The design of message passing (MP) algorithms on factor graphs is an effective manner to implement channel estimation (CE) in wireless communication systems, which performance can be further improved by exploiting prior probability models that accurately match the channel characteristics. In this work, we study the CE problem in a downlink massive multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. As the prior probability, we propose the Markov chain two-state Gaussian mixture with large variance differences (TSGM-LVD) model to exploit the structured sparsity in the angle-frequency domain of the channel. Existing single and combined MP rules cannot deal with the message computation of the proposed probability model. To overcome this issue, we present a general method to derive the hybrid message passing (HMP) rule, which allows the calculation of messages described by mixed linear and non-linear functions. Accordingly, we design the HMP-TSGM-LVD algorithm under the structured turbo framework (STF). Simulation results demonstrate that the proposed algorithm converges faster and obtains better and more stable performance than its counterparts. In particular, the gain of the proposed approach is maximum (3 dB) in the high signal-to-noise ratio regime, while benchmark approaches experience oscillating behavior due to the improper prior model characterization.


翻译:设计因子图上的传递消息 (MP) 算法是在无线通信系统中实现信道估计 (CE) 的有效方法,同时还可以利用准确匹配信道特性的先验概率模型来进一步提高性能。在这项工作中,我们研究了下行大规模多输入多输出 (MIMO) 正交频分复用 (OFDM) 系统中的 CE 问题。作为先验概率,我们提出了马尔科夫链二状态高斯混合大方差差异 (TSGM-LVD) 模型,以利用信道在角度-频率域的结构稀疏性。现有的单一和组合MP规则都不能应对所提出概率模型的消息计算。为了克服这个问题,我们提出了一种通用方法来推导混合传递 (HMP) 规则,可以计算由混合线性和非线性函数描述的消息。因此,我们在结构化迭代中设计了基于HMP-TSGM-LVD算法的算法 (STF)。仿真结果表明,所提出的算法比其对应的算法收敛更快,性能更好,更稳定。特别是,在高信噪比区域,所提出的方法的增益最大 (3 dB),而基准方法由于先验模型的不当特征而经历了振荡行为。

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