一种大规模MIMO信道估计干扰抵消信息几何方法

本发明涉及通信，涉及一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法。

背景技术：

1、信道状态信息(channel state information，csi)的准确获取是获得大规模mimo-ofdm系统各种潜在增益的关键因素。实际系统中，普遍使用导频辅助的信道估计方法。在该种方法中，发送端于特定的时频资源上发送接收端已知的信号，即导频信号；接收端对接收到的导频信号进行处理，估计得到信道状态信息，并通过不同的插值或预测算法来估计导频之间不同子载波或不同时隙的csi。信道估计的任务是在接收端利用接收信号估计出信道参数的后验信息。当信道参数具有高斯先验，其后验分布也为高斯分布，后验信息由后验均值和后验协方差矩阵决定。传统的高斯先验下导频辅助的信道估计方法为最小均方误差(minimum mean square error，mmse)估计算法。在大规模mimo-ofdm系统中，该算法的估计过程涉及大维矩阵求逆和乘法运算。在实际系统中，这些运算的复杂度难以承受。

2、信息几何理论从对统计推断中的不变几何结构的研究中产生，通过现代几何方法来理解和探索信息理论。它将概率分布映射为用参数表示的可微流形，并定义了该流形上的黎曼度量，同时将微分几何工具运用于描述和研究概率分布黎曼空间中的距离、曲率等几何结构。信息几何理论提供了从几何视角来理解信息量、统计模型以及统计推断的方法，特别对于统计推断提供了统一的几何方法框架，并因其直观的几何理解，为问题的深度理解和算法的原理探究和改进提供了帮助。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供了一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，能够获得各用户终端信道的后验信息，在保证估计性能的同时，相比现有类似技术手段可以进一步降低时间复杂度和空间复杂度，有效解决大规模mimo信道估计问题。

2、技术方案：本发明所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，包括如下步骤：

3、(1)基站侧或用户终端根据上行或下行接收导频信号和信道先验信息建立mmse信道估计或信道后验概率分布；

4、(2)将mmse信道估计或信道后验概率分布替换为其等价形式；

5、(3)根据等价后验概率分布进行拆分并添加近似自然参数，建立辅助分布并设置自然参数初值；

6、(4)迭代更新辅助分布自然参数直至收敛或者达到固定次数，将各辅助分布的均值和方差作为信道的后验均值和后验方差。

7、进一步的，步骤(1)中，所述信道先验信息为多重波束基信道表征模型及其先验统计信息，其中，空间频率域信道矩阵由空频波束域信道矩阵左乘采样方向矢量矩阵并右乘采样频率方向矢量矩阵的转置矩阵得到；空频波束域信道矩阵的各元素是统计独立的。

8、进一步的，步骤(1)中，所述基站侧mmse信道估计为多用户联合mmse信道估计。

9、进一步的，步骤(2)中，所述mmse信道估计等价形式公式如下；

10、

11、信道后验分布等价形式公式如下：

12、

13、其中μ为信道估计均值，a为信道估计感知矩阵，h为空频波束域信道，y为接收导频信号，d为空频波束域信道先验方差，为噪声功率，上标h表示矩阵或向量的共轭转置，i为单位阵，⊙表示矩阵的哈达玛积，为概率密度函数归一化因子。

14、进一步的，步骤(3)中，所述辅助分布根据自然参数唯一确定；辅助分布的均值和协方差矩阵同样根据自然参数唯一确定；其中，辅助分布的协方差矩阵的逆矩阵为二阶参数对角矩阵、秩为1矩阵与仅有一行和一列非零元的矩阵之和；m-投影通过最小化辅助分布到目标流形的库尔贝克-莱布勒k-l散度得到；自然参数包括一阶自然参数和二阶自然参数；将辅助分布的集合定义为辅助流形。

15、进一步的，利用块矩阵求逆公式和sherman-morrison公式将辅助分布的协方差矩阵展开。

16、进一步的，辅助流形中，辅助分布的均值及协方差矩阵通过自然参数表示；辅助分布的协方差矩阵表示为二阶参数对角矩阵、秩为1矩阵与仅有一行和一列非零元的矩阵之和的逆矩阵；其中，秩为1矩阵和仅有一行和一列非零元的矩阵由感知矩阵的共轭转置乘以感知矩阵后对应的共轭对称矩阵的相应行和列与噪声方差表示；均值通过协方差矩阵、接收导频信号、一阶参数矢量以及所述感知矩阵对应的共轭对称矩阵的相应行和列表示。

17、进一步的，步骤(4)中，所述迭代更新辅助分布自然参数的步骤包括：

18、(a)计算辅助分布在目标流形上的m-投影对应的分布的参数；

19、(b)根据m-投影对应的分布的参数，更新辅助分布的参数；

20、(c)重复步骤(a)和(b)。

21、进一步的，目标流形中分布的均值及协方差矩阵通过自然参数表示，协方差矩阵和二阶自然参数矩阵为对角阵；其中，协方差矩阵的对角元为方差；目标流形中分布的协方差矩阵表示为负的二阶自然参数对角矩阵的逆矩阵，均值通过协方差矩阵与一阶自然参数的乘积表示。

22、一种大规模mimo信道估计干扰抵消简化信息几何方法，包括如下步骤：

23、①设置迭代次数初始值，初始化空频波束域信道估计均值μt；

24、②计算当前迭代中辅助分布的均值μtemp，即

25、

26、其中，μt为上一次迭代中的均值，./表示矢量与矢量逐元素相除，c＝(c1,…,cn)t，上标t表示矩阵或向量的转置，an为a的第n列，dn为d的第n个对角元；

27、③更新信道估计均值μt+1，即

28、μt+1＝αμtemp+(1-α)μt

29、其中，0<α≤1为阻尼系数；

30、④重复步骤②③直至达到预设迭代次数或信道估计均值收敛，将收敛的估计均值结果作为信道估计的后验均值。

31、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过建立mmse信道估计或信道后验概率分布，并替换为等价信道估计或等价后验概率分布后，进行拆分建立辅助分布并添加近似自然参数，重复迭代更新辅助分布自然参数直到收敛后，将各辅助分布的均值和方差作为信道的后验均值和后验方差，能够以较低的时间复杂度和空间复杂度获得信道的后验均值和后验方差，同时保证信道估计的准确度，有效解决大规模mimo信道估计问题；所获得的信道的后验均值和后验方差能够进一步用于鲁棒预编码和鲁棒检测，提升预编码和检测的准确性，从而提升系统的整体传输效率。

技术特征：

1.一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，步骤(1)中，所述信道先验信息为多重波束基信道表征模型及其先验统计信息，其中，空间频率域信道矩阵由空频波束域信道矩阵左乘采样方向矢量矩阵并右乘采样频率方向矢量矩阵的转置矩阵得到；空频波束域信道矩阵的各元素是统计独立的。

3.根据权利要求1所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基站侧mmse信道估计为多用户联合mmse信道估计。

4.根据权利要求1所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，步骤(2)中，所述mmse信道估计等价形式公式如下；

5.根据权利要求1所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，步骤(3)中，所述辅助分布根据自然参数唯一确定；辅助分布的均值和协方差矩阵同样根据自然参数唯一确定；其中，辅助分布的协方差矩阵的逆矩阵为二阶参数对角矩阵、秩为1矩阵与仅有一行和一列非零元的矩阵之和；m-投影通过最小化辅助分布到目标流形的库尔贝克-莱布勒k-l散度得到；自然参数包括一阶自然参数和二阶自然参数；将辅助分布的集合定义为辅助流形。

6.根据权利要求5所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，利用块矩阵求逆公式和sherman-morrison公式将辅助分布的协方差矩阵展开。

7.根据权利要求5所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，辅助流形中，辅助分布的均值及协方差矩阵通过自然参数表示；辅助分布的协方差矩阵表示为二阶参数对角矩阵、秩为1矩阵与仅有一行和一列非零元的矩阵之和的逆矩阵；其中，秩为1矩阵和仅有一行和一列非零元的矩阵由感知矩阵的共轭转置乘以感知矩阵后对应的共轭对称矩阵的相应行和列与噪声方差表示；均值通过协方差矩阵、接收导频信号、一阶参数矢量以及所述感知矩阵对应的共轭对称矩阵的相应行和列表示。

8.根据权利要求1所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，步骤(4)中，所述迭代更新辅助分布自然参数的步骤包括：

9.根据权利要求8所述的一种大规模mimo信道估计干扰抵消信息几何方法，其特征在于，目标流形中分布的均值及协方差矩阵通过自然参数表示，协方差矩阵和二阶自然参数矩阵为对角阵；其中，协方差矩阵的对角元为方差；目标流形中分布的协方差矩阵表示为负的二阶自然参数对角矩阵的逆矩阵，均值通过协方差矩阵与一阶自然参数的乘积表示。

10.一种大规模mimo信道估计干扰抵消简化信息几何方法。其特征在于，该方法包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种大规模MIMO信道估计干扰抵消信息几何方法，包括如下步骤：(1)基站侧或用户终端根据上行或下行接收导频信号和信道先验信息建立MMSE信道估计或信道后验概率分布；(2)将MMSE信道估计或信道后验概率分布替换为其等价形式；(3)根据等价后验概率分布进行拆分并添加近似自然参数，建立辅助分布并设置自然参数初值；(4)迭代更新辅助分布自然参数直至收敛或者达到固定次数，将各辅助分布的均值和方差作为信道的后验均值和后验方差；本发明能够显著降低信道估计的时间复杂度和空间复杂度，同时保证信道估计的准确度，有效解决大规模MIMO信道估计问题。技术研发人员：卢安安,刘炳言,樊明睿,高西奇受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29