[发明专利]带有双端相位噪声的大规模MIMO系统上行链路数据估计方法

摘要

本发明属于无线通信技术领域，涉及带有双端相位噪声的大规模MIMO系统上行链路数据估计方法。本发明主要包括：首先在初始阶段，计算相位噪声的公共相位误差，补偿过后对各个天线上的接收信号进行ZF合并，得到数据符号的初始值，然后通过变分贝叶斯算法进行迭代，最后在已知接收信号的条件下数据符号矢量将收敛于一个稳定的值。本发明的有益效果为能够在基站和用户端都有相位噪声存在的条件下实现对大规模MIMO系统上行链路的数据符号估计，显著提高系统的误比特率性能。

主权项

1.带有双端相位噪声的大规模MIMO系统上行链路数据估计方法，设定系统发射端有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其中，是第m根天线上的时域接收信号，N是OFDM子载波的个数，是接收端第m根天线的相位噪声矩阵，是发射端第k个用户的相位噪声矩阵，是第k个用户到接收端第m根天线之间的circulant信道矩阵，它的第1列为其中0_1×(N‑L)表示元素全为0、长度为N‑L的行矢量，F∈C^N×N是归一化的FFT矩阵，它的第i行第j个元素为d_k＝[d_k,1,d_k,2,…,d_k,N]^T是第k个用户发送的数据或者导频序列，是时域的复高斯白噪声序列，可以分解为以下的形式：其中Hm,k＝diag{[Hm,k,1,Hm,k,2,…,Hm,k,N]T}，且把(2)代入(1)得统一把接收端的相位噪声矢量θ_r,m＝[θ_r,m,1,θ_r,m,2,…,θ_r,m,N]^T和发射端的相位噪声矢量θ_t,k＝[θ_t,k,1,θ_t,k,2,…,θ_t,k,N]^T统记为θ＝[θ₁,θ₂,…,θ_N]^T，把和统一记为由于θ_n的值很小，利用近似关系则有p≈1+jθ，其中1表示元素全为1的N维列向量；θ＝[θ1,θ2,…,θN]T为实高斯分布的相位噪声矢量，即θ＝N(0,Φ)；由于θ的协方差矩阵Φ为实对称矩阵，其特征值是实数，用正交矩阵进行相似对角化：Φ＝UΛUT                                       (4)其中Λ＝diag{[λ1,λ2,…,λN]T}是对角矩阵，对角元素为Φ的降序排列的特征值，U是正交矩阵，它的每一列是Λ对应列的特征值的特征向量；通过计算可得，Λ中的对角元只有前若干项的值较大，其它的元素和前若干项相比很小，因此只取前I项来近似，即Φ≈VΓVT                                       (5)Γ＝diag{[λ1,λ2,…,λI]T}是以Λ中前I个特征值为对角元素的对角矩阵，V∈CN×I是由前U的前I列组成的矩阵；对相位噪声矢量θ作线性变换θ＝Ux'≈Vx                                      (6)由高斯分布的性质可知，x＝N(0,Γ)，由于Γ为对角阵，所以x的各个分量之间是相互独立的；将发射端相位噪声矩阵近似为Pt,k＝diag{1+jVxt,k}，接收端相位噪声矩阵近似为Pr,m＝diag{1+jVxr,m}；把接收端天线分成G组，则每组有M/G＝S根天线，每组的S根天线使用同一振荡器，则组内各天线上的相位噪声的值相同，即对于第g(g＝1,2,…,G)组内的天线，有的先验概率密度函数为对于相位噪声存在的情况，频域接收信号的表达式为其中T_r,m＝FP_r,mF^H是一个circulant矩阵，它的第1列为T_r,m(:,1)＝[T_r,m,1,T_r,m,2,…,T_r,m,N]^T，T_t,k＝FP_t,kF^H同理；仅考虑T_r,m和T_t,k中的对角线上的元素，即T_r,m和T_t,k假定为对角矩阵，T_r,m＝T_r,m,1I，T_t,k＝T_t,k,1I，(9)近似为设一个OFDM符号中导频个数为P，且不同用户数据序列中的导频均相同，导频符号分别为导频均匀地插入各个用户的频域发送符号序列d_k中，即考虑到第g(g＝1,2,…,G)组天线上所有的相位噪声的值都相同，那么记记其中表示第s根天线的导频子载波位置所对应的频域接收信号，记则tg＝[Tg,1,Tg,2,…,Tg,K]T可以估计为得到t_g后对其各个元素归一化，保证公共相位误差的模为1；得到公共相位误差后，计算等效的信道频率响应，并用等效的信道频率响应对ZF判决的权重系数进行修正，利用ZF判决的结果得到数据符号的估计值，将这一估计值作为算法迭代的初始值；同时，把(1)可以近似为假定符号序列dk服从如下的先验复高斯分布，且不同用户之间的数据统计意义上是相互独立的p(dk)＝CN(0,I)＝π‑Nexp{‑||dk||2},k＝1,2,…,K                          (13)的先验概率密度函数由(7)给出，则在相位噪声和数据符号都已知的条件下，第m根天线上的接收信号服从如下的复高斯分布则d₁,d₂,…,d_K,x_t,1,x_t,2,…,x_t,K的联合概率密度函数为对(15)取对数，得根据变分贝叶斯推断准则，可利用(16)所示的对数联合概率密度函数对接收端相位噪声展开矢量发射端相位噪声展开矢量x_t,k和数据符号d_k的后验分布依次更新，更新每个变量时，其他变量当作常数处理，可得到各个变量的后验分布表达式；其特征在于，包括以下步骤：S1、在初始阶段，计算相位噪声的公共相位误差，补偿过后对各个天线上的接收信号进行ZF合并，得到数据符号的初始值；S2、采用变分贝叶斯推断算法进行迭代：S21、计算接收端相位噪声展开矢量的后验分布的均值和方差：S22、计算发射端相位噪声展开矢量的后验分布的均值和方差：S23、计算数据符号的后验分布的均值和方差：S24、循环步骤S21—S23，在已知接收信号的条件下，数据符号矢量将收敛于一个稳定的值。