甚高吞吐量無線mimo通信系統中信道估計期間的單流相位跟蹤的制作方法

專利名稱：甚高吞吐量無線mimo通信系統中信道估計期間的單流相位跟蹤的制作方法
甚高吞吐量無線MIMO通信系統中信道估計期間的單流相位跟蹤領域本發明一般涉及通信系統。具體而言，本發明通過使用嵌入在所傳遞幀的前置碼中的導頻頻調進行相位跟蹤的方式促進了無線通信系統中更好的信息通信。背景因特網使用的發展正導致網絡的所有部分中帶寬需求的增加。無線局域網(LAN)區域中已經有這樣的發展。對無線LAN的需求已經經歷了顯著增長。這種需求尤其已經由于用戶在工作中或者在移動聚集場所將筆記本計算機連接至網絡而被推動。增長還已經超越了 PC。類似音樂流送、因特網電話、游戲及家中視頻傳輸這樣的消費者應用也正在為帶寬增長火上燒油。對無線LAN的需求增大已經激勵了技術領域中廣泛的標準開發。已經涌現了諸如電氣工程師協會(IEEE)802. 11標準之類的諸多無線通信標準。IEEE802. 11表示用于距離從幾十米到幾百米的短程通信的無線局域網(WLAN)空中接口標準的集合。一種這樣的WLAN標準是802. lib。該標準規定了使用補碼鍵控(CCK)和/或直接序列擴頻(DSSS)的調制技術的高達IlMbps的原生數據率。與802.1lb同時定義的802.1la標準使用一種被稱之為正交頻分復用(OFDM)的更高效的傳輸方法。802.1la標準使得數據率能高達54Mbps，但是相比于用于802.1lb的2. 4GHz, 802.1Ia標準由于5GHz的不兼容的射頻頻帶而未被廣泛部署。在2003年年中，IEEE批準了 802. llg，其將OFDM調制應用于2. 4GHz頻帶。大多數WLAN客戶機硬件支持802.1la和802.1lg兩者。下一代標準開發是8. 2011η。802.1ln標準提供了指定不同最大速率的各種可選模式。該標準允許制造商調整 能力以供應不同的價格點和性能。802.1ln標準提供高達600Mbs的原生數據率，但是也可構造與802.1ln規范相容的300Mbps速度的設備。802.1ln標準使用更高的最大碼率和更高的帶寬改善了 OFDM實現。它將原生速率從54Mbps改善至65Mbps。此外，該標準的廣為人知的組成之一是多輸入多輸出或即ΜΜ0。MMO利用被稱之為多徑的無線電現象。多徑涉及所傳送的信息從門、墻和其他物體上彈回。這樣的信息通過不同的路徑并且在略有不同的時間分多次抵達接收天線。如果不對其進行控制，多徑使無線性能降級。在802.1 In標準中采用的MMO技術通過空分復用(SDMA)來有用地部署多徑。WLAN發射機設備將數據流拆分成稱之為空間流的多個部分。每個空間流通過分開的天線被傳送至接收機上的相應天線。802.1ln支持至多4個空間流。盡管雙倍或四倍空間流導致原生數據率增加，但是由于每天線對所需的處理增加,成本和功率也往往增加。MMO系統由發射機天線數目乘接收機天線數目來表征。4X4MIM0例如具有發射機上的4根天線和接收機上的4根天線。MIMO性能可通過波束成形和分集來改善。波束成形使無線電信號指向目標天線。這通過限制干擾而改善了射程和性能。分集通過組合比接收一定數目的空間流所需的天線數目更大數目的天線的輸出或選擇這些天線的最佳子集來利用多個天線。多余的天線可被用于例如將多個收到流組合為一個流，從而在更長的射程上操作。可作出類似的折衷從而在固定射程下增加原生數據率。總之，802.1ln標準通過更好的OFDM特性、藉由MMO的空分復用、分集、功率節省方法、信道從20MHz到40MHz的翻倍、開銷的MAC層聚集、以及降低的幀間空間而促進了無線 LAN (WLAN)0在后續的被稱為用于5GHz頻帶下的甚高吞吐量(VHT)的802. 11的標準中，目標RF帶寬高達160MHz并且數據率高達6. 933Gbps。正在部署更高效的信號處理方案來降低噪聲和改善信噪比。傳統上，數據碼元中的導頻頻調已被用于在數據碼元期間執行相位跟蹤，但是對于802.1ln及以上數代，這在MMO信道估計期間是計算成本較高且行不通的。如在802.1ln中為長訓練字段(LTF)所定義的導頻頻調在流與流之間變動，并因此不能被用于準確的相位跟蹤。對于5GHz載波頻率，百萬分之2的漂移折合為IOOKHz的頻率漂移。此頻率漂移在4個碼元的情況下折合為5度的相位旋轉。對于8個碼元，這加倍為10度。在OFDM中，由于信號是在相位中承載的，相位漂移導致較低的信噪比。這種現象使得無線網絡在性能和吞吐量兩者上都降級。概述本發明的實施例涉及使用MIMO無線通信系統的幀的前置碼中的導頻頻調進行相位跟蹤。 在一個實施例中，類似于數據碼元中的導頻頻調，可定義VHT-LTF中的導頻頻調以用于相位跟蹤。不同于數據頻調，在基于導頻頻調的信道估計期間不向導頻頻調應用MIMO訓練映射覆蓋序列矩陣(常被稱為P矩陣)。相反，單流導頻被映射到所有的空時流(STS)0在此實施例中，第一 VHT-LTF中的導頻頻調被用于初始一維信道估計。其他的剩余VHT-LTF中的導頻頻調被用于基于導頻頻調和該初始一維信道估計來估計相位旋轉。所導出和鞏固的信息被用于對數據頻調的MIMO信道估計。在本發明的一個實施例中，公開了一種方法和裝置以在接收端使用所傳送幀的頭部中的訓練字段來估計信道和相位誤差。此信息隨后被應用于數據頻調以改善吞吐量和性倉泛。附圖簡要說明附圖被包括在本說明書中并構成本說明書的一部分。這些附圖解說諸實施例。與本描述一起，附圖起到解釋諸實施例的原理的作用。

圖1是示出家中或小型企業應用中的典型無線LAN網絡的框圖。圖2是解說通過M根發射天線和N根接收天線進行通信的無線發射和接收節點及其組件的框圖。 圖3是在無線通信中使用的物理層匯聚協議(PLCP)幀的示例性幀結構。圖4是基于來自其他節點的所傳送信息使用信道估計矩陣來表征每個節點處的接收的較高層的節點至節點無線通信的框圖。圖5是根據本發明的實施例的在接收端被耦合至快速傅里葉變換(FFT)組件的相位跟蹤和校正塊的硬件框圖。圖6是根據本發明的實施例的OFDM碼元中交錯的導頻頻調和數據頻調的解說。圖7是根據本發明的實施例的各種硬件塊中涉及從導頻頻調提取相位誤差信息并使用該信息來校正數據頻調中的相位旋轉的信號處理的時間線圖。圖8是根據本發明的實施例的在信道估計之前使用前置碼的VHT-LTF中的導頻頻調進行相位跟蹤、估計相位誤差并將其用于校正數據頻調的流程圖表示。具體描述接下來的詳細描述中的一些部分是以規程、邏輯塊、處理以及其它對計算機存儲器內的數據比特的操作的符號表示的形式來給出的。這些描述和表示是數據處理領域中的技術人員用來向該領域其他技術人員最有效地傳達其工作實質的手段。在本申請中，規程、邏輯塊、過程、或類似物被設想為是導向期望結果的自洽的步驟或指令序列。這些步驟是那些需要對物理量進行物理操縱的步驟。通常，盡管并非必然，這些量采取能被存儲、轉移、組合、比較以及以其他方式在計算機系統中被操縱的電或磁信號的形式。然而應謹記，所有這些以及類似術語要與恰適物理量相關聯且僅僅是應用于這些量的便利性標簽。除非另外明確聲明，否則如從以下討論所顯見的，應當領會到貫穿本申請，利用諸如“訪問”、“接收”、“發送” “使用”、“選擇”、“確定”、“歸一化”、“乘以”、“平均”、“監視”、“比較”、“應用”、“更新”、“測量”、“推導”或類似術語的討論是指計算機系統或類似電子計算設備的動作和過程，它們將表示為計算機系統的寄存器和存儲器內的物理(電子)量的數據操縱并變換成類似地表示為計算系統存儲器或寄存器或其他此類信息存儲、傳輸或顯示設備內的物理量的其他數據。本文所描述的各實施例可在駐留在某種形式的計算機可使用介質上、由一個或更多個計算機或其他設備執行的計算機可執行指令(諸如程序模塊)的一般化上下文中討論。一般而言，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構，等等。各程序模塊的功能性可在各實施例中如所期望地被組合或分布。藉由示例而非限定，計算機可使用介質可包括計算機存儲介質和通信介質。計算機存儲介質包括在任何用于存儲諸如計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據之類的信息的方法或技術中 實現的易失性和非易失性、可移動和不可移動介質。計算機存儲介質包括但不限于隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程ROM(EEPR0M)、閃存或其他存儲器技術、壓縮碟ROM (CD-ROM)、數字多用碟(DVD)或其他光學存儲、盒式磁帶、磁帶、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或任何其他可用于存儲期望信息的介質。通信介質可將計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其它數據實施在已調制數據信號中(諸如載波或其它傳輸機制)，且包含任何信息傳遞介質。術語“已調制數據信號”指的是其一個或多個特征以在信號中編碼信息的方式被設定或更改的信號。藉由示例而非限定，通信介質包括諸如有線網絡或直接有線連接之類的有線介質、以及諸如聲學、射頻(RF)、紅外和其他無線介質之類的無線介質。任何上述介質的組合也應被包括在計算機可讀介質的范圍內。圖1100是在家中或企業中部署的典型無線LAN網絡105的框圖。其中，若干用戶由站130表示。站能夠從基站120接收數據和向基站120傳送數據。無線接入點(AP)是基站的一個實施例。基站120有線或無線地與路由器115通信。路由器115具有關于網絡的網絡連通性信息，并且基于源地址和目的地址來接收和轉發分組。路由器具有多個用于連接的端口和通過線纜調制解調器110 (—般通過電線160)連接到因特網的其余部分的單個上行鏈路端口。線纜調制解調器通過位于服務供應商的中央局中的線纜調制解調器終端系統(CMTS)連接至世界范圍的因特網。本發明首要處理站130與基站120之間的無線通信140。新的802.1lVHT標準提議在空中無線且可靠地傳輸高達6. 933Gbps的數據原生速率。圖2是無線傳輸和接收節點綜合體250的框圖。“待傳送的”流S基于有效載荷數據被制備并且在被饋送至編碼器及調制器塊205中之前用前置碼和其他信息進行了編碼。該節點綜合體包括在發射方向上的M根天線220和接收端上的N根天線260以構成MXN的MMO系統。當工作在MMO模式時該節點綜合體在一個實施例中可使用空分復用(SDMA)以與若干接收機通信。SDMA使得在同時被傳送至不同接收機的多個流能共享相同的頻譜。在任何流內，有包含有效載荷數據和前置碼兩者的數據分組。同時的多流傳輸導致更高的帶寬。為了達成同時性，每個數據流被空間地預編碼，并且隨后通過不同發射天線被發射。此空間預編碼和處理由塊210完成。這得到代碼碼元的序列，這些代碼碼元被映射至單個群以產生調制碼元序列。MIMO系統可支持數種調 制方案，包括正交頻分復用。OFDM是擴頻技術。它將數據分布在間隔精確頻率的數個副載波上。該間隔是正交的并使得接收機能恢復數據。可使用任意無線標準(包括802.1lac VHT)來采用此調制技術。OFDM調制器205將調制碼元拆分成數個并行流。在每個副載波集上執行逆FFT以產生時域OFDM碼元。這些OFDM碼元分布在多個數據分組的有效載荷中。在每個數據分組中連同有效載荷一起攜帶前置碼。前置碼包括類似于數據被拆分成并行流的若干碼元。在空間處理之前將前置碼附加至數據有效載荷。使用RF收發機225通過多根天線傳送不同的空間流。所傳送信息在多根天線260處被接收。該信息被饋送至收發機206中以恢復調制在RF載波上的信息。恢復出的信息被提供給接收空間處理器270。在任何空間流上攜帶的數據被恢復。前置碼處理器使用前置碼向OFDM解調器和其他下游處理提供同步信息。OFDM解調器275使用快速傅里葉變換(FFT)將流從時域變換到頻域。頻域包括每副載波的流。信道估計器285接收流并估計信道響應。作為前置碼的一部分，存在導頻頻調，其由于通過無線信道的傳送而產生相移。這是由于接收和傳送端的PLL之間的相對頻率殘留偏移引起的。該相移一般是線性相移。另一種相移是由于相位噪聲而產生的。圖3表示站A300與站B350之間的雙向節點至節點通信。A和B之間的無線信道由信道響應矩陣Hab來數學地建模，而另一方向上的無線信道由矩陣Hba來建模。通過適當的握手及可能的校準，兩個站皆計算校正矩陣Ka和&以實施可靠的高吞吐量無線傳輸。作為解調的一部分，前置碼中的導頻頻調經歷特殊處理。圖4是可能的物理層匯聚協議(PLCP)巾貞400的示例性表示。該巾貞包括被打包為OFDM碼元的有效載荷數據、以及前置碼信息。前置碼信息的一部分是被歸類為用于傳統型訓練序列的“L”型訓練序列和歸類為用于專門為新開發的標準新定義的訓練序列的“VHT”型訓練序列。一個此類訓練字段是VHT-LTF (甚高吞吐量長訓練字段)410。在MXN的MMO系統中，前置碼將具有N個VHT-LTF。這些碼元像數據碼元一樣包括導頻頻調(預定義數據)和數據頻調的位置上的已知訓練序列的混合。如先前描述的，作為“待調制的”碼元的形成的一部分，OFDM發射處理器將前置碼預先附加在分組數據的前面。在直到802.1ln的無線標準中，LTF中的導頻頻調是針對多重空時預定義的，但是在對應于1、2、…直至L的跨LTF改變的LTF流(STS)之間是變化的，其中L是STS的數目。這種在時域和空域上的變動排除了使用LTF中的導頻頻調進行相位估計和校正的可能性。作為本發明的一個實施例，提議嵌入在VHT-LTF中的導頻頻調對于諸空時流是相同的。作為示例性實施例，用R矩陣(接收信號矩陣)來替代P矩陣(MMO訓練覆蓋矩陣)，其中R矩陣的所有行等于P矩陣的第I行。為了避免無意的發射波束成形，在應用每流的循環移位延遲之前進行VHT-LTF的導頻頻調的R映射之后，仍然對所有的流應用每流的循環移位延遲(CSD)。這種不變性被本發明用于從第一 VHT-LTF預測一維信道估計。其他VHT-LTF被用于執行相位估計，并且導出的信息被立即應用于校正數據頻調上的收到LTF的相位。最后，所有VHT-LTF得到相位校正。該相位誤差信息被充分鞏固地得到并被應用于數據碼元中的數據頻調以用于校正。此信息還被用作用于數據頻調上的信道估計和矩陣HAB/HBA確定的一個信息集。在圖2中，在接收側，這通過OFDM解調器275和接收空間處理器270之間所增添的塊(本文稱之為相位跟蹤器塊280)來示出。在經由接收空間處理器270從接收收發機265接收信息之后，相位跟蹤器塊280連同解調器275執行信道估計285，信道估計285被饋送至下游的接收處理295。相位跟蹤器塊500的硬件組件在圖5中示出。收到時域流550通過快速傅里葉變換處理器502被變換至頻域。經后處理的導頻頻調信息被饋送至相位跟蹤器501。相位跟蹤器在第一 VHT-LTF期間被禁用，然后被啟用直至接收到最后一個VHT-LTF。在不使用P矩陣(訓練覆蓋序列矩陣)的情況下執行信道估計，使用VHT-LTF中的導頻頻調生成并鞏固相位校正信息。在552上傳達的估計相位被乘以(505)數據頻調流552以饋送至信道估計塊504中。在555上生成數據信道估計信息以傳達給下游接收處理。由于對數據碼元增加的相位校正，信道估計傾向于更加準確和更少誤差。此類估計信息當在此節點和多個其他節點上通過握手和校準而使用時改善了總體無線網絡性能。圖6解說了導頻頻調601和數據頻調602在OFDM碼元中的混合。相位估計信息被立即應用于所有數據頻調以進行 校正。假設OFDM系統是L維的并且包括長訓練字段I到L。在第一 VHT-LTF期間，所嵌入的導頻頻調被用于以一維(單個流)方式估計導頻通信信道。在快速傅里葉變換之后，頻域中的接收信號被數學地建模為
MrnJ(k) = exp(用)-s(k)·^hnm(k)pmJ (式 I)
ηι=\在式I中，k是特定OFDM碼元中的頻調的索引，I是該OFDM碼元的索引。該MIMO系統是MXN維的，意味著發射機具有M根天線以及接收機具有N根天線，其中相應索引分別為m和η。索引m的范圍是從I到Μ，以及索引η的范圍是從I到N。對于第m發射機和第η接收機，信道響應被數學地表示為對應頻調k的hn，m(k)。s(k)是在第k個數據頻調上的信道訓練序列，而91是對應第I個碼元的相位旋轉。Pnu是在第m根發射天線和第I個OFDM碼元上的MMO訓練覆蓋序列。定義為P= [PnJ的P是整個MMO訓練覆蓋序列。結果方面，x (k)表示第η根接收天線在第I個OFDM碼元的第k個頻調上的收到樣本。相應地，R1GO = QriaGOr2aGO AriuQO]是整個接收信號向量。在本發明的一個實施例中，為了在VHT-LTF期間跟蹤相位，在導頻頻調上不使用MIMO訓練覆蓋序列Pm,1。相應地，從式1推導得到，接收導頻頻調在FFT之后可通過下式建模
權利要求
1.一種用于無線通信系統的相位跟蹤接收方法，所述方法包括 從無線幀的頭部訪問第一信息集以用于估計信道特性集； 從所述無線幀的所述頭部訪問第二信息集； 使用所述信道特性集和所述第二信息集來估計相位誤差；以及向所述無線幀的多個數據頻調應用基于所述相位誤差的校正以生成多個經校正的數據頻調用于下游處理。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述下游處理包括使用所述多個經校正的數據頻調來計算對應多個接收天線和發射天線的信道估計。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述幀的頭部還包括所述幀的前置碼。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第二信息集包括所述幀的所述前置碼的訓練字段中的多個導頻頻調。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道特性集的估計包括根據下式的一維信道估計
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位誤差的估計包括根據下式使用所述一維信道估計和多個導頻頻調
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，針對相位誤差為所述數據頻調進行的相位校正根據下式發生
8.一種用于無線通信系統的相位跟蹤傳輸方法，所述方法包括 編制傳輸數據流； 將來自所編制的傳輸數據流的頭部和有效載荷分布到多個并行空間流中，其中一組相同信息被映射至所述多個并行空間流中的所述頭部以用于在接收端估計信道特性集和相位誤差；以及 使用多個射頻收發機來發射所述多個并行空間流。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，被映射到所述頭部的該組相同信息包括為所述多個并行空間流映射單個流的導頻頻調。
10.一種無線通信裝置，包括 操作用于接收和發射信號的多根天線，其中所述信號被劃分到頻槽中； 耦合至所述天線的發射鏈；以及 耦合至所述天線的接收鏈，其中所述接收鏈包括用于從無線幀的頭部訪問第一信息集以確定信道特性集和用于從所述無線幀的所述頭部訪問第二信息集的電路； 用于使用所述信道特性集和所述第二信息集來估計相位誤差的電路；以及 用于向所述無線幀的多個數據頻調應用基于所述相位誤差的校正以生成多個經校正的數據頻調用于下游處理的電路。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述下游處理包括使用所述多個經校正的數據頻調來計算對應多個接收天線和發射天線的信道估計。
12.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述信道特性集的估計包括根據下式的一維信道估計
13.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述相位誤差的估計包括根據下式使用所述一維信道估計和多個導頻頻調
14.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，針對相位誤差為所述數據頻調進行的相位校正根據下式發生
15.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述發射鏈還包括 用于編制傳輸數據流的電路； 用于將來自所編制的傳輸數據流的頭部和有效載荷分布到多個并行空間流中的電路，其中一組相同信息被映射至所述多個并行空間流中的所述頭部以用于在接收端估計信道特性集和相位誤差；以及 用于使用多個射頻收發機來發射所述多個并行空間流的電路。
全文摘要
在多輸入多輸出系統中，無線節點的接收鏈解調功能得到增強以包括相位跟蹤。嵌入在幀的前置碼中的VHT長訓練字段(LTF)被用于相位跟蹤，而不是在數據碼元期間執行相位跟蹤，后者對于甚高吞吐量無線網絡是很麻煩的。在VHT-LTF的傳輸期間添加單流導頻頻調。這在接收側被利用從而能夠使用第一組長訓練字段中的導頻頻調來估計信道。隨后第二組長訓練字段被用于使用所估計信道來估計導頻頻調的相位。如此獲得的相位估計被連續地應用于數據碼元的VHT-LTF中的其他收到數據頻調。由于PLL失配和相位噪聲造成的相位誤差在接收端被降低，從而對于不同百萬分率水平的頻率漂移和偏移得到更佳信噪比。此外，MIMO信道估計更準確，這在該準確的MIMO信道估計數據參與無線節點之間的校準和握手時改善了整體無線網絡。
文檔編號H04L7/00GK103069740SQ201180041150
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月26日 優先權日2010年8月26日
發明者K·史, N·張 申請人:高通股份有限公司