CN101505292B

CN101505292B - 适合于mimo-ofdm预编码的相位噪声纠正方法

Info

Publication number: CN101505292B
Application number: CN2009100785792A
Authority: CN
Inventors: 周世东; 张秀军; 陈翔; 赵明; 肖元章; 肖立民; 丁国鹏
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: CN101505292A

Abstract

一种多天线正交频分复用系统中的相位噪声纠正方法，属于移动通信技术领域。其特征在于，发送端的发送天线在每个OFDM符号的至少一个预留子载波上放置已知信号，并对当前OFDM符号的所有频域信号进行相同的角度偏转。再经过IFFT变换和上采样，将信号发送到发送端的一根校准天线上。校准天线进行下采样、粗同步并得到预留子载波上的频域信号，然后利用预留子载波上的已知信号得到相位噪声平均值的初步估计，再把初步估计值送入低通滤波器，得到对当前OFDM符号的相位噪声平均值的最终估计，最后将这个估计值反馈回每根发送天线，计算发送天线上IFFT变换之前的角度偏转值。本方法可抑制发送端相位噪声的幅度，提高预编码的精确性。

Description

适合于MIMO-OFDM预编码的相位噪声纠正方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，特别是指一种在多天线正交频分复用(MIMO-OFDM)通信系统中的相位噪声纠正方法。

背景技术

下一代无线通信要求支持更高的数据率和频谱效率。采用多天线技术(MIMO)以及高频谱利用率的调制方式，如正交频分复用(OFDM)，是获得高速传输速率的有效方法。在MIMO-OFDM系统中，相位噪声不但会造成一个OFDM符号内所有子载波的公共相位偏转，还会使得每个子载波受到其他子载波的子载波间串扰。尤其在当今对数据率需求越来越高的情况下，系统的带宽越来越宽，子载波数也越来越多，相位噪声引起的子载波间串绕就更为明显。此外，更高的系统带宽要求更高的中心频率，而更高的射频频率会带来更大的相位噪声，从而进一步影响系统的性能。

特别地，如果MIMO-OFDM系统的发送端使用预编码，则相位噪声的存在会造成预编码精度的下降。这是因为相位噪声通常是快速变化的，这就加大了等效信道的时变性，而从预编码矩阵被计算出来到其最终生效之间有一个延时，更大的信道时变性就会降低预编码的有效性。

发明内容

本发明的目的在于为克服传统技术的不足之处，提出一种低复杂度的相位噪声纠正方法，从而有效地降低MIMO-OFDM系统中的相位噪声的影响。当系统采用发端预编码时，本方法还可以提高预编码的有效性。

本发明提出一种MIMO-OFDM系统中的相位噪声纠正方法，属于移动通信技术领域，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)每根发送天线在每个当前的OFDM符号的至少一个设定的预留子载波上放置至少一个设定的用于相噪估计的传送信号；

步骤(2)所述每根发送天线对所述每个当前的OFDM符号的所有频域信号设置一个相同的角度偏转初始值，并对所有频域信号进行相同的角度偏转；

步骤(3)所述每根发送天线对所述的所有频域信号种携带的频域数据进行IFFT变换，然后上采样，再发送到发送端的校准天线上；

步骤(4)所述校准天线对所收到的接收信号进行下采样、粗同步并得到预留子载波上的频域信号；

步骤(5)所述校准天线对发送天线在每个当前OFDM符号上的所述预留子载波上的设定信号和该校准天线的预留子载波上的所述接收信号进行最小二乘运算，得到相位噪声平均值的初估计值；

步骤(6)所述校准天线再把步骤(5)得到的相位噪声平均值的初估计值送入低通滤波器，得到对当前OFDM符号的相位噪声平均值的最终估计值；

步骤(7)所述校准天线把步骤(6)中得到的相位噪声平均值的最终估计值的相反数作为角度偏转值返回步骤(2)中，作为所述发送天线上IFFT变换之前的角度偏转值。

在每个OFDM符号内，为每根天线预留特定频率的若干个子载波，称为预留子载波，用来传输用于相噪估计的已知信号。为避免干扰，不同发送天线的预留子载波的位置互不相同。根据预留子载波上发送的已知信号，以及校准天线的预留子载波上的接收信号，我们可以通过最小二乘法得到相噪平均值的初估计。

实验证明，采用本方法可以抑制MIMO-OFDM系统中各个发送天线的相位噪声的幅度，改善系统性能。同时，因为各个发送天线的相位噪声过程被调整到与校准天线上的基准相位噪声过程基本一致，所以在采用预编码的系统中，本方法还可以提高计算预编码矩阵的精确性。

附图说明

图1为本发明的实施例的示意图。

图2为本发明的实施例的OFDM数据结构。

图3为本发明的实施例的一阶低通滤波器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明的技术方案。

为了对抗MIMO-OFDM系统中的相位噪声，本发明在发送端的每根发送天线的每个OFDM符号的一个或若干个设定的预留子载波上放置已知信号，用于估计当前OFDM符号的相位噪声平均值。发送天线首先对每个OFDM符号的频域序列预先进行统一的角度偏转来对抗相位噪声，然后在进行IFFT变换以及上采样之后，将信号发送到发端额外的一根校准天线上。在校准天线上，先进行下采样、粗同步并得到预留子载波上的频域信号，然后利用预留子载波上的已知频域信号得到相位噪声平均值的初步估计，再把初步估计出的相位噪声平均值送入低通滤波器，得到对当前OFDM符号的相位噪声平均值的最终估计，最后将这个估计值反馈回每根发送天线，用于计算发送天线上IFFT变换之前的角度偏转值。

本发明提出的MIMO-OFDM系统的相噪纠正方法的实施例如图1所示，包括以下步骤：

步骤(7)所述校准天线把步骤(6)中得到的相位噪声平均值的最终估计值的相反数

作为角度偏转值返回步骤(2)中，作为所述发送天线上IFFT变换之前的角度偏转值。

在实施例中，我们以第i根天线上的相噪纠正过程为例，具体说明本发明的技术方案。

对于第i根天线，我们需要在每个OFDM符号的特定子载波(预留子载波)上放置已知信号。记第i根天线的预留子载波为第k₁，...，k_n个子载波。在这些子载波上，我们可以放置Chu序列作为已知信号序列，它的特点是时频域都是恒包络，且循环自相关特性好。Chu序列的具体形式如下：

其中，exp(·)为以自然对数为底的指数函数，N为有效子载波个数，M为N互质的正整数，k_i为子载波编号。

在实施例中，校准天线得到预留子载波上的频域信号的具体实现步骤如下：

因为我们只需要得到预留子载波上的频域信号，所以，可以不进行完整的N_FFT点的FFT变换。对于第k_i个子载波上的频域信号，我们可以通过下式得到：

x_{f} [k_{i}] = Σ_{n = 0}^{N_{FFT} - 1} x_{t} [n] \cdot \exp (- j \cdot 2 π k_{i} n / N_{FFT})

其中，x_f[k_i]为第k_i个子载波上的频域信号，x_t[n]为当前OFDM符号的第n个时域信号。

在实施例中，校准天线对接收信号进行粗同步的具体实现步骤如下：

每根天线上的数据帧结构如图2所示。每一个数据帧的初始符号有一个已知的导频OFDM符号，后面跟有I个数据OFDM符号。每根天线的导频OFDM符号各不相同。校准天线在接收到信号之后，先用已知的某根天线的导频OFDM符号和接收信号作卷积，然后取出绝对值最大的点，其所在点即为当前天线的一个数据帧的起始点。这样，粗同步模块就得到了每个数据帧的起始点。

在实施例中，校准天线初步估计相噪平均值的具体实现步骤如下：

首先，假设校准天线在预留子载波上，也就是第k₁，...，k_n个子载波上的信号模型为y[k₁]，...，y[k_n]。则在第k₁，...，k_n个子载波上，估计出的信道矩阵为H[k₁]，...，H[k_n]，则在第k_i个子载波上的信号模型为：

y[k_i]＝h[k_i]·e^jθ·x[k_i]+n[k_i]+ICI[k_i]，i＝1，...，n

其中，y[k_i]为第k_i个子载波上的接收信号，h[k_i]为第i根天线发送天线到校准天线的等效信道，θ为相噪引起的OFDM符号内所有子载波上的相位偏转，x[k_i]为发送信号，n[k_i]为的高斯白噪声，ICI[k_i]为相噪引起的OFDM符号内其它子载波对第k_i个子载波的载波间干扰。

下面需要根据这n个接收信号，通过最小二乘法初步估计相噪引起的相位偏转θ，也就是相噪在当前OFDM符号内的平均值。为了降低估计算法的复杂度，我们对e^jθ，而不是θ，进行最小二乘拟合。具体地说，就是估计下式中的参数a：

y[k]＝a·x[k]

使得如下均方误差达到最小：

E = Σ_{i = 1}^{n} {(y [k_{i}] - a \cdot x [k_{i}])}^{2}

通过计算，我们可以得到参数a的表达式如下：

a = \frac{Σ_{i = 1}^{n} x^{*} [k_{i}] \cdot y [k_{i}]}{Σ_{i = 1}^{n} x^{*} [k_{i}] \cdot x [k_{i}]}

综上所述，我们可以在校准天线上初步估计出相噪引起的OFDM符号内所有子载波上的公共相位偏转。

在实施例中，校准天线上的低通滤波器的具体实现步骤如下：

我们可以用简单的一阶低通滤波器加NCO的组合来构成相噪跟踪环路中的低通滤波器。一阶低通滤波器的示意图如图3所示。NCO是一个积分器。

为了进一步说明本发明实施例的具体实现步骤，我们将上述步骤中的各个参数具体化为如下：

每个数据帧有数据OFDM符号个数I＝64。

IFFT变换点数N_FFT＝256，有效子载波数为N＝168。

Chu序列的参数M可以为1，5，11，13，17等与N＝168互质的正整数。

对于第1根发送天线，共有n＝5个预留子载波，第{k₁，k₂，k₃，k₄，k₅}＝{1，6，11，16，21}个子载波。其余天线的可以预留子载波可以类似地任意取定。

以上所述仅为本发明的各个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多天线正交频分复用系统中的相位噪声纠正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(3)所述每根发送天线对所述角度偏转的所有频域信号中携带的频域数据进行IFFT变换，然后上采样，再发送到发送端的校准天线上；

步骤(4)所述校准天线对所收到的接收信号进行下采样、粗同步并得到预留子载波上的信号；

步骤(5)所述校准天线对发送天线在每个当前OFDM符号上的所述预留子载波上的设定信号和步骤(4)校准天线的预留子载波上的所述频域信号进行最小二乘运算，得到相位噪声平均值的初估计值；

2.根据权利要求1所述的一种多天线正交频分复用系统中的相位噪声纠正方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，不同发送天线的预留子载波的位置是不相同的。