CN109088662A - 一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，所述方法包括：从信道转移函数节点开始初始化与其相关的输入消息；利用因子图中消息传递的规则，计算并更新检测环路各变量节点与函数节点间传递的消息，直至发送符号节点至信道转移函数节点的消息的均值计算完成，从中获取发送符号的后验均值；由此完成检测环路的更新；在此基础上计算并更新信道估计环路中各变量节点与函数节点间传递的消息直至信道频域系数传递至信道转移函数节点的消息计算完成，由此完成信道估计环路的更新，进入新一轮检测环路的更新，直至迭代完成，将发送符号的后验均值作为用户的符号估计进行输出。本发明的方法减少了导频开销并且提高了精确度。

Description

一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法。

背景技术

近年来，在基站部署几十甚至数百根天线的大规模MIMO系统日益受到了关注。理论上已经证实，大规模MIMO系统以数量级的比例减少传输功率，并同时提高频谱效益。由于高数据传输率和能量效益只有在CIR(信道冲激响应)已知的情况下才能达到，大规模MIMO系统遇到的一个重要挑战是估计每对发送-接收链的信道冲激响应。与只有少量天线的传统MIMO系统相比，在大规模MIMO系统中需要估计大量信道。同时，信道估计可用的导频资源受到信道相干时间的限制。因此，导频开销可能是大规模MIMO系统的一个限制因素。因此，具有较少导频开销的低复杂度的接收机对于MIMO系统至关重要。联合估计信道和检测数据符号的迭代接收机可以以更少的导频开销得到更精确的信道估计，因子图和和积算法是迭代数据检测、信道估计、干扰消除和译码的统一架构，因此可以利用因子图进行联合数据检测与信道估计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，该方法基于因子图的数据检测与信道估计的联合实现，相比于传统方法，减少了导频开销并且提高了精确度。

为了实现上述目的，本发明提一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，所述方法包括：从信道转移函数节点开始初始化与其相关的输入消息；利用因子图中消息传递的规则，计算并更新检测环路各变量节点与函数节点间传递的消息，直至发送符号节点至信道转移函数节点的消息的均值计算完成，从中获取发送符号的后验均值；由此完成检测环路的更新；在此基础上计算并更新信道估计环路中各变量节点与函数节点间传递的消息直至信道频域系数传递至信道转移函数节点的消息计算完成，由此完成信道估计环路的更新，在此基础上进入新一轮检测环路的更新，直至迭代完成，将发送符号的后验均值作为用户的符号估计进行输出。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)初始化信道频域系数节点向信道传递函数节点传递的消息、信道时域抽头系数节点向傅里叶变换函数节点传递的消息以及发送符号传递至信道转移函数节点的消息；所述发送符号为用户发送的OFDM符号在子载波上的符号；

步骤2)在第i次迭代中，利用因子图中消息传递的规则，在“检测环路”中计算第i次迭代中信道转移函数节点传递给发送符号的消息以及信道转移函数节点传递给信道频域系数节点的消息，由此计算发送符号到信道转移函数节点的消息的均值，从中获取发送符号的后验均值；

步骤3)利用因子图中消息传递的规则，在“信道估计环路”中计算傅里叶变换节点与信道频域系数节点相互之间传递的消息；计算傅里叶变换节点与信道时域抽头系数节点相互之间传递的消息；由此更新第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向信道传递函数节点f_tmk传递的消息的均值和方差；

步骤4)判断第i次迭代是否满足了迭代停止要求，如果满足了迭代停止条件，则结束迭代并将步骤2)的发送符号的后验均值作为用户的符号估计进行输出；否则，令i加1，返回步骤2)对接收的所有用户的接收信号开始再一次迭代处理。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体为：

所述发送符号x_tnk为第n个用户发送的第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号；其中，0＜n＜N+1、0＜m＜M+1、0＜k＜K+1，N为系统用户数量、M为接收端天线数量、K为子载波数量；

h_mn＝[h_mn1,...,h_mnL]^T为第n个用户到第m根天线之间的信道时域抽头，h_mnl为信道时域抽头系数节点，0＜l＜L+1，L为时域信道抽头数量；

w_mn＝[w_mn1,...,w_mnK]^T为h_mn的傅里叶变换，w_mnk为信道频域系数节点；

f_tmk为信道传递函数节点，g_mnk为傅里叶变换函数节点；

i为迭代计算次数，初始化过程包含对以下参数赋初值：

i＝1

如果x_tnk为导频符号，

如果x_tnk为数据符号，

其中，分别为从信道频域系数节点w_mnk传递至信道转移函数节点f_tmk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差；为从发送符号x_tnk传递至信道转移函数节点f_tmk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差；为从信道时域抽头系数节点h_mnl传递至傅里叶变换函数节点g_mnk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)计算第i次迭代中信道转移函数节点f_tmk传递给发送符号x_tnk的消息以及信道转移函数节点f_tmk传递给信道频域系数节点w_mnk的消息

通过高斯近似的方法得到：

和

采用如下公式计算上述传递消息的均值和均值

其中，为信道加性高斯白噪声的方差，涉及的三个中间变量和为：

步骤2-2)计算发送符号的置信度参数：精度和加权均值

其中，t为时间参量；

步骤2-3)计算第i次迭代发送符号x_tnk到信道转移函数节点f_tmk的消息利用期望传播算法，其均值和方差的计算方法如下：

其中，为发送符号x_tnk的后验概率分布，为发送符号x_tnk的后验均值，为发送符号x_tnk的后验方差。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)计算第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向傅里叶变换函数节点g_mnk传递的消息其中均值和方差的计算方法如下：

步骤3-2)计算第i次迭代傅里叶变换函数节点g_mnk向信道时域抽头系数节点h_mnl传递的消息其均值和方差计算方法如下：

其中，φ_kl为DFT变换矩阵系数。

步骤3-3)计算第i次迭代信道时域抽头系数节点h_mnl向傅里叶变换函数节点g_mnk传递的消息其均值和方差计算方法如下：

其中，和是信道时域抽头系数h_mnl先验概率对应的均值和方差；

步骤3-4)更新第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向信道转移函数节点f_tmk传递的消息其均值和方差计算方法如下：

本发明的优势在于：

与现有技术相比，本发明的方法减少了导频开销并且提高了精确度、减小了复杂度。

附图说明

图1为本发明的多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法的流程图；

图2为本发明的消息传递因子图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方法进行详细说明。

本发明的方法从“信道转移函数节点”开始，首先初始化与其相关的输入消息(本方法中节点间传递的消息都采用高斯近似来简化运算，因此只要初始化各消息相应的均值和方差即可)，之后利用因子图中消息传递的规则，计算更新各变量节点与函数节点间传递的消息。计算并更新检测环路各变量节点与函数节点间传递的消息至直至数据符号节点传递至信道转移函数节点的消息计算完成，检测环路本次迭代完成。在此基础上利用时域信道系数节点的先验概率，计算更新信道估计环路中各变量节点与函数节点间传递的消息至直至信道频域系数传递至信道转移函数节点的消息计算完成，信道估计环路本次迭代完成。

本发明针对多天线OFDM卫星通信系统。系统中有N个独立用户，K个子载波，第n个用户在t时刻的频域发送符号记为x_tn＝[x_tn1,x_tn2,...,x_tnK]^T，x_tnk为第n个用户发送的第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号。接收端是由M个天线组成，第m根的频域信号为y_m＝[y_1m1...y_1mK…y_Tm1…y_TmK]^T，y_tmk为第m个天线阵元t时刻在第k个子载波上的接收信号。

如图1所示，本发明提出了一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，所述方法包括：

步骤1)初始化信道频域系数节点向信道传递函数节点传递的消息、信道时域抽头系数节点向傅里叶变换函数节点传递的消息以及发送符号传递至信道传递函数节点的消息；

当节点间传递的消息均为高斯近似时，所述步骤1)进一步包含：

发送符号x_tnk为第n个用户发送的第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号；

h_mn＝[h_mn1,...,h_mnL]^T为第n个用户到第m根天线之间的信道时域抽头，h_mnl为信道时域抽头系数节点，L为时域信道抽头数量；

w_mn＝[w_mn1,...,w_mnK]^T为h_mn的傅里叶变换，w_mnk为信道频域系数节点；

f_tmk为信道传递函数节点，g_mnk为傅里叶变换函数节点；

i为迭代计算次数，初始化过程包含对以下参数赋初值：

i＝1

如果x_tnk为导频符号，

如果x_tnk为数据符号，

其中，分别为从信道频域系数节点w_mnk传递至信道转移函数节点f_tmk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差；为从发送符号x_tnk传递至信道转移函数节点f_tmk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差；为从信道时域抽头系数节点h_mnl传递至傅里叶变换函数节点g_mnk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差。

步骤2)利用因子图中消息传递(如图2所示)的规则，在“检测环路”中计算第i次迭代中信道转移函数节点传递给发送符号的消息以及信道转移函数节点传递给信道频域系数节点的消息，由此计算发送符号到信道转移函数节点的消息的均值，从中获取发送符号的后验均值；

所述步骤2)进一步包含：

步骤2-1)计算第i次迭代中信道传递函数节点f_tmk传递给发送符号x_tnk的消息以及信道传递函数节点f_tmk传递给w_mnk的消息通过高斯近似的方法得到：

和

采用如下公式计算上述传递消息的均值和方差

其中，为信道加性高斯白噪声的方差，涉及的中间变量为：

步骤2-2)计算各符号的置信度参数：精度和加权均值

其中，t为时间参量；

步骤2-3)计算第i次迭代发送符号x_tnk到信道转移函数节点f_tmk的消息利用期望传播算法，其均值和方差的计算方法如下：

其中，为发送符号x_tnk的后验概率分布，为发送符号x_tnk的后验均值，为发送符号x_tnk的后验方差。

步骤3)利用因子图中消息传递的规则，在“信道估计环路”中计算傅里叶变换节点与信道频域系数节点相互之间传递的消息；计算傅里叶变换节点与信道时域抽头系数节点相互之间传递的消息；由此更新第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向信道传递函数节点f_tmk传递的消息的均值和方差；

所述步骤3)进一步包含：

步骤3-1)计算第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向傅里叶变换函数节点g_mnk传递的消息其中均值和方差的计算方法如下：

步骤3-2)计算第i次迭代傅里叶变换函数节点g_mnk向信道时域抽头系数节点h_mnl传递的消息其均值和方差计算方法如下：

其中，φ_kl为DFT变换矩阵系数。

步骤3-3)计算第i次迭代信道时域抽头系数节点h_mnl向傅里叶变换函数节点g_mnk传递的消息其均值和方差计算方法如下：

其中，和是信道时域抽头系数h_mnl先验概率对应的均值和方差；

步骤3-4)更新第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向信道转移函数节点f_tmk传递的消息其均值和方差计算方法如下：

步骤4)判断第i次迭代是否满足了迭代停止要求，如果满足了迭代停止条件，则结束迭代并将检测环路在最后一次迭代中的符号后验均值作为用户的符号估计进行输出；否则，令i加1，返回步骤2)对接收的所有用户的接收信号开始再一次迭代处理。

总之，本发明提出的方法进一步降低计算复杂度，具有线性计算复杂度且具有良好的数据检测与信道估计性能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，所述方法包括：从信道转移函数节点开始初始化与其相关的输入消息；利用因子图中消息传递的规则，计算并更新检测环路各变量节点与函数节点间传递的消息，直至发送符号节点至信道转移函数节点的消息的均值计算完成，从中获取发送符号的后验均值；由此完成检测环路的更新；在此基础上计算并更新信道估计环路中各变量节点与函数节点间传递的消息直至信道频域系数传递至信道转移函数节点的消息计算完成，由此完成信道估计环路的更新，在此基础上进入新一轮检测环路的更新，直至迭代完成，将发送符号的后验均值作为用户的符号估计进行输出。

2.根据权利要求1所述的多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1)初始化信道频域系数节点向信道传递函数节点传递的消息、信道时域抽头系数节点向傅里叶变换函数节点传递的消息以及发送符号传递至信道转移函数节点的消息；所述发送符号为用户发送的OFDM符号在子载波上的符号；

步骤2)在第i次迭代中，利用因子图中消息传递的规则，在“检测环路”中计算第i次迭代中信道转移函数节点传递给发送符号的消息以及信道转移函数节点传递给信道频域系数节点的消息，由此计算发送符号到信道转移函数节点的消息的均值，从中获取发送符号的后验均值；

步骤3)利用因子图中消息传递的规则，在“信道估计环路”中计算傅里叶变换节点与信道频域系数节点相互之间传递的消息；计算傅里叶变换节点与信道时域抽头系数节点相互之间传递的消息；由此更新第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向信道传递函数节点f_tmk传递的消息的均值和方差；

步骤4)判断第i次迭代是否满足了迭代停止要求，如果满足了迭代停止条件，则结束迭代并将步骤2)的发送符号的后验均值作为用户的符号估计进行输出；否则，令i加1，返回步骤2)对接收的所有用户的接收信号开始再一次迭代处理。

3.根据权利要求2所述的多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

所述发送符号x_tnk为第n个用户发送的第t个OFDM符号在第k个子载波上的符号；其中，0＜n＜N+1、0＜m＜M+1、0＜k＜K+1，N为系统用户数量、M为接收端天线数量、K为子载波数量；

h_mn＝[h_mn1,...,h_mnL]^T为第n个用户到第m根天线之间的信道时域抽头，h_mnl为信道时域抽头系数节点，0＜l＜L+1，L为时域信道抽头数量；

w_mn＝[w_mn1,...,w_mnK]^T为h_mn的傅里叶变换，w_mnk为信道频域系数节点；

f_tmk为信道传递函数节点，g_mnk为傅里叶变换函数节点；

i为迭代计算次数，初始化过程包含对以下参数赋初值：

i＝1

如果x_tnk为导频符号，

如果x_tnk为数据符号，

其中，分别为从信道频域系数节点w_mnk传递至信道转移函数节点f_tmk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差；为从发送符号x_tnk传递至信道转移函数节点f_tmk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差；为从信道时域抽头系数节点h_mnl传递至傅里叶变换函数节点g_mnk的消息在第i-1次迭代时高斯分布的均值和方差。

4.根据权利要求3所述的多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)计算第i次迭代中信道转移函数节点f_tmk传递给发送符号x_tnk的消息以及信道转移函数节点f_tmk传递给信道频域系数节点w_mnk的消息通过高斯近似的方法得到：

和

采用如下公式计算上述传递消息的均值和均值

其中，为信道加性高斯白噪声的方差，涉及的三个中间变量和为：

步骤2-2)计算发送符号的置信度参数：精度和加权均值

其中，t为时间参量；

步骤2-3)计算第i次迭代发送符号x_tnk到信道转移函数节点f_tmk的消息利用期望传播算法，其均值和方差的计算方法如下：

其中，为发送符号x_tnk的后验概率分布，为发送符号x_tnk的后验均值，为发送符号x_tnk的后验方差。

5.根据权利要求4所述的多天线卫星通信系统的信道及发送符号联合估计方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)计算第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向傅里叶变换函数节点g_mnk传递的消息其中均值和方差的计算方法如下：

步骤3-2)计算第i次迭代傅里叶变换函数节点g_mnk向信道时域抽头系数节点h_mnl传递的消息其均值和方差计算方法如下：

其中，φ_kl为DFT变换矩阵系数；

步骤3-3)计算第i次迭代信道时域抽头系数节点h_mnl向傅里叶变换函数节点g_mnk传递的消息其均值和方差计算方法如下：

其中，和是信道时域抽头系数h_mnl先验概率对应的均值和方差；

步骤3-4)更新第i次迭代信道频域系数节点w_mnk向信道转移函数节点f_tmk传递的消息其均值和方差计算方法如下：