大规模MIMO-OFDM系统中的同相/正交支路不平衡问题及其补偿方法研究

The massive MIMO-OFDM system, with the advantages of high frequency spectrum efficiency, low transmit power and strong interference resistance ability, is an attractive alternative for the future wireless communication. However, equipped with lots of low-area, cost and power consumption antennas, the massive MIMO-OFDM system is with severe problem of in-phase and quadrature-phase imbalances, which degrades the system performance. The mathematical model of massive MIMO-OFDM system with IQ imbalances is of huge dimension, leading to difficulty in the research of IQ imbalances. So in this project, the impact of IQ imbalances on the performance of massive MIMO-OFDM systems will be analyzed and its compensation methods will be comprehensively investigated. Based on the characteristics of the system model and the general channel model of massive MIMO-OFDM with IQ imbalances, the algorithms of IQ imbalance and channel estimation, channel reciprocity calibration and IQ imbalance compensation with low computational complexity will be proposed, in order to mitigate the negative impact of IQ imbalances on the massive MIMO-OFDM system and provide strong technical support to the development and commercialization of massive MIMO-OFDM system.

大规模MIMO-OFDM系统具有频谱效率高、发射功率低和抗干扰能力强等诸多优势，是极具吸引力的未来移动通信备选方案。由于采用大量体积小、成本低、功耗低的天线，大规模MIMO-OFDM系统中的同相与正交支路（IQ）不平衡问题较为严重，是制约系统性能的一个重要因素。IQ不平衡影响下的大规模MIMO-OFDM系统数学模型维数巨大，这使得该环境下IQ不平衡问题的研究难度增大。本项目将针对大规模MIMO-OFDM系统中的IQ不平衡问题，分析其对系统性能的影响程度，系统性地研究其补偿方法。基于IQ不平衡影响下的大规模MIMO-OFDM系统模型及广义信道模型特点，提出计算复杂度低且易于实现的IQ不平衡参数与无线信道估计、信道互易性校准以及IQ不平衡补偿方法，有效地抑制IQ不平衡对大规模MIMO-OFDM系统性能的不利影响，为推进大规模MIMO-OFDM系统的发展及商业化提供有力的技术支撑。

大规模MIMO系统具有频谱效率高、发射功率低和抗干扰能力强等优势，是第五代移动通信的关键技术。OFDM作为一种多载波传输技术，具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强等优点，已被Verizon发布的5G空口物理层标准所被采用。由于选用大量体积小、成本低、功耗低的天线，大规模MIMO-OFDM系统中的同相与正交支路（IQ）不平衡问题较为严重。本项目针对该大规模MIMO-OFDM系统中的IQ不平衡问题，研究上下行信道互易性校准、IQ不平衡估计与IQ不平衡补偿问题。主要解决的关键技术与创新点包括：.（1）基于TDD模式的MIMO系统利用上下行信道之间的互易性，将上行信道的估计结果用于下行链路信号处理。IQ不平衡的存在会造成系统上下行信道间的互易性损失，需要进行校准。本项目提出了基于校准矩阵的频域和时域两种TDD MIMO-OFDM系统信道互易性校准方法，并进一步设计了适用于大规模MIMO-OFDM系统的低复杂度实现方案。所提方法能够有效地补偿TDD MIMO-OFDM系统上、下行信道之间的互易性，大幅提升系统的误码性能以及系统容量。.（2）IQ不平衡的存在导致信道估计误差并对后续信号处理的有效性和可靠性造成不利影响。基于IQ不平衡参数与无线信道相互耦合的广义大规模MIMO-OFDM信道模型，提出了基于循环迭代的IQ不平衡参数与无线信道分离估计方法。该方法相比于联合估计方法，在每次信道发生变化时所需的导频符号数减半。在此基础上提出了基于导频辅助的信道互易性校准矩阵估计方法，为基于校准矩阵的TDD MIMO-OFDM系统信道互易性校准方案提供了有效保障。.（3）IQ不平衡的存在对系统性能造成潜在的恶劣影响，因此将其引入系统模型并通过数字域进行补偿十分必要。本项目提出了在双选择性信道条件下联合抑制IQ不平衡和OFDM子载波间干扰的补偿方法，该方法在双选择性信道环境下具有良好的IQ不平衡补偿性能。.本项目圆满完成了预期研究，并取得了一系列国内外认可的成果，为大规模MIMO通信的发展和广泛应用提供了理论依据和技术支持。