大规模MIMO信道估计的简化信息几何方法

本发明属于通信，涉及大规模mimo信道估计的简化信息几何方法及相关系统。

背景技术：

1、大规模多输入多输出（multiple-input multiple-ouput ，mimo）与正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing ，ofdm）相结合，可以为通信系统的容量和功率效率提供巨大的收益。作为首选之一，大规模mimo-ofdm已经成为5g系统的关键使能技术，并且随着天线数量规模的进一步增加，将在未来6g系统中发挥关键作用。为了充分获得大规模mimo-ofdm的各种性能增益，准确获取信道状态信息是至关重要的。导频辅助的信道估计是实际系统中常见的信道估计方法，其中发送端定期发送导频，接收端利用接收到的导频信号估计信道信息。给定接收信号，信道估计的任务是获得信道参数的后验信息。在高斯先验下，信道参数的后验分布也是高斯的，其后验信息由后验均值和后验协方差矩阵决定。然而，在大规模mimo-ofdm系统中，大维信道矩阵给后验均值和协方差的获取带来了巨大挑战。由于存在大维矩阵求逆，如最小均方误差估计（minimum mean errorestimation ，mmse）等传统估计方法的计算量通常是实际系统难以承受的。

2、对于贝叶斯推断，信息几何理论通过将后验分布的参数空间视为具有黎曼结构的可微分流形，揭示了参数空间的内在几何结构。随着信息几何理论的发展，如置信传播（belief bropagation，bp）等传统贝叶斯推断方法的几何结构被揭示出来。同时，如凹凸过程（concave-convex procedure，cccp）等优化方法，也被应用于计算后验分布的边缘分布。除了几何观点提供的独特直觉外，信息几何还提供了一个统一的框架，不同的概率密度函数集被赋予了微分几何学的结构，从而可以构建两个参数化分布之间的距离。研究表明这种距离对参数的非奇异变换（non-singular transformation）是不变的。因为该距离是基于fisher信息矩阵建立的，所以从信息几何中得出的结果与估计理论中的基本结果紧密相连，例如著名的cramer-rao界。由于这些特点，将信息几何应用于信道估计问题是合理且恰当的。

技术实现思路

1、技术问题：针对现有技术的不足，本发明公开了一种大规模mimo信道估计的简化信息几何方法，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计算复杂度。

2、技术方案：为了达到上述目的，本发明提供的一种大规模mimo信道估计的简化信息几何方法技术方案如下：

3、步骤1，基站侧/用户终端通过接收到的上行/下行导频信号以及信道的先验统计信息，利用简化信息几何方法获取信道的后验统计信息，包括后验均值和后验方差；

4、步骤2，根据多重波束基信道表征模型、信道的先验统计信息以及信道噪声方差计算虚拟信道噪声方差用于迭代；

5、步骤3，根据信道的后验分布构造目标流形和辅助流形，将所有辅助流形中的分布的自然参数设为公共自然参数；

6、步骤4，迭代计算辅助流形中的分布在目标流形中的m-投影，并根据m-投影更新辅助流形中分布的公共自然参数；

7、步骤5，根据辅助流形中分布的公共自然参数计算目标流形中分布的自然参数，并以目标流形中分布的均值和方差作为信道估计的后验均值和后验方差。

8、所述多重波束基信道表征模型中，空间频率域信道矩阵由空频波束域信道矩阵左乘采样空间舵矢量矩阵并右乘采样频率舵矢量矩阵的转置矩阵后得到，空频波束域信道各元素是统计独立的；对于基站侧，利用采样空间舵矢量矩阵和采样频率舵矢量矩阵将空频波束域信道的后验均值和后验方差转换为空间频率域信道的后验均值和后验方差；对于用户终端侧，将各自的空频波束域信道的后验统计信息反馈给基站，基站侧利用采样空间舵矢量矩阵和采样频率舵矢量矩阵将所获得的空频波束域信道的后验均值和后验方差转换为空间频率域信道的后验均值和后验方差。

9、所述虚拟信道噪声方差由多重波束基信道表征模型、信道的先验统计信息以及信道噪声方差确定，其具体计算公式为： ，其中，为虚拟信道噪声方差，为信道噪声方差，tr{·}表示求矩阵的迹，d为m维实对角矩阵，其对角元素为信道的先验方差，m为信道估计中待估计量的个数，n为信道估计中观测量的个数，m和n为大于零的整数，im×m为m维单位矩阵，(·)-1表示求矩阵的逆矩阵。

10、所述目标流形是一类各元素相互独立的高斯分布的集合，辅助流形是一类协方差矩阵为一对角阵与秩为1矩阵之和的逆矩阵的高斯分布的集合；目标流形以及辅助流形中的分布由其自然参数唯一确定，自然参数包含一阶自然参数以及二阶自然参数；m-投影通过最小化辅助流形中的分布与目标流形之间的库尔贝克—莱布勒散度k-l(kullback-leibler divergence)得到。

11、所述的所有辅助流形中的分布的自然参数都相等，称此自然参数为所有辅助流形中分布的公共自然参数，简称为公共自然参数，称公共自然参数中的一阶以及二阶自然参数为一阶公共自然参数以及二阶公共自然参数。

12、所述目标流形，其中分布的均值及协方差矩阵通过其自然参数表示，其中协方差矩阵为对角阵，其对角元为方差；所述辅助流形，其中分布的均值及协方差矩阵通过公共自然参数表示；其中目标流形中分布的协方差矩阵表示为先验方差的逆与二阶自然参数构成的对角矩阵之差的逆矩阵，均值通过协方差与一阶自然参数的乘积表示；辅助流形中的分布的协方差表示为先验方差的逆与二阶公共自然参数构成的对角矩阵之差再与秩为1矩阵之和的逆矩阵，其中秩为1矩阵由感知矩阵中相应行与虚拟信道噪声方差表示，均值通过协方差矩阵与一阶公共自然参数结合感知矩阵中相应行、接收导频信号矢量相应元素以及虚拟信道噪声方差组成矢量的乘积表示。

13、所述利用简化信息几何方法获取信道的后验均值和后验方差的步骤包括：

14、步骤1.1，根据多重波束基信道表征模型、信道的先验统计信息以及信道噪声方差计算虚拟信道噪声方差，建立大规模mimo信道的目标流形以及辅助流形；

15、步骤1.2，初始化辅助流形中分布的公共自然参数；

16、步骤1.3，根据辅助流形中分布的自然参数、接收到的导频信号以及信道的先验统计信息计算辅助流形中的分布在目标流形中的m-投影；

17、步骤1.4，根据m-投影更新辅助流形中分布的公共自然参数；重复步骤1.3-1.4直至预设迭代次数或辅助流形中分布的公共自然参数收敛；根据辅助流形中分布的公共自然参数计算目标流形中分布的自然参数，以目标流形中分布的均值和方差作为信道估计的后验均值和后验方差。

18、所述基站用于：通过接收到的上行导频信号以及信道的先验统计信息，利用简化信息几何方法获取各个用户终端的后验统计信息；所述简化信息几何方法根据多重波束基信道表征模型、信道的先验统计信息以及信道噪声方差计算虚拟信道噪声方差用于迭代；根据信道的后验分布构造目标流形和辅助流形，将所有辅助流形中的分布的自然参数设为公共自然参数；迭代计算辅助流形中的分布在目标流形中的m-投影，并根据m-投影更新辅助流形中分布的公共自然参数，最后根据辅助流形中分布的公共自然参数计算目标流形中分布的自然参数，并以目标流形中分布的均值和方差作为信道估计的后验均值和后验方差。

19、所述的用户终端有多个，通过接收到的下行导频信号以及信道的先验统计信息，利用简化信息几何方法以及信道预测方法获取各自信道的后验统计信息并反馈给基站；所述简化信息几何方法根据多重波束基信道表征模型、信道的先验统计信息以及信道噪声方差计算虚拟信道噪声方差用于迭代；根据信道的后验分布构造目标流形和辅助流形，将所有辅助流形中的分布的自然参数设为公共自然参数；迭代计算辅助流形中的分布在目标流形中的m-投影，并根据m-投影更新辅助流形中分布的公共自然参数，最后根据辅助流形中分布的公共自然参数计算目标流形中分布的自然参数，并以目标流形中分布的均值和方差作为信道估计的后验均值和后验方差。

20、所述的简化信息几何方法的迭代过程可以通过快速傅里叶变换fft实现。

21、有益效果：与现有技术相比，本发明提出的大规模mimo信道估计的简化信息几何方法能够在保证信道估计准确度的前提下，以较低的计算复杂度和导频开销获得信道的后验均值和后验方差。所获得的后验均值和后验方差可以进一步应用于鲁棒预编码以及鲁棒检测中，提升系统性能，从而进一步提升系统的整体传输效率。