Ofdm系統(tǒng)中的非線性時(shí)域信道估計(jì)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
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技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及用于對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行處理以更加高效地實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)的系統(tǒng)和方法， 具體來(lái)說(shuō)，在正交頻分復(fù)用（OFDM)接收機(jī)中提供信道估計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0004] 為了增加數(shù)據(jù)速率以及抑制多徑，包括如WiMX和LTE(長(zhǎng)期演進(jìn)）等的所謂4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)它們的PHY層采用了正交頻分復(fù)用（OFDM)波形的變形。PHY層是 物理、電磁模塊，通過(guò)該模塊在空中或有線地傳輸和接收信息的比特。OFDM利用對(duì)城市環(huán)境 中的無(wú)線信道的多徑的內(nèi)置抑制提供了很受歡迎的帶寬效率。OFDM傳輸?shù)撵`敏度是很容易 理解的。針對(duì)PHY層的"比特栗"方案已經(jīng)證明在數(shù)字用戶(hù)線（DSL，有線的）OFDM應(yīng)用中是 成功的。另一方面，移動(dòng)無(wú)線OFDM應(yīng)用仍然面臨要實(shí)現(xiàn)OFDM的設(shè)計(jì)的容量的挑戰(zhàn)。
[0005] OFDM的實(shí)踐和理論優(yōu)勢(shì)的核心是快速傅里葉變換（FFT)的使用。OFDM中實(shí)現(xiàn)的 FFT可以被視為類(lèi)似于針對(duì)N。個(gè)同時(shí)工作的無(wú)線電站的調(diào)諧器庫(kù)，因?yàn)榭梢詫⒂蒄FT生成 的音調(diào)中的每一個(gè)音調(diào)獨(dú)立地分配給用戶(hù)。OFDM PHY在較短的時(shí)間段上利用給給定用戶(hù) 的載波分配的全部或部分來(lái)提供或接收每一個(gè)載波頻率（音調(diào)）上的同時(shí)發(fā)生的比特流 (blast)。在不同的用戶(hù)之間進(jìn)行載波的部分分配以及將許多用戶(hù)聚合在一個(gè)周期之內(nèi)是 用于OFDM的一種多址方案。在IOMHz帶寬信道的情況下，用戶(hù)可以在很短的時(shí)長(zhǎng)（如0. 1 毫秒）上接收多達(dá)N。= 840 (WiMAX)或600 (LTE)個(gè)同時(shí)的音調(diào)。每時(shí)間段的這N。個(gè)音調(diào) 組成一個(gè)OFDM符號(hào)。許多用戶(hù)在一個(gè)符號(hào)中的分配被稱(chēng)為0FDMA。
[0006] 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)通常包括由可用帶寬和信息的時(shí)間靈敏度定義的三個(gè)重要的時(shí)間片段。 連結(jié)多個(gè)符號(hào)以定義幀，幀是最長(zhǎng)的相關(guān)時(shí)間單元，以及例如，幀可能是一毫秒。如果標(biāo)準(zhǔn) 向幀分配十個(gè)符號(hào)，那么符號(hào)時(shí)長(zhǎng)為[0. 5]0. 1毫秒。最后，F(xiàn)FT的大小和循環(huán)前綴（CP)時(shí) 長(zhǎng)定義了采樣之間的時(shí)間間隔，因此1024點(diǎn)的FFT和128點(diǎn)的CP定義了 11微秒的采樣 間隔。雖然FFT計(jì)算可以是比較高效的，但示例性O(shè)FDM系統(tǒng)的FFT大小足夠大（例如，在 IOMHz帶寬的情況下有1024個(gè)采樣），因此計(jì)算要求仍然很高，并且功耗仍然是設(shè)計(jì)針對(duì)用 戶(hù)手持設(shè)備的接收機(jī)時(shí)的重要約束。
[0007] OFDM系統(tǒng)與基于碼分多址（CDMA)的3G系統(tǒng)相比更加靈敏并且具有較不穩(wěn)健的信 號(hào)采集。OFDM系統(tǒng)的靈敏度來(lái)自其使用快速傅里葉變換（FFT)將進(jìn)入的信號(hào)從時(shí)域變換到 頻域。在非常普通的真實(shí)世界情況以及接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方式的情況下，OFDM系統(tǒng)中的FFT會(huì)偏 離理想假設(shè)。如果構(gòu)成FFT算法基礎(chǔ)的假設(shè)失敗，那么在所傳輸?shù)乃械腘。個(gè)信道（N。個(gè) 子載波上的）之間會(huì)發(fā)生串?dāng)_。載波之間的串?dāng)_使性能下降，這進(jìn)而導(dǎo)致了誤比特率（BER) 增加。
[0008] 由于來(lái)自結(jié)構(gòu)體或大型水面的反射，無(wú)線OFDM手持設(shè)備可以接收來(lái)自發(fā)射塔 ("基站"）的相同信號(hào)的多個(gè)路徑（具有不同延遲的副本）。這種非視距接收或多徑導(dǎo)致 信號(hào)相對(duì)于由發(fā)射機(jī)輸出的平坦頻域"形狀"有所失真。接收機(jī)必須計(jì)算濾波器以將信號(hào) 恢復(fù)成其原始的平坦頻譜形狀；該濾波器被稱(chēng)為對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡。OFDM接收機(jī)針對(duì)所傳輸 的每一個(gè)OFDM符號(hào)進(jìn)行關(guān)鍵的均衡計(jì)算。
[0009] 不像通常用在通信系統(tǒng)中的大多數(shù)其他調(diào)制策略，OFDM可以包括兩種均衡器以改 善信號(hào)質(zhì)量：時(shí)間均衡器（TEQ)和頻率均衡器（FEQ)。諸如DSL之類(lèi)的一些OFDM應(yīng)用包括 時(shí)間均衡器，而諸如實(shí)現(xiàn)當(dāng)前無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)之類(lèi)的其他系統(tǒng)不需要時(shí)間均衡器。所有實(shí) 際的OFDM接收機(jī)都具有頻率均衡器。無(wú)論接收機(jī)包括時(shí)間均衡器還是僅包括頻率均衡器， 接收機(jī)都需要進(jìn)行信道估計(jì)以在均衡器可以用于改善信號(hào)質(zhì)量之前至少初步地確定均衡 器系數(shù)的值。確定頻率均衡器的系數(shù)通常是在頻域中執(zhí)行的。
[0010] OFDM通信系統(tǒng)通常包括生成無(wú)線信號(hào)的OFDM發(fā)射機(jī)，這些無(wú)線信號(hào)以信息（如 由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)生成的數(shù)據(jù)或語(yǔ)音數(shù)據(jù)）進(jìn)行調(diào)制。無(wú)線信號(hào)在信道上行進(jìn)至接收機(jī)，該信 道以各種方式使無(wú)線信號(hào)失真（包括通過(guò)在具有不同長(zhǎng)度的多個(gè)路徑上傳輸），從而在被 稱(chēng)為多徑的機(jī)制中引入具有不同偏移和幅值的無(wú)線信號(hào)的多個(gè)副本。接收機(jī)電路將所接收 的信號(hào)下轉(zhuǎn)換到基帶，并且然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生經(jīng)歷OFDM處理的信息信號(hào)。 在時(shí)間上將無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。在對(duì)準(zhǔn)之后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以從信號(hào)中去除循環(huán)前綴 (CP)。循環(huán)前綴是存在的，因?yàn)镺FDM發(fā)射機(jī)向長(zhǎng)度為N的信息信號(hào)波形添加由最后N cp個(gè) 采樣組成的具有長(zhǎng)度Nep的CP，從而使得發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換為模擬的并且進(jìn)行發(fā)送的數(shù)字信號(hào)具 有長(zhǎng)度Ν+Ν εΡ。然后，接收機(jī)的逆轉(zhuǎn)換過(guò)程的初始步驟是去除并丟棄所添加的Nep個(gè)循環(huán)前 綴采樣。在該步驟之后，串并轉(zhuǎn)換元件組織并將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)用于進(jìn)一步處理。 循環(huán)前綴可以在串并轉(zhuǎn)換之前或之后去除。
[0011] 在CP去除之后，將并行數(shù)據(jù)提供給快速傅里葉變換（FFT)處理器，該快速傅里葉 變換處理器將時(shí)域采樣s(n)轉(zhuǎn)換成頻域采樣的集合民00用于處理。假定所接收到的OFDM 符號(hào)被信道破壞，其針對(duì)OFDM假定對(duì)來(lái)自O(shè)FDM系統(tǒng)中使用的載波頻率中的每一個(gè)載波頻 率的采樣引入了幅值和相位失真。頻率均衡器（FEQ)將特定于在OFDM系統(tǒng)中使用的每個(gè) 頻率的幅值和相位校正應(yīng)用到在不同頻率上所傳輸?shù)母鞣N采樣。FEQ需要在每個(gè)頻率處對(duì) 信道相比于理想情況下的幅值和相位偏差進(jìn)行估計(jì)以確定應(yīng)用什么校正。
[0012] 典型的OFDM信道估計(jì)器基于導(dǎo)頻音調(diào)位置的集合和所接收的導(dǎo)頻信號(hào)在頻域中 對(duì)信道進(jìn)行接收和估計(jì)。這被稱(chēng)為頻域信道估計(jì)或FDCE。導(dǎo)頻音調(diào)（或者只是導(dǎo)頻）通 常是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所指示的一個(gè)或兩個(gè)位符號(hào)，從而使得接收機(jī)事先知道所期望的導(dǎo)頻位置和 值。所有的FDCE實(shí)現(xiàn)方式對(duì)FFT輸出的OFDM符號(hào)作出反應(yīng)以提取所接收的導(dǎo)頻信號(hào)?？?以將每一個(gè)導(dǎo)頻處的信道估計(jì)確定為相對(duì)于每一個(gè)導(dǎo)頻的理想情況下期望的解調(diào)后的值 "+1"的幅值和相位旋轉(zhuǎn)。相對(duì)于此"+1"值的任何偏離組成了來(lái)自那個(gè)頻率的帶寬處的信 道的失真。數(shù)據(jù)載波頻率處的信道的值可以通過(guò)對(duì)在導(dǎo)頻載波頻率處所獲得的值進(jìn)行內(nèi)插 來(lái)進(jìn)行估計(jì)。對(duì)簡(jiǎn)單信道估計(jì)方案的各種改善是已知的，并且傳統(tǒng)上是在頻域中實(shí)現(xiàn)的。頻 率均衡器接收來(lái)自快速傅里葉變換處理器的信號(hào)和來(lái)自估計(jì)器的信道估計(jì)，并且對(duì)信號(hào)進(jìn) 行均衡。通常將均衡器的輸出提供給將均衡器的并行輸出轉(zhuǎn)換成串行輸出用戶(hù)信號(hào)的并串 元件。
[0013] 通過(guò)根據(jù)將要"裝載"到OFDM符號(hào)中的比特的數(shù)量將活動(dòng)數(shù)據(jù)載波的值設(shè)置為 來(lái)自規(guī)定的值集合的非零值來(lái)構(gòu)建那個(gè)OFDM符號(hào)。然后對(duì)這些值進(jìn)行快速傅里葉逆變換 (IFFT)以獲得時(shí)域采樣。通過(guò)從符號(hào)的時(shí)域采樣序列的末尾取走規(guī)定數(shù)量的采樣來(lái)將循環(huán) 前綴附加到符號(hào)的開(kāi)頭。IFFT可能例如產(chǎn)生1024個(gè)采樣。某些標(biāo)準(zhǔn)選擇CP具有128的長(zhǎng) 度。這意味著發(fā)射機(jī)從1024個(gè)采樣的序列中選擇最后的128個(gè)采樣，并且將那些采樣附加 在前面，從而使得它們變成所傳輸?shù)腛FDM符號(hào)中的前128個(gè)采樣，所發(fā)送的OFDM符號(hào)具有 總數(shù)為1152的采樣。因?yàn)檫@種構(gòu)造，從OFDM符號(hào)的1152個(gè)采樣中選出任何1024個(gè)采樣 產(chǎn)生在原始的1024個(gè)OFDM時(shí)域采樣上的循環(huán)移位。
[0014] 在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以在60個(gè)子信道上發(fā)送OFDM符號(hào)，其中，每個(gè)子信道 有14個(gè)活動(dòng)載波，對(duì)于總共840個(gè)活動(dòng)載波來(lái)說(shuō)，每個(gè)子信道有4個(gè)導(dǎo)頻。導(dǎo)頻在任何給 定符號(hào)以及因此的子信道中的位置是由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。用于高吞吐量網(wǎng)絡(luò)的OFDM方案尋求 將開(kāi)銷(xiāo)最小化，并且這包括了在符號(hào)內(nèi)的訓(xùn)練載波的數(shù)量。減少導(dǎo)頻的數(shù)量或密度可以限 制接收機(jī)高效地恢復(fù)來(lái)自信號(hào)的信息的能力。
[0015] OFDM的一個(gè)理論上的優(yōu)勢(shì)是：可以在FFT之后通過(guò)非常簡(jiǎn)單的算法針對(duì)每一個(gè)接 收的音調(diào)單獨(dú)地執(zhí)行均衡。啟動(dòng)OFDM接收機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是僅需要針對(duì)與用戶(hù)相關(guān)的每 一個(gè)子載波來(lái)估計(jì)均衡器系數(shù)，量小于FFT的大小。與每一個(gè)音調(diào)相對(duì)應(yīng)的每一個(gè)均衡器 系數(shù)的值將取決于信道系數(shù)的估計(jì)-被稱(chēng)為信道估計(jì)。與OFDM接收機(jī)中的許多操作一樣， 典型的OFDM接收機(jī)在FFT之后進(jìn)行信道估計(jì)，因?yàn)榇藭r(shí)的信道估計(jì)是基于用戶(hù)的音調(diào)分配 來(lái)簡(jiǎn)單且高效地執(zhí)行的。因?yàn)樾诺拦烙?jì)在FFT之后進(jìn)行的，因此音調(diào)將受到FFT和FFT后 失真的影響，這被稱(chēng)為載波間干擾（ICI)。ICI通常通過(guò)三種情況來(lái)展現(xiàn)：1)頻率調(diào)諧中的 誤差；2)來(lái)自移動(dòng)性的多普勒；以及3)來(lái)自其他小區(qū)站點(diǎn)的干擾。OFDM系統(tǒng)通過(guò)在符號(hào)之 間提供時(shí)間間隔來(lái)適應(yīng)符號(hào)間干擾，從而使得與其他無(wú)線方案相比，符號(hào)間干擾對(duì)于OFDM 來(lái)說(shuō)通常是較小的問(wèn)題。
[0016] 任何給定的信道具有公知的對(duì)其容量的限制。在當(dāng)前的OFDM實(shí)現(xiàn)方式中，在期望 的速率以下存在額外的容量上的損耗。信道估計(jì)誤差是罪魁禍?zhǔn)?。因?yàn)樵诘湫蛯?shí)現(xiàn)方式中 ICI影響FFT后的信道估計(jì)算法，因此糟糕的信道估計(jì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的均衡器系數(shù)。由于種種 情況（例如，要求苛刻的信道和糟糕的信道估計(jì)）而導(dǎo)致的增加的誤比特率（BER)可以通 過(guò)