[发明专利]用于大规模MIMO上行链路信道估计和数据解调方法

说明书

本发明属于无线通信技术领域，涉及用于大规模MIMO上行链路信道估计和数据解调方法。本发明主要包括：首先对信道矢量的估计：假定相位噪声为0，作为迭代的初始值，计算信道矢量的后验分布的均值和方差，计算等效发射端相位噪声展开矢量的后验分布的均值和方差，对信道矢量的先验协方差矩阵D进行更新；实现对数据符号的估计，计算等效发射端相位噪声展开矢量的后验分布的均值和方差，计算数据符号的后验分布的均值和方差；在已知接收信号的条件下，信道矢量和数据符号矢量将收敛于一个稳定的值。本发明与传统变分贝叶斯推断算法相比，将信道估计的协方差矩阵的求逆运算转化为对角矩阵的求逆，从而该算法拥有较低的复杂度。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及带有双端相位噪声的用于大规模MIMO上行链路信道估计和数据解调方法。

背景技术

在现代无线通信系统中，大规模MIMO系统由于其较高的频谱效率和能量效率而被广泛认为是下一代移动通信的核心技术，通常情况下，基站拥有几百根天线，可以在同时同频的条件下为数十个用户服务，从而显著提高频谱效率。随着基站天线数的增加，大规模MIMO的天线增益可以使每个用户的发送信号的功率显著降低，从而提高能量效率。

为了充分发挥大规模MIMO系统的优势，信道状态信息需要提前获得，然后在获得信道信息的情况下进行数据的判决和解调，然而，在大规模MIMO系统中进行信道和数据的估计往往是困难的，目前已经存在的一些算法都具有较高的复杂度，尤其是在相位噪声存在的情况下。大规模MIMO通信系统的信号在传输过程中，除了经历信道的衰落以外，还要受到射频器件非线性因素的影响，这两个因素使在接收端系统的性能降低。通信系统中射频前端的非理想部分主要包括相位噪声，IQ幅度相位不平衡，功率放大器非线性失真等，相位噪声，实际上是对频率源频率稳定度的一种表征。通常情况下，频率稳定度分为长期频率稳定度和短期频率稳定度。所谓短期频率稳定度，是指由随机噪声引起的相位起伏或频率起伏。至于因为温度、老化等引起的频率慢漂移，则称之为长期频率稳定度。通常主要考虑的是短期稳定度问题，可以认为相位噪声就是短期频率稳定度，只不过是一个物理现象的两种不同表示方式。对于振荡器，频率稳定度是它在整个规定的时间范围内产生相同频率的一种量度。如果信号频率存在瞬时的变化，不能保持不变，那么信号源就存在着不稳定性，起因就是相位噪声。在大规模MIMO通信系统中，发送端与接收端都需要产生相应的载波以完成相应的射频与基带间的频谱转换。然而产生载波的晶体振荡器与锁相环存在一定的差异性，造成了载波频率与目标频率存在短时的随机差异，进而造成所产生的正弦波信号发生随机相位跳变，表现为相位噪声。对于正交频分的调制方式，相位噪声会产生公共相位误差和载波间干扰，这将严重影响系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于在基站和用户都有相位噪声存在的情况下，提供一种针对大规模MIMO-OFDM系统上行链路的信道估计和数据解调的快速算法，具有较低的复杂度，便于在硬件上实现。

本发明采用了变分贝叶斯推断算法，变分贝叶斯推断算法是一种求解未知随机变量的后验分布的算法，通过不断地迭代，得到样本已知的条件下的隐藏变量的均值与方差。

为了便于本领域内技术人员对本发明技术方案的理解，首先对本发明采用的系统模型进行说明。

考虑带有相位噪声的MIMO OFDM系统上行链路的模型，发射端有K个用户，每个用户有1根天线，接收端基站有M根天线，发射端第k个用户和接收端第m根天线之间的时域信道矢量记为其中L为信道矢量的长度。对于每个OFDM符号，接收端第m根天线的时域信号表达式为