interference (ASCI) and adjacent carrier interference (ACI)

[0126] · An envelope detector (ED) to support On-Off Keying (OOK) -based signals

[0127] · An analog to digital converter (ADC) for digital baseband processing

[0128] · A digital baseband (DBB) for sequence matching

[0129] · A modulator (switch) controlled by the incoming signal to add payload data for OOK modulation

[0130] · A radio frequency energy harvester to convert RF signals into an energy source

[0131] Device B's design targets lie between those of Device A and Device C in terms of power and complexity. It has energy storage but no independent signal generation, relying on backscattering transmission. Stored energy can be used for signal amplification. Device B also requires a  backscattering activation power threshold, experiences reflection loss, and needs a distant carrier wave source for positioning.

[0132] The architecture of Device B includes the following components:

[0133] · An LPF for suppressing ASCI and ACI

[0134] · An ED to support OOK-based signals

[0135] · An ADC for digital baseband processing

[0136] · A DBB for sequence matching

[0137] · A modulator controlled by the incoming signal to add payload data for OOK modulation

[0138] · An RF energy harvester to convert RF signals into an energy source

[0139] · Additional energy harvesters for different types of ambient power sources, such as RF radio, solar energy, thermal energy, and piezoelectric power

[0140] · Energy storage, such as capacitors and solid-state batteries

[0141] · A reflection amplifier to amplify the input signal to the tag and the backscattered signal towards the reader

[0142] Device C is designed with a power consumption target during transmission / reception of ≤ 1 mW to ≤ 10 mW, and a complexity target that is orders-of-magnitude lower than NarrowBand IoT (NB-IoT) . Device C has energy storage, independent signal generation, and active RF components for transmission. It also has mobility management capabilities, at least for cell selection / re-selection.

[0143] The architecture of Device C includes the following components:

[0144] · An LPF for suppressing ASCI and ACI

[0145] · An ED to support OOK-based signals

[0146] · An ADC for digital baseband processing

[0147] · A DBB for synchronization, payload decoding, and cyclic redundancy check (CRC)

[0148] · An RF energy harvester to convert RF signals into an energy source

[0149] · Additional energy harvesters for different types of ambient power sources, such as RF radio, solar energy, thermal energy, and piezoelectric power

[0150] · Energy storage, such as capacitors and solid-state batteries

[0151] · A low-noise amplifier (LNA) and power amplifier (PA) to amplify reception and transmission signals

[0152] The invention presents an innovative air interface for communication between User Equipment (UE) reader or a basestation (gNB) and the Ambient Internet of Things (A-IoT) device. The communication process is initiated when the UE reader powers up the A-IoT device and  transmits a command. This command outlines essential communication parameters such as the tag rate, the tag data encoding method, and the total number of available time durations.

[0153] Once the A-IoT device has harvested enough energy, it gets activated and listens for the UE's command. After decoding the command, the A-IoT device randomly selects a time duration from the available range, and generates a random sequence. This sequence is then transmitted in the chosen time duration, preceded by a known preamble sequence.

[0154] In response to the A-IoT's transmission, the UE decodes the received preamble sequence and sends an acknowledgment back to the A-IoT within a predetermined duration, aligning with the system's configuration for the A-IoT rate.

[0155] The UE or UE reader discussed above is a node that can be a relay, IAB node, NR / LTE UE, repeater, or a base station (gNB) .

[0156] The User Equipment to Ambient IoT Device Communication Link (U2A Link) uses modulation schemes like Amplitude Shift Keying (ASK) or On-Off Keying (OOK) to facilitate Pulse Interval Encoding (PIE) for data transmission. The U2A link includes two preambles: a long U2A preamble for initial transmission and a short U2A preamble for subsequent signaling. The UE transmits the long U2A preamble and a control signal or command, specifying control parameters for the A-IoT device.

[0157] The Ambient IoT Device to User Equipment Communication Link (A2U Link) employs either ASK or Phase Shift Keying (PSK) modulation. The A-IoT encodes backscattered data using either FM0 baseband or Miller modulation, as controlled by the UE or gNB via the A2U link. The A2U link signaling commences with one of two Miller Subcarrier Preambles, depending on the command or the control signal. The A-IoT employs backscatter modulation, altering its antenna's reflection coefficient to transmit data. The A2U link transmits Electronic Product Code (EPC) and Protocol-Control Information (PC) .

Claims

1.A method of wireless communication for an Advanced Internet of Things (A-IoT) device, comprising:receiving from a network (gNB) , a harmonized waveform that combines On-Off Keying (OOK) with Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) for synchronization and data demodulation;utilizing the overlaid OOK preamble on the OFDM waveform for detecting and synchronizing with the network, while enabling the use of legacy synchronization signals;employing the harmonized waveform for backscatter communication, reflecting the waveform for uplink transmission without the need for active transmission components;adapting to dynamic configuration updates from the network to maintain compatibility with evolving standards and updates;adjusting transmission and reception parameters based on the harmonized waveform to optimize communication with the network and other A-IoT devices.2.The method of claim 1, wherein the OOK preamble is synchronized with the OFDM waveform to initiate a reception period from a defined frame, governed by the configuration of the harmonized waveform.3.The method of claim 1, wherein the harmonized waveform is used for initiating a backscatter communication period from a defined frame, determined by the synchronization status with the network.4.The method of claim 1, wherein the dynamic configuration updates are used for initiating an adaptation period from a defined frame, determined by the smallest value in the set according to the harmonized waveform configuration period.5.The method of claim 1, wherein the transmission and reception parameters are adjusted based on the harmonized waveform, initiating an optimization period from a defined frame and determined by the waveform's configuration period.6.The method of claim 1, wherein the A-IoT device adjusts its modulation types based on the harmonized waveform provided by the network, initiating an adjustment period from a defined frame and determined by the harmonized waveform modulation configuration period.7.A method of wireless communication for a network (gNB) , comprising:broadcasting a harmonized waveform to A-IoT devices, combining OOK and OFDM, for efficient synchronization and data demodulation;providing A-IoT devices with dynamic configuration updates to ensure compatibility with current and future communication standards;managing interference and optimizing network resources by utilizing the backscattered harmonized waveform from A-IoT devices;offering coding schemes and modulation types suitable for the harmonized waveform to enhance the overall communication performance;adjusting the network's transmission parameters based on the capabilities reported by A-IoT devices to maintain efficient and robust communication.8.The method of claim 7, wherein the harmonized waveform is broadcasted in a defined period determined by the OFDM sequence period, ensuring all sequence block indexes are broadcasted at least once within this period.9.The method of claim 7, wherein the dynamic configuration updates are broadcasted in a defined period determined by the harmonized waveform configuration period, ensuring all configuration block indexes are broadcasted at least once within this period.10.The method of claim 7, wherein the backscattered harmonized waveform from the A-IoT devices is used in a defined period determined by the harmonized waveform interference management configuration period, ensuring all management block indexes are used at least once within this period.11.The method of claim 7, wherein the coding schemes and modulation types are provided in a defined period determined by the harmonized waveform provision configuration period, ensuring all provision block indexes are provided at least once within this period.12.The method of claim 7, wherein the network's transmission parameters are adjusted based on the reported capabilities of the A-IoT devices in a defined period determined by the harmonized  waveform provision configuration period, ensuring all provision block indexes are provided at least once within this period.

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