[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

说明书

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。

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大规模MIMO系统上行链路数据估计方法。

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。

然而，大规模MIMO系统依然面临着很多问题需要解决，其中之一便是相位噪声。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。常见的相位噪声抑制算法往往仅考虑对基站端进行抑制，而实际情况是用户端的相位噪声也不可忽略，因此为了实现更好的通信性能，有必要提出双端相位噪声抑制算法。

发明内容

本发明的目的在于在基站和用户端都有相位噪声存在的情况下，提供一种针对大规模MIMO-OFDM系统上行链路的数据估计和解调方法，提高在恶劣硬件条件下系统的误比特率性能。

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

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，