專利名稱：用于估計相位誤差噪聲的方法和/或系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信。
背景技術(shù)：
在通信中理想的是至少部分地具有針對相位誤差或相位噪聲進行估 計和調(diào)整的能力。


在說明書的結(jié)尾部分具體地指出并清楚地聲明了主題。然而，如果結(jié) 合附圖來閱讀，通過參考以下詳細(xì)描述，所聲明的既關(guān)于組織又關(guān)于操作 方法的主題及其目標(biāo)、特征和優(yōu)點一起，可以被更好地理解，其中圖l是圖示使用MIMO-OFDM方案的通信系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖2-5是圖示使用估計相位誤差噪聲的方法的各種實施例的模擬性能 結(jié)果的標(biāo)繪圖。
具體實施方式
在以下詳細(xì)描述中，闡述了眾多具體細(xì)節(jié)以提供對所聲明主題的徹底 理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的是，所聲明的主題可以被實施而
無需這些具體的細(xì)節(jié)。在其它實例中，眾所周知的方法、過程、部件和/ 或電路未被詳細(xì)地描述，以便不使所聲明的主題模糊。以下詳細(xì)描迷的某些部分依據(jù)與計算系統(tǒng)之內(nèi)、如計算機和/或計算 系統(tǒng)存儲器之內(nèi)所存儲的數(shù)據(jù)位和/或二進制數(shù)字信號有關(guān)的運算的算法 和/或符號表示法來表示。這些算法描述和/或表示法是數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域技術(shù) 人員用來向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達他們工作主旨的技術(shù)。算法在這里通常被 認(rèn)為是導(dǎo)致預(yù)期結(jié)果的運算和/或類似處理的自洽序列。運算和/或處理可 能涉及對物理量的物理操縱。典型地，盡管不是必要地，這些量可以采用 能夠被存儲、傳遞、組合、比較和/或另外地操縱的電和/或磁信號的形式。 已證明有時主要為了共同使用，將這些信號稱為位、數(shù)據(jù)、值、元素、符 號、字符、術(shù)語、數(shù)、數(shù)字等等是方便的。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所有的 這些和類似的術(shù)語都要與適當(dāng)?shù)奈锢砹肯嚓P(guān)聯(lián)，并且只是方便的標(biāo)記。除 非另外特別聲明，否則如從以下討論顯而易見的那樣，可以理解的是，貫穿本說明書，利用諸如"處理"、"計算(computing)"、"計算(calculating)"、 "確定"和/或類似形式的術(shù)語的討論指的是諸如計算機或類似電子計算 裝置的計算平臺的行為和/或過程，其在計算平臺的處理器、存儲器、寄 存器和/或其它信息存儲、傳輸和/或顯示裝置之內(nèi)對表示為物理電子和/ 或磁量和/或其它物理量的數(shù)據(jù)進行操縱和/或變換。對于根據(jù)所聲明主題的一個實施例，用于估計相位誤差噪聲的基于 MMSE的方案被應(yīng)用于MIMO-OFDM通信系統(tǒng)，如具有任意數(shù)目天線 的系統(tǒng)?？梢哉J(rèn)為這樣的實施例提供了比用其它相位誤差估計方法如最小 二乘(LS)方法已獲得的性能更好的性能，并且在天線的數(shù)目和SNR水 平兩方面都顯示出健壯性。同樣地，這樣的方法可以獨立于編碼方案來實 施，因此，可以用在各種應(yīng)用中，例如像BLAST或空時編碼。例如像對于時變和頻率選擇性信道，OFDM調(diào)制與多輸入多輸出 (MIMO)系統(tǒng)的組合可以增加系統(tǒng)容量并減小接收機復(fù)雜性。因此，對 于高性能未來4G寬帶無線通信，MIMO-OFDM已成為有希望的候選。 然而，類似于SISO-OFDM， MIMO-OFDM可能對如相位誤差噪聲的噪 聲的水平敏感，其可能導(dǎo)致性能降級。盡管存在用于單天線系統(tǒng)的各種相位噪聲調(diào)整方法，但是尚未很好地 研究多天線通信系統(tǒng)。如前面提到的那樣，對于一個實施例，盡管基于最 小均方誤差(MMSE )方法可以應(yīng)用于MIMO-OFDM通信系統(tǒng)以估計相 位誤差噪聲，但是當(dāng)然所聲明的主題范圍不限于這方面。具體地，對于64子栽波、16QAM調(diào)制、其中相位噪聲方差為0.01的情況，在此顯示 了模擬結(jié)果。多輸入多輸出(MIMO )沖支術(shù)利用了可以通過密集多路散射環(huán)境中的 空間上分離的天線而獲得的分集，然而，所聲明的主題范圍不限于這方面。 盡管如jt匕,參見伊J如D. Gesbert等人的"From theory to practice: an overview of MIMO space-time coded wireless systems", IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 21， pp. 281-297, Apr. 2003 (在下文中^皮稱為1)。潛 在地對于相同的帶寬并且潛在地在沒有另外的功率損耗的情況下，MIMO 可以提供傳輸率(或容量)的線性增長。例如通過所謂的空時碼可以實現(xiàn) 分集。參見例如V. Tarokh和A. Seshadri的"Space畫time codes for high data rate wireless communication: Performance criterion and code construction", IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 44， pp. 744-765， March 1998 (在下文中被稱為[21)，同時通過空間復(fù)用系統(tǒng)，如縮寫為BLAST 的來自貝爾實驗室的先鋒系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高比特率。參見例如P. W. Wolniansky、 G J. Foschini、 (i D. Golden及R. A. Valenzuela的 "V-BLAST: An architecture for realizing very high data rates over rich-scattering wireless channel", PROC. ISSSE， pp. 295-300, 1998 (在下 文中被稱為l3j)。然而，再次地，所聲明的主題在范圍上不限于這些示意 性的系統(tǒng)實例。正交頻分復(fù)用(OFDM )是在例如遇到大的延遲擴展的寬帶無線系統(tǒng) 中使用的有吸引力的調(diào)制方案，然而，再次地，所聲明的主題范圍不限于 這方面。盡管如此，參見例如Z. Wang和GL B. Giannakis的"Wireless multicarrier communications: Where fourier meets Shannon", Signal Processing Magazine, IEEE, vol. 17, pp. 29-48， May 2000 (在下文中,皮稱 為[4)；"OFDM or single-carrier block transmission " Transaction or Comimmication， IEEE, vol. 52， pp. 380-394， March 2004(在下文中被稱為5)。因此，OFDM已用在各種應(yīng)用中，例如數(shù)字用戶線(DSL)、數(shù)字 視頻/音頻廣播(DVB/DAB )、 IEEE 802.11a無線局域網(wǎng)(HIPERLAN /2 ); 參見例如J. Bingham, "Multicarrier modulation for data transmission: an idea for whose time has come"， IEEE Commun. Mag.， vol. 28, pp. 5-14, May 1990 (在下文中被稱為6)；IEEE Std 802.11a-1999， Supplement to IEEE standard for information technology — telecommunications and information exchange between systems — local and metropolitan area networks - specific requirements. Part 11 ， wireless LAN medium accesscontrol (MAC) and physical layer (PHY) specifications; high-speed physical layer in the 5GHz band, http:〃www.ieee.org. Dec. 1999(在下文中 被稱為7)。OFDM的原理是將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換成頻率平坦子信道的并行集 合。信號然后例如可以通過每個平坦子信道上的一抽頭均衡器來恢復(fù)。由 于不同的子栽波頻率重疊，所以可用帶寬得到有效使用。組合的MIMO-OFDM方案至少部分地由于通過MIMO 4支術(shù)而引入 的其BER性能的改進的系統(tǒng)容量而具有勝于傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)點，并且至少 部分地由于OFDM技術(shù)而選擇性地具有其對信道頻率的健壯性。然而， 類似于OFDM, MIMO-OFDM至少部分地由于相位噪聲的存在而遭受性 能降低。如前面提出的那樣，在一個實施例中，用于估計相位誤差的基于 MMSE的方法可以用于改善系統(tǒng)性能，例如可以在接收機處使用，或者 通過結(jié)合在接收機中的計算裝置來使用。然而，再次地，所聲明的主題范 圍不限于這些具體的實施例。考慮具有MT (在此也被指示為MT)個發(fā)射天線和MR (在此也被 指示為MR)個接收天線的頻率選擇性MIMO信道。子栽波k上的信道 可以用MRxMi矩陣H (k)來表示。將X-[Xh X2, ...， XMTIT=X(0)， X(l),…，X(N-1)定義為Mt乘N矩降，其包括在一個符號持續(xù)時間T內(nèi) 的發(fā)射數(shù)據(jù)，其中Xt=Xt(0)， Xt(l),…，Xt(N-l)t指示第t個天線上的發(fā) 射OFDM符號，并且X(k)-X，(k), X2(k)，…，xmt(k)t指示用于子栽波k 上的天線的發(fā)射數(shù)據(jù)，其中k在0和N-l之間。對發(fā)射天線上的數(shù)據(jù)塊 的IDFT得到時域序列xt- [xt(0)， xt(l),…，xt(N-l)T。在插入假定大于信 道長度的循環(huán)前綴(Cyclix prefix, CP)之后，在發(fā)射天線上發(fā)射序列。 在接收天線處，CP被剝?nèi)?，并且?shù)據(jù)被饋送到DFT單元中。通#數(shù)據(jù) 序列中使用CP，時域線性巻積等效于循環(huán)巻積。假定Y-[Y^ Y2，…， YMRf=[Y(0)，Y(l)，…，Y(N-1)指示來自天線的接收數(shù)據(jù)，其中Yr = [Yr(O), Yr(l)，…，Yr(N-l)r指示在第r個天線上的接收OFDM符號，并且 Y(kMY"k)， Y2(k)，…，Y進(k)r指示第k個子載波上的接收信號。因此， MIMO-OFDM過程的一般形式可以總結(jié)為 其中，Es是向跨發(fā)射天線而均勻劃分的第k個子載波分配的平均能量， H(k)是MRxMT矩陣，其由以下給出<formula>formula see original document page 8</formula>并且N(k)^N"k)， N2(k)，...， N賺(k)r指示子載波k上的噪聲，其為具有方 差cj 2N的零均值A(chǔ)WGN。幾種空時編碼技術(shù)已被提議，如前面引用的2中討論的那樣，且后 來被擴展到OFDM領(lǐng)域。當(dāng)然，所聲明的主題不限于具體的編碼方案。 另一種有趣的方法是空頻編碼技術(shù)，其在具有2 x l ( MT = 2， MR = 1)天 線的Lee和Williams的 "A space-frequency transmitter diversity technique for ofdm systems", GLOBECOM，OO (San Francisco, CA)， vol. 3. pp. 1473-1477, Nov. 2000 (在下文中被稱為[8)中引入，是Alamouti的 空時編碼才支術(shù)的頻域?qū)?yīng)部分，參見Alamouti的"A simple transmitter diversity scheme for wireless communications", IEEE J. Select. Areas Commun" vol. 16， pp 1451-1458， Oct. 1998 (在下文中4皮稱為[9)。遵循與 [8中相同的方法，在圖1中顯示了使用2x2場景的相位噪聲的效果。為 了實施[8中的發(fā)射分集技術(shù)，例如，Xi和X2被按位編碼為<formula>formula see original document page 8</formula>為了簡化起見，我們假定。因此根據(jù)(1 )，對于2 x 2情況的標(biāo)量形 式由以下給出<formula>formula see original document page 8</formula>(4) 其中Xt(k)是Xt的第(k+l)個元素。
空頻傳輸分集技術(shù)[8涉及近似恒定的相鄰子載波上的衰落信道。在 如果信it^目千帶寬與傳輸帶寬相比相對大的情況下，這種情形保持。這不 如空時塊編碼中那樣嚴(yán)格，空時塊編碼使得相鄰OFDM符號上的衰落信 道恒定。不失一般性地，研究了第2k和(2k + l)個頻域數(shù)據(jù)(子載波)信 號對。該信號對的空頻解碼簡單地由[9]中的相同組合方案給出。假定不 存在相位噪聲，通過以下給出組^L則=;(2， *〗,(2A:) + 7 *(2A + l)i/21 (2A) +；(2A)ff *12 (20 + ;r*2 + l)i/22 (2" (5)"訓(xùn)t i l&(2" I2+ if、 (2"A。 (2/r) +開21 (2， *(2A +1) + ff *12 (2，2(2/c) + //22(2^)W *2 (2/t +1)=);(2， (2A) - J7, (2A + l)i721 (2fc) & (2， *12 (2/:) - & * 2(2A: +1)#22 (2"f=r=i+*21 (2/t風(fēng)(2A) - (2， 、 (2A +1) + H *22 (2A:)W *2 (2A) - 7712 (2， *2 (2/t +1) (6) 通過這種組合方案利用了通itiC射和接收天線兩者來提供的空間分集。在該上下文中，術(shù)語相位噪聲用于描述信號的短期隨機頻率波動。它 可能起因于發(fā)射機和接收機振蕩器，并且可以被描述為具有零均值和方差271 Pt的連續(xù)布朗運動過程，其中P指示相位噪聲線寬，然而，所聲明的 主題范圍不限于這方面。通過包括相位噪聲效果，表達式(4) IS1^被修 改為:<formula>formula see original document page 10</formula>其中 w"=。 ， o(k)指示相位噪聲。0(k)的方差由2:r PT給出，其中P和T分別指示相位噪聲線寬和OFDM符號持續(xù)時間。從(7)中 注意到，相位噪聲有助于1. 公共相位誤差(CPE),用C (0)指示，其可能導(dǎo)致希望信號的旋轉(zhuǎn)；2. 載波間干擾(ICI)，用屬于ICIt(k)指示，其可能導(dǎo)致對希望信號的干擾。對于中到小的相位噪聲水平，后DFT相位噪聲調(diào)整可能在特殊情形 下是可能的。典型地，CPE合計超過卯。/。相位噪聲能量，而ICI與CPE 相比相對小。亦即，對于頻域^JL，即使考慮CPE和ICI兩者會得到更 好的結(jié)果，CPE校正也可能等于由相位噪聲引起的主要性能損失。進而， MIMO所提供的空間分集也可以改進CPE估計器性能。因此，這個具體 實施例對應(yīng)于CPE，然而，當(dāng)然，所聲明的主題范圍不限于CPE估計。為了減輕CPE， (7)可被重寫為
其中A(k)指示i:, n二 ^(")《(")c("-一Aw……。定義 為OFDM符號之內(nèi)的導(dǎo)頻(pilot)的數(shù)目，并且!ki，k2，， kNp)為相應(yīng)的導(dǎo)頻 集合。于是(8)中的接收信號的導(dǎo)頻技術(shù)等價于下面的(9)和(10):<formula>formula see original document page 11</formula>對于這個具體的實施例，可以通過估計C (0)來估計相位誤差。這可以通過找到使,，—,H]T最小化的適當(dāng)系數(shù)向量w來在此完成。使用某種代數(shù)操縱，容易地顯示出這個系數(shù)在此由以下給出『-(V"+二/)一's (ii) 其引起CPE的MMSE估計一)=V'F = S"(S^ 7 (12)其中，Ec指示平均能量C (0),并且C^指示Nr (k)的方差。假定完全知道相位噪聲線寬和信道響應(yīng)，并且OFDM子載波信號是具有零均值和 方差Ex的相互獨立的隨機變量。那么Ee和Nr(k)的統(tǒng)計值顯示為<formula>formula see original document page 12</formula>(14)這里我們假定信道響應(yīng)被歸一化，并且相位噪聲獨立于AWGN。應(yīng)注意 的是，較大的導(dǎo)頻數(shù)目Np增加了向量W的大小，并且改善了估計準(zhǔn)確性。 在這個方案中利用了空間分集，因為W的長度在單天線系統(tǒng)中會減半。當(dāng)考慮相位噪聲的CPE效果時，通過將相應(yīng)的信道響應(yīng)乘以C (0) 來修改(5)和(6)中的決定結(jié)果。于是在CPE的估計之后，我們得到勿&)<formula>formula see original document page 12</formula>(15)<formula>formula see original document page 12</formula> (16)如前面提出的那樣，針對IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)，以一 OFDM符號64 子栽波進行模擬，并且應(yīng)用空頻分集技術(shù)，其中使用了 16QAM調(diào)制。循 環(huán)前綴的長度假定大于信it^遲擴展。圖2顯示了與無相位噪聲和無校正相位噪聲情況相比的估計相位誤 差噪聲的方法的實施例的SER性能。即使對于無校正的10—2的小相位噪 聲，也存在明顯的誤差底板(error floor),另一方面，這里應(yīng)用的具體實
施例減輕了相位噪聲，因此性能保持接近于無相位噪聲的情況。應(yīng)注意的是，甚至基于ML的方案也比該具體實施例差l-2dB。在圖3中估算了不同調(diào)制對提議方案的影響，其顯示，這個具體實施 例對于通用的調(diào)制方法是健壯的。還要注意，當(dāng)星座尺寸增加時，實施例 和無相位噪聲情況之間的性能差異變得更大，因為較大的星座對估計誤差 更加敏感。圖4顯示了導(dǎo)頻數(shù)目和相位噪聲水平對系統(tǒng)的SER性能的影響。從 這個附圖中我們斷定，選擇4個導(dǎo)頻給出了具有高頻譜效率(4/64=6.25% 用于導(dǎo)頻的傳輸帶寬)和相對低的計算復(fù)雜性的足夠性能。最后，在圖5中，歸一化的MMSE (NMMSE)用于比較具有不同 Np的性能。應(yīng)注意的是，盡管我們能夠通過較大的Np來改善估計誤差 NMMSE，但是相同量的改善對于SER并不發(fā)生，如圖4所示。值得注意的是，所聲明主題的實施例可以用在多種環(huán)境中，并且所聲 明主題的范圍不限于這方面。例如，實施例可以用在多種可能的通信裝置 中，例如包括蜂窩電話、個人數(shù)字助理、膝上型計算機、媒體播放器等等。 當(dāng)然，所聲明主題的范圍不限于這個例子。使用多種軟件、固件和/或硬件的許多其它方法和/或其它類型的裝置是可能的，并且包括在所聲明主 題的范圍之內(nèi)。當(dāng)然，將會理解的是，盡管剛才已描述了具體的實施例，但是所聲明 主題的范圍不限于具體的實施例或?qū)崿F(xiàn)。例如， 一個實施例可以是如實施 用來在例如裝置或裝置的組合上工作的硬件的形式，而另一個實施例則可 以是軟件的形式。同樣地，實施例可以用固件實現(xiàn)，或者例如傳J更件、軟 件和/或固件的任意組合。同樣地，然而，所聲明主題的范圍不限于這方 面， 一個實施例可以包括一個或多個物品如一個或多個存儲介質(zhì)。例如像 一個或多個CD-ROM和/或盤的這種存儲介質(zhì)可以在其上存儲指令，當(dāng)由 系統(tǒng)例如像計算機系統(tǒng)、計算平臺或其它系統(tǒng)執(zhí)行時，所述指令可以導(dǎo)致 根據(jù)所聲明主題的方法的實施例，例如像先前描述的實施例中之一，被執(zhí) 行。作為一個潛在的實例，計算平臺可以包括一個或多個處理單元或處理 器、 一個或多個輸"輸出裝置如顯示器、鍵盤和/或鼠標(biāo)和/或一個或多個 存儲器如靜態(tài)隨M取存儲器、動態(tài)隨M取存儲器、閃速存儲器和/或 多更盤驅(qū)動器。例如，顯示器可以用于顯示一個或多個查詢，如可能相互關(guān) 聯(lián)的那些查詢和/或一個或多個樹狀表達，然而，再次地，所聲明主題的 范圍不限于這個例子。 在前面的描述中，已描述了所聲明主題的各個方面。為了解釋的目的， 闡明了特定的數(shù)目、系統(tǒng)和/或構(gòu)造以提供對所聲明主題的徹底理解。然 而，對于受益于4^>開的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言應(yīng)當(dāng)明顯的是，所聲明的主 題可以被實施而無需所述特定細(xì)節(jié)。在其它實例中，眾所周知的特征被省 略和/或簡化，以便不模糊所聲明的主題。盡管在此已圖示和/或描述了一 定的特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到許多修改、替換、改變和/或等 效形式。因此應(yīng)理解的是，所附權(quán)利要求意圖覆蓋落在所聲明主題的真實 精神之內(nèi)的全部這樣的#"改和/或改變。
權(quán)利要求
1.一種針對使用MIMO-OFDM方案的接收機的減小相位誤差噪聲的方法，包括至少部分地基于MMSE而對相位誤差噪聲進行估計；以及針對所述估計的相位誤差噪聲而對接收信號進行調(diào)整。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述對接收信號進行調(diào)整包括 對所述接收信號的解碼進行調(diào)整。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述對相位誤差噪聲進行估計 包括對公共相位誤差進行估計。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所M公共相位誤差進行估計 包括對所述公共相位誤差的統(tǒng)計值進行估計。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述MIMO-OFDM方案使用 空時編碼。
6. —種i殳備，包括接收機，其使用MIMO-OFDM方案；所述接收機適用于至少部分地基于MMSE而對相位誤差噪聲進行估 計，并且進一步適用于針對所述估計的相位誤差噪聲而對接收信號進^^ 整。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述接收機進一步適用于對接 收信號的解碼進行調(diào)整。
8. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述接收機進一步適用于對公 共相位誤差進行估計。
9. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述接收機進一步適用于對所 述公共相位誤差的統(tǒng)計值進行估計。
10. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述接收機適用于使用空時編碼。
11. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述接收機基本上遵從IEEE 802.11的各方面。
12. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述接收機結(jié)合在以下的至少 一個中蜂窩電話；個人數(shù)字助理；膝上型計算機；媒體播放器裝置。
13. —種設(shè)備，包括 計算裝置；所述計算裝置適用于針對MIMO-OFDM通信方案至少部分地基于 MMSE對相位誤差噪聲進行估計。
14. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置進一步適用于 處理接收信號以便針對所述估計的相位誤差噪聲而進行調(diào)整。
15. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置進一步適用于 對接收信號的解碼進行調(diào)整。
16. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置進一步適用于 對公共相位誤差進行估計。
17. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置進一步適用于 對所述公共相位誤差的統(tǒng)計值進行估計。
18. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置適用于使用空 時編碼。
19. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置基本上遵從IEEE 802.11的各方面。
20. 如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述計算裝置結(jié)合在以下的 至少一個中蜂窩電話；個人數(shù)字助理；膝上型計算機；媒體播放器裝置。
全文摘要
公開了用于估計相位誤差噪聲的方法和/或系統(tǒng)的實施例。
文檔編號H04L1/02GK101133566SQ200580041582
公開日2008年2月27日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月2日
發(fā)明者攀 柳, 耶海斯克爾·巴-內(nèi)斯 申請人:新澤西理工學(xué)院