CN101902415A - Mu-mimo ofdma的频率偏移和信道响应的同时估计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MU-MIMO OFDMA的频率偏移和信道响应的同时估计方法和装置。提供了通信系统的频率偏移和信道响应的同时估计方法和装置，所述通信系统例如是MU-MIMO通信系统。提供了一种用于为多个频率资源估计频率偏移和信道响应的迭代方法。为共享频率资源中给定的一个频率资源的一组用户估计信道响应。此外，为该组中的用户估计频率偏移，其中不在该组中的用户的信道响应和频率偏移保持在其最近更新的数值。初始地，用户的信道响应可以是理想的信道响应并且频率偏移可以约为零。

Description

MU-MIMO OFDMA的频率偏移和信道响应的同时估计方法和装置

技术领域

本发明涉及频率偏移和信道响应估计，并且更具体地，涉及具有通用载波分配方案(CAS)的多用户多输入多输出(MU-MIMO)通信环境，例如长期演进通信系统。 

背景技术

正交频分多址接入(OFDMA)技术是多址宽带接入技术的重要部分。长期演进(第四代移动通信标准)，在上行链路上采用单载波频分多址接入(SC-FDMA)，其是一种具有与OFDMA系统类似的性能和基本上相同的总体结构的新的单载波多址接入技术，但是其具有更好的峰值-振幅功率比。当结合MU-MIMO技术时，SC-FDMA能在具有非常好的谱效率和适度的复杂性之下提供非常高的数据速率。 

虽然OFDMA易化了信道估计和均衡任务，但是时间和频率同步的严格要求成为重要的问题。通过循环前缀(CP)的插入能高度简化时间同步。发送机和接收机之间的频率偏移破坏了子载波之间的正交性，因此产生了会强烈地降低其性能的载波间干扰(ICI)，并且ICI没有直接的解决方案。 

已提出和建议了多种技术用于估计和纠正上行链路的频率偏移。例如，Michele Morelli等，“Synchronization Techniques for Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access(OFDMA)：A Tutorial Review”，Proc.ofIEEE，Vol.95，No.7(2007年7月)，描述了基于时域空间交替广义期望最大化(TD-SAGE)的迭代算法。虽然有效，但是所公开的时域方法没有利用不同用户的频率分离、或者多数信道估计方法是在频域上实现的事实的优点。 

存在两个方面使得上行链路频率偏移估计及纠正任务显著地复杂化。第一，载波分配方案(CAS)在最大化信道容量中起着重要作用，因为基于影响每个用户的不同信道条件在不同用户间自由地分布可用子载波的灵活性，提供了“多用户分集”的形式。通用CAS允许接近非限制的载波分配过程，该过程提供最 大的分集增益但是也使频率偏移估计复杂化。此外，在上行链路中，每个接入基站的移动用户将受到不同数量的频率偏移的影响。 

因此，存在用于MU-MIMO OFDMA通信系统的频率偏移和信道响应的同时估计方法和装置的需求。 

发明内容

概括地，提供了通信系统的频率偏移和信道响应的同时估计方法和装置，该通信系统例如是MU-MIMO通信系统。根据发明的一个方面，提供了用于估计多个频率资源的频率偏移和信道响应的迭代方法。为共享频率资源中给定的一个频率资源的一组用户估计信道响应。此外，为该组中的用户估计频率偏移，其中，不在该组中的用户的信道响应和频率偏移被保持在其最近更新的数值。初始地，用户的信道响应可以是理想的信道响应并且频率偏移可以约为零。 

可选地，当满足预定阈值时或者当达到迭代的预定次数时停止迭代。可选地，为第一天线确定频率偏移，并且然后将所确定的频率偏移用于至少一个额外的天线。可选地，同时执行估计信道响应和估计频率偏移的步骤。在一个示例性的实施例中，所公开的方法在频域中采用空间交替广义期望最大化(SAGE)算法。 

通过参考以下详细描述和附图，将获得对于本发明以及本发明进一步的特征和优点的更加完整的理解。 

附图说明

图1描述了本发明可以在其中操作的示例性的通信环境； 

图2描述了示例性的通用载波分配方案； 

图3为描述引入本发明特征的频率偏移和信道响应估计过程的示例性的实现的流程图； 

图4描述了频率误差指数的FFT，f(r，ε_m，f)；以及 

图5描述了由这一效果强加的信噪比(SNR)限制，该限制为抵消项的数目的函数。 

具体实施方式

本发明通过在频域中的空间交替广义期望最大化(SAGE)算法，提供了用于示例性的MU-MIMO OFDMA上行链路的频率偏移和信道响应的同时估计，其中，该上行链路具有通用载波分配方案。本发明承认频率偏移纠正技术需要信道响应的认知，并且反之亦然。因此，提供了频率偏移和信道响应的同时估计的有效方法。使用由各用户在上行链路帧中周期性地发送的训练块来获取信道和频率估计。 

结合图3进一步讨论，示例性的算法由迭代和循环组成。迭代包括多个循环。在每个循环中，对于共享相同频率资源(MU-MIMO)的一组用户的信道响应进行估计(和更新)，保持其他用户的信道和频率偏移处于它们最近更新的数值。然后假定信道和频率偏移的最近估计用于所有其他用户，来为该组中这些用户中的每一个用户估计频率偏移。在第一次的迭代中，算法采用先前计算的估计作为旧用户的起点，并且新用户具有理想的信道响应并且没有频率误差。当达到被编程的更新次数时停止迭代。通常地，在MU-MIMO情形下，可仅为一个接收天线估计频率误差，并且然后那个估计可用于其它激活的天线。 

图1描述了本发明可以在其中操作的示例性的通信环境100。如图1所示，示例性的通信环境100是具有通用载波分配方案的MU-MIMO OFDMA上行链路。进一步的变型中，发明可用于SC-FDMA系统，还有其他MIMO方式，例如单用户(SU)MIMO，这对本领域技术人员将是显然的。示例性的通信环境100包括基站110和多个用户设备(UE)装置120-1到120-N_UE。基站110具有多个接收天线130-1到130-N_RX。注意到在以下的数学描述中天线的数目也用A表示。通常地，如图1所示，每个UE 120使用对应的载波分配(CA)、频率误差ε、以及通过特定的信道响应H，来发送。其中，H对于每个发送机/接收机天线对是不同的。 

图2描述了示例性的通用载波分配方案200。在图2的示例性的方案200中，十个用户(每个具有不同的填充图案)共享四个空间维度，M1到M4，以及十个频带，F1到F10。因此，如图2中所示，多个用户可以共享相同的频率信道。对于每个用户，频率误差ε可以不同。此外，如图2中所示，如果给一个给定的用户分配多个频带，它们可以不是连续的。 

假设

注意到示出的实际值仅仅为LTE的典型配置的示例。已分配的频带有F 个，f＝0...F-1。 

每个频带有M_f个用户，0≤m≤M_f-1。可以达到四个用户每频带分配，M_f≤4。 

S_m，f(n)为用户m和带f的子载波。不同的已分配的频带应该没有重叠。 

快速傅立叶变换(FFT)大小，N，其中N典型地等于1024。 

有A个接收天线，a＝0...A-1. 

公式

接收天线a处的信号由以下给出： 

$r^a\left(k\right)=\underset{f=0}{\overset{F-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M_f-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}{\mathrm{\ϵ}}_{m,f}k}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{m,f}\left(l\right)s_{m,f}(k-l)+w\left(k\right)$

其中ε_m，f为用户m的归一化到子载波间隔的带f的频率误差，L为所有用户的最大信道长度并且s_m，f为S_m，f的IFFT。 

在频域，提取循环前缀和FFT之后，对于每个子载波n： 

$R^a\left(n\right)=\underset{f=0}{\overset{F-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M_f-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(r,{\mathrm{\ϵ}}_{m,k})H_{m,f}\left({(n-r)}_N\right)S_{m,f}\left({(n-r)}_N\right)+W\left(n\right)$

其中 

为频率误差指数 

的FFT，(.)_N表示模N索引。 

抵消的ICI项数可以限制到±N_ICI。假设在带的两端有频率保护带，然后典型地不需要执行循环卷积并且可以丢弃下标N，如下： 

$R^a\left(n\right)=\underset{f=0}{\overset{F-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M_f-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=-N_{\mathrm{ICI}}}{\overset{N_{\mathrm{ICI}}}{\mathrm{\Σ}}}{f(r,{\mathrm{\ϵ}}_{m,f})H}_{m,f}(n-r)S_{m,f}(n-r)+W\left(n\right)$

图3为描述引入本发明特征的频率偏移和信道响应估计过程300的示例性的实现的流程图。通常地，频率偏移和信道响应估计过程300为所有用户一起估计ε_m，f和H_m，f。典型地，频率偏移和信道响应估计过程300由图1中的基站110的处理器实现。 

如图3中所示，频率偏移和信道响应估计过程300采用计数器j来跟踪迭代的次数、采用计数器f来跟踪已分配的频带以及采用计数器m来跟踪给定频带中的用户。 

在每个时隙，在步骤310中训练块到达时，例如解调参考信号(DMRS)， 

1.对于天线a＝0，执行以下算法的j＝0...J-1次迭代： 

a.对于所有已分配的频带fi＝0..F-1 

i.为n个生成的频带的所有子载波计算： 

$y^{{\left(j\right)}^a}\mathrm{fi}\left(n\right)=R^a\left(n\right)-\underset{f=0}{\overset{F-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M_f-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=-N_{\mathrm{ICI}}}{\overset{N_{\mathrm{ICI}}}{\mathrm{\Σ}}}f(r,{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{m,f}){\hat{H}}_{m,f}(n-r)S_{m,f}(n-r)+\underset{m=0}{\overset{M_f-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{H}}_{m,\mathrm{fi}}\left(n\right)S_{m,\mathrm{fi}}\left(n\right)$

其中 

为ε_m，f最近的估计值并且 

为H_m，f最近的估计值。还要注意到在第一次迭代中，在步骤315中新用户具有 

和 

对于已分配的频带外的n值， 

ii.使用 

在步骤320中为所有MU-MIMO用户估计这个带的信道响应 然后在步骤330中为所有MU-MIMO用户更新信道响应 

iii.对于mi＝0...M_f-1，为n个生成的这一频带的所有子载波以及每个相邻带的N_ICI个子载波计算： 

其中 为ε_m，f最近的估计值并且 

为H_m，f最近的估计值。在步骤340中，搜索使以下表达式最大化的 

的值。 

$c\left({\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{mi},\mathrm{fi}}\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{Re}\{x^{{\left(j\right)}^a}\mathrm{fi},\mathrm{mi}\left(n\right)\underset{r=-N_{\mathrm{ICI}}}{\overset{N_{\mathrm{ICI}}}{\mathrm{\Σ}}}f(r,{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{\mathrm{mi},\mathrm{fi}}){\hat{H}}_{\mathrm{mi},\mathrm{fi}}(n-r)S_{\mathrm{mi},\mathrm{fi}}(n-r)\}$

然后在步骤350中为所有用户更新频率偏移。对于天线a＝1..A-1，使用来自天线a＝0的频率误差估计并且估计信道响应。 

图4描述了f(r，ε_m，f)，频率误差指数的FFT，以及图5描述了由这一影响强加的信噪比(SNR)限制，为f(r，ε_m，f)中抵消项的数目的函数。如图4和5中所示，典型地，足够抵消小的数量的贡献。例如，因为SNR限制在23.6dB周围，所以在每个载波的每侧抵消11项可以是满足需要的。这意味着仅仅需要抵消来自相同块的其它子载波以及相邻块的子载波的干扰。 

结论

虽然已经围绕数字逻辑块描述了本发明的示例性的实施例，但是正如对于本领域技术人员将是显然的，可以通过在如软件程序中的处理步骤的数字域中、在电路单元或状态机的硬件中、或者在软件和硬件的结合中实现各种功能。这样的软件可以用于，例如，数字信号处理器、微控制器、或者通用计算机。这 样的硬件和软件可以包含在由集成电路实现的电路中。 

因此，本发明的功能可以由方法以及实践那些方法的装置的形式来实现。本发明的一个或更多个方面可以通过程序代码的形式实现，例如，是否存储在存储媒介中、加载到和/或由机器执行、或在一些传输媒介上传输，其中，当程序代码加载到机器(如计算机)中并由机器执行时，该机器成为实践本发明的装置。当在通用处理器上实现时，程序代码段结合处理器从而提供执行类似于特定逻辑电路的操作的设备。 

应当理解这里示出的和描述的实施例和变型仅仅是本发明的原理的描述，并且本领域技术人员可以实现各种改变，而不脱离本发明的范围和精神。 

Claims (10)

1.一种用于为多个频率资源估计频率偏移和信道响应的迭代方法，包括以下步骤：

为共享所述频率资源中给定的一个频率资源的一组用户估计信道响应；并且

为所述组中的所述用户估计频率偏移，其中不在所述组中的用户的信道响应和频率偏移保持在其最近更新的数值。

2.如权利要求1所述的方法，其中用户的信道响应最初为理想的信道响应。

3.如权利要求1所述的方法，其中用户的频率偏移最初大约为零。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述的频率资源由MU-MIMO通信系统提供。

5.如权利要求1所述的方法，其中当满足预定阈值和当达到预定数目的迭代这两者中的一个或更多个时所述迭代停止。

6.如权利要求1所述的方法，其中为第一天线确定所述频率偏移并且所述被确定的频率偏移用于至少一个额外的天线。

7.如权利要求1所述的方法，其中基本上同时执行所述估计信道响应和估计频率偏移的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述方法在频域中采用空间交替广义期望最大化SAGE算法。

9.一种用于为多个频率资源估计频率偏移和信道响应的系统，包括：

存储器；以及

至少一个处理器，耦合到所述存储器，适用于：

为共享所述频率资源中给定的一个频率资源的一组用户估计信道响应；并且

为所述组中的所述用户估计频率偏移，其中不在所述组中的用户的信道响应和频率偏移保持在其最近更新的数值。

10.如权利要求9所述的系统，其中基本上同时执行所述信道响应和所述频率偏移的所述估计。

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