CN110166087B - Iq失衡下导频复用大规模mimo-ofdm无线通信方法 - Google Patents

Iq失衡下导频复用大规模mimo-ofdm无线通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IQ失衡情况下导频复用大规模MIMO‑OFDM无线通信方法。该方法包括：基站间歇地获取相对校准参数；不同用户同时发送上行探测信号，基站对接收到的探测信号进行校准并获取等效信道统计信息，并由此确定各用户的导频调制因子，实现导频复用；不同用户同时发送上行导频信号，基站依据接收到的导频信获取等效信道估计以及估计误差的统计特性；基站依据接收到的数据信号，在每个子载波上依据信道估计和估计误差相关阵实施鲁棒信号接收。本发明在基站存在IQ失衡情况下，先利用获取的相对校准参数对接收信号进行校准，进而进行等效信道估计和线性鲁棒信号接收，且基站可以依据等效信道统计信息预测上行可达和速率。

Description

IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法
技术领域
本发明涉及多天线的宽带大规模MIMO无线通信方法，尤其涉及在基站侧存在IQ失衡情况下使用相位可调导频实现导频复用的宽带大规模MIMO无线通信方法。
背景技术
虚拟现实、增强现实、物联网、车联网等技术的兴起对无线通信系统提出了更高的要求。基站侧配备大规模天线阵列的大规模MIMO无线通信技术可以深度利用无线信道的空间维度资源，相比传统小规模MIMO技术能够进一步提升无线通信系统的有效性及可靠性。实际的无线传播信道均为宽带信道，而正交频分复用(OFDM)技术能够将宽带信道分解为多个并行的窄带信道，大规模MIMO结合 OFDM是新一代宽带移动通信系统核心技术之一。
由于基站侧配备的天线数目较大，因此需要部署经济适用的射频单元以满足经济可行性。但是该类射频单元精度难以保证，容易带来负面影响。IQ失衡是非理想射频单元产生的主要影响之一。IQ失衡是指I(in-phase)通道和Q (quadrature-phase)通道的幅度失配或者相位差不满足90度。存在IQ失衡的链路在复信号通过后，会引入一个加性的原始信号的共轭干扰量，从而严重影响通信系统性能。
无线通信系统传输质量取决于信道参数估计的准确程度，为了准确及时地获取信道参数估计值，实际中常采用基于导频辅助的信道估计方法。对于大规模多用户MIMO-OFDM无线通信系统来说，有大量的信道参数需要估计，这将导致大量的导频开销。导频开销以及信道估计的复杂度成为大规模MIMO-OFDM无线通信的瓶颈问题。
发明内容
发明目的：为解决上述技术背景中提出的技术问题，本发明旨在提供用于基站存在IQ失衡情况下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法。
技术方案：本发明所述的用于基站存在IQ失衡情况下导频复用大规模 MIMO-OFDM无线通信方法，包括如下步骤：
(1)基站依据接收到的由信标站或参考天线间歇地向基站所发射的探测信号获取相对校准参数；
(2)基站利用相对校准参数对接收到的各用户的上行探测信号校准后获取小区中各用户的等效信道统计信息；
(3)同一小区中不同用户在上行导频信号段所使用的导频序列由同一导频序列经过频域调制生成，不同用户的导频调制因子由基站依据各用户的等效信道统计信息动态确定，实现导频复用，并通知本小区中的各用户；
(4)基站依据各用户的等效信道统计信息获取各用户的频域等效信道估计，并依据各用户的导频调制因子确定信道估计误差相关阵；
(5)基站依据获得的频域等效信道估计和估计误差相关阵实施鲁棒线性检测。
进一步地，所述方法适用于宽带大规模MIMO无线通信系统，采用正交频分复用OFDM调制方式，基站在各子载波上与多个用户同时进行无线通信。
进一步地，在步骤(1)中，基站依据接收到的探测信号得到等效信道的最小二乘估计，进而得到相对校准参数。
进一步地，基站第m根天线在频点n上的相对校准参数为：
Figure GDA0002575207380000021
其中
Figure GDA0002575207380000022
和
Figure GDA0002575207380000023
为参考天线或信标站到基站的等效信道估计，由下式计算
Figure GDA0002575207380000024
Figure GDA0002575207380000025
其中
Figure GDA0002575207380000026
为信号发送功率，Nc为子载波个数，
Figure GDA0002575207380000027
为Nc×Nc维酉离散傅里叶变换矩阵，xc,1,xc,2为基站已知的两个恒模OFDM符号，对于a×b维复矩阵A，变换
Figure GDA0002575207380000028
定义为
Figure GDA0002575207380000029
频域接收信号Zm,c,1,n和Zm,c,2,n由下式计算
Figure GDA0002575207380000031
Figure GDA0002575207380000032
其中Zm,c,1和Zm,c,2依据接收到的参考天线或信标站向基站所发送的信号由下式获得
Figure GDA0002575207380000033
Figure GDA0002575207380000034
这里ym,c,1和ym,c,1为接收到的由参考天线或信标站向基站发送的信号。
进一步地，在步骤(2)中，各用户在每一帧帧头的一个或多个连续OFDM 符号的多个子载波上同时发送上行探测信号；同一小区中不同用户的频域探测信号由同一恒模序列经过频域调制生成；各小区基站利用相对校准参数对接收到的上行探测信号进行校准，进而获取小区中各用户时域等效信道参数的最小二乘估计，进而利用迭代法估计各用户的等效信道的统计信息。
进一步地，等效的角度-时延域信道能量耦合矩阵的估计值
Figure GDA0002575207380000035
的第(m,l)元素计算公式如下
Figure GDA0002575207380000036
其中χ为遗忘因子，满足0＜χ＜1，
Figure GDA0002575207380000037
表示取矩阵的
Figure GDA0002575207380000038
第m行第j列的元素，(·)a表示角度域，在第td帧的上行探测阶段用户k的等效角度时延域信道估计
Figure GDA0002575207380000039
由下式计算
Figure GDA00025752073800000310
其中
Figure GDA00025752073800000311
为探测信号发射功率，Qd为探测信号占用的OFDM符号数，U为空间特征模式矩阵，Xd,k为探测信号构成的矩阵，
Figure GDA00025752073800000312
为校准后接收信号由下式计算
Figure GDA0002575207380000041
其中
Figure GDA0002575207380000042
为获取的相对校准参数，
Figure GDA0002575207380000043
[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第 b列，Ytd,d为在第td帧的上行探测阶段基站接收到的探测信号；用户k的第l个时延的相关阵估计为：
Figure GDA0002575207380000044
其中
Figure GDA0002575207380000045
表示由
Figure GDA0002575207380000046
第l列
Figure GDA0002575207380000047
构成的对角矩阵，
Figure GDA0002575207380000048
表示克罗内克积，I2表示维度为2的单位阵。
进一步地，在步骤(3)中，基站利用所获得的各用户等效信道统计信息，依据信道估计均方误差之和最小准则确定小区中的用户导频调制模式。
在步骤(4)中，基站利用相对校准参数对上行导频信号段接收到的导频信号进行校准，进而结合各用户的等效信道的统计信息获取各用户的时域信道参数估计，并利用各用户的导频调制因子，确定信道估计误差相关阵；其中，
用户k的第l个时延的等效信道矩阵估计值为：
Figure GDA0002575207380000049
其中K为用户数，
Figure GDA00025752073800000410
为用户k的第l个时延的等效信道的相关阵，
Figure GDA00025752073800000411
为用户u的第
Figure GDA00025752073800000412
个时延的等效信道相关阵，
Figure GDA00025752073800000413
表示 l-Δu+Δk对Nc取模运算，Nc为子载波个数，Δk表示用户k所使用的导频序列频域调制因子，Δu表示用户u所使用的导频序列频域调制因子，Rn为噪声相关阵，
Figure GDA00025752073800000414
为导频发射功率，Yp,k,l为用户k的第l个时延等效信道观察量由下式计算
Figure GDA00025752073800000415
其中Xp,k为用户k发送的导频向量构成的行循环矩阵，
Figure GDA00025752073800000416
由关系
Figure GDA0002575207380000051
和
Figure GDA0002575207380000052
得到，[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，这里
Figure GDA0002575207380000053
为校准后接收信号由下式计算
Figure GDA0002575207380000054
其中Yp为基站侧接收到的导频信号，
Figure GDA0002575207380000055
为获取的相对校准参数，[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，
Figure GDA0002575207380000056
估计误差相关阵由下式计算
Figure GDA0002575207380000057
用户k在第n个子载波上的等效信道估计由下式计算
Figure GDA0002575207380000058
其中Ng为循环前缀长度，
Figure GDA0002575207380000059
表示取酉离散傅里叶变换矩阵
Figure GDA00025752073800000510
的第l行第n 列元素，
Figure GDA00025752073800000511
为获取的用户k第l个时延的信道估计，相应的估计误差相关阵由下式计算
Figure GDA00025752073800000512
进一步地，在步骤(5)中，各用户分别在各个子载波上同时发送上行数据信号，基站利用相对校准参数对时域接收到的所有用户发送信号进行校准，然后实施傅里叶变换得到每个子载波上的接收信号，在每个子载波上根据获得的等效信道估计和估计误差相关阵实施鲁棒线性检测，基站利用等效信道矩阵的统计信息预测遍历可达和速率。
进一步地，用户k在子载波n上发送的信号的均方误差最小准则估计为：
Figure GDA00025752073800000513
其中
Figure GDA00025752073800000514
为获取的用户k在第n个子载波上的等效信道估计，上标(·)T表示矩阵转置，
Figure GDA00025752073800000515
为相应的估计误差相关阵，Rn为噪声相关阵，
Figure GDA00025752073800000516
为信号发送功率，
Figure GDA00025752073800000517
为频域接收信号由下式计算
Figure GDA0002575207380000061
其中
Figure GDA0002575207380000062
为校准后接收信号由下式计算
Figure GDA0002575207380000063
其中Ys为每一帧第ts个OFDM符号时刻接收到的信号，
Figure GDA0002575207380000064
为获取的相对校准参数，
Figure GDA0002575207380000065
根据信道相关阵可以预测上行可达速率，由下式计算
Figure GDA0002575207380000066
其中Υ°由以下两个固定点方程的解
Υ°＝(I2K+η1{Γ°})-1
Γ°＝(I2M+η2{Υ°})-1
其中η1{Γ°}为对角阵且第j个对角元由下式计算
Figure GDA0002575207380000067
这里
Figure GDA0002575207380000068
为用户＜j-K＞K在子载波n上的信道估计的相关阵，＜j-K＞K表示j-K对K取模运算；η2{Υ°}由下式计算
Figure GDA0002575207380000069
有益效果：本发明提供的用于基站存在IQ失衡情况下导频复用大规模 MIMO-OFDM无线通信方法具有如下优点：
1、基站侧存在IQ失衡情况下，仍能保证系统上行无线通信性能。
2、信道估计阶段利用相位可调导频实现导频复用可以显著地减少导频开销。
3、上行数据接收对信道估计误差是鲁棒的。
4、能够根据信道统计信息预测上行可达和速率。
附图说明
图1为基站存在IQ失衡情况下大规模MIMO-OFDM无线通信方法流程图。
图2为基站存在IQ失衡情况下大规模MIMO-OFDM系统传输信号的帧结构示意图。
图3为基站存在IQ失衡情况下大规模MIMO-OFDM系统与用户之间传输信号的帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明实施例公开的一种IQ失衡下导频复用大规模 MIMO-OFDM无线通信方法，主要包括：(1)基站依据接收到的由信标站或参考天线间歇地向基站所发射的探测信号获取相对校准参数；(2)基站利用相对校准参数对接收到的各用户的上行探测信号校准后获取小区中各用户的等效信道统计信息；(3)同一小区中不同用户在上行导频信号段所使用的导频序列由同一导频序列经过频域调制生成，不同用户的导频调制因子由基站依据各用户的等效信道统计信息动态确定，实现导频复用，并通知本小区中的各用户；(4)基站依据各用户的等效信道统计信息获取各用户的频域等效信道估计，并依据各用户的导频调制因子确定信道估计误差相关阵；(5)基站依据获得的频域等效信道估计和估计误差相关阵实施鲁棒线性检测，并可利用等效信道矩阵的统计信息预测遍历可达和速率。下面结合具体场景对本发明的方法作进一步的说明。
1.系统配置、传输信号帧结构及通信过程
多小区蜂窝系统中，各小区基站侧配置包含数十个以上天线单元的大规模天线阵列，大规模天线阵列可采用线阵列、圆阵列或者板阵列等多种阵列结构之一。假设基站侧配备的天线单元数目为M，各天线单元可采用全向天线或者扇区天线，当各天线单元采用全向天线、120度扇区天线和60度扇区天线时，各天线单元之间的间距可配置为1/2波长、
Figure GDA0002575207380000071
波长和1个波长。各天线单元可采用单极化或多极化天线。假设小区中存在K个配备单根天线的用户，以
Figure GDA0002575207380000081
表示用户集合。用户与基站通信采用时分或者频分双工传输模式，采用带循环前缀的正交频分复用(OFDM)调制技术，子载波个数为Nc，循环前缀长度为Ng。
图2、3为基站存在IQ失衡的宽带大规模MIMO无线通信系统传输信号帧结构示意图，其中由用户发送给基站的上行链路传输信号包括上行探测信号、上行数据信号及上行导频信号，由基站发送给用户的下行链路传输信号包括下行数据信号。系统传输过程可划分为多个连续的帧，每一帧信号由帧头的上行探测信号和多个子帧组成。每一子帧的信号由多个OFDM符号组成，每一子帧信号由上行数据信号段、上行导频信号段组成。
2.相对校准参数获取
记
Figure GDA0002575207380000082
和
Figure GDA0002575207380000083
分别为a维和a×b维的复(实)数空间。以
Figure GDA0002575207380000084
表示基站已知的两个恒模OFDM符号用于相对校准参数估计，这两个符号由信标站，参考天线或者在特定间歇发送给基站且满足条件
Figure GDA0002575207380000085
以及
Figure GDA0002575207380000086
其中上标(·)*表示共轭，
Figure GDA0002575207380000087
为信号发送功率，
Figure GDA0002575207380000088
为Nc×Nc维酉离散傅里叶变换矩阵，diag{a}表示以向量a的元素为对角元为的对角矩阵，
Figure GDA0002575207380000089
为虚数单位。那么基站第m根天线在接收到的两个信号为
Figure GDA00025752073800000810
Figure GDA00025752073800000811
其中对角矩阵ξm,A,
Figure GDA00025752073800000817
表示基站第m根天线的IQ失衡参数，
Figure GDA00025752073800000812
为发送探测信号期间的发送信号的天线到基站第m根天线的时域无线信道参数矢量，
Figure GDA00025752073800000813
分别为由xc,1,xc,2构成的行循环矩阵并具体表示为
Figure GDA00025752073800000814
和
Figure GDA00025752073800000815
这里上标(·)H表示共轭转置，
Figure GDA00025752073800000816
分别为加性高斯白噪声。
由接收信号ym,c,1和ym,c,2按照以下两式构建矩阵：
Figure GDA0002575207380000091
Figure GDA0002575207380000092
其中
Figure GDA0002575207380000093
和
Figure GDA0002575207380000094
分别表示取实部和虚部；在载频n上的接收信号Zm,c,1,n和Zm,c,2,n由下式计算：
Figure GDA00025752073800000915
Figure GDA00025752073800000916
对于a×b维复矩阵A，变换
Figure GDA0002575207380000095
定义为：
Figure GDA0002575207380000096
基站由Zm,c,1,n和Zm,c,2,n得到等效参考天线或者信标站到第m根基站天线的等效信道估计，计算公式如下：
Figure GDA0002575207380000097
Figure GDA0002575207380000098
则基站侧第m根天线在频点n上的相对校准参数由下式计算：
Figure GDA0002575207380000099
基站在频点n上的相对校准参数C由下式计算：
Figure GDA00025752073800000910
其中Π为置换矩阵满足
Figure GDA00025752073800000911
以及
Figure GDA00025752073800000912
这里[A]:,a表示矩阵A的第a列，
Figure GDA00025752073800000913
表示由矩阵
Figure GDA00025752073800000914
构成的块对角矩阵。
3.等效信道统计信息获取
基站侧对各用户等效信道统计信息的获取由各用户的上行信道探测过程完成。各用户在每一帧帧头的一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行探测信号，不同用户的探测信号不要求使用正交时频资源。同一小区中不同用户的频域探测信号由同一恒模序列(称为该小区的基本探测序列)经过频域调制生成，相邻小区的基本探测序列要求具有较好的互相关特性，即互相关小于系统所要求的门限值。各小区基站利用相对校准参数对接收到的上行探测信号进行校准，进而获取小区中各用户时域等效信道参数的最小二乘估计，进而利用迭代法估计各用户的等效信道的统计信息，即相关阵。
设各用户在每一帧帧头的Qd个连续OFDM符号上同时发送探测信号，其中 Qd满足KNg≤QdNc。不同用户在上行探测阶段各个OFDM符号上的发送信号由同一恒模序列xd经过频域调制生成，其中
Figure GDA0002575207380000101
满足
Figure GDA0002575207380000102
将用户k在每一帧帧头第q(0≤q≤Qd-1)个OFDM符号上的探测信号记作
Figure GDA0002575207380000103
由下式生成：
Figure GDA0002575207380000104
其中
Figure GDA0002575207380000105
为探测信号发射功率，
Figure GDA0002575207380000106
表示k对Qd取模运算，
Figure GDA0002575207380000107
表示不超过x的最大整数，Vd为任意的Qd×Qd维的酉矩阵，[V]a,b表示位于矩阵V第a行第b列的元素，⊙表示矢量逐元素乘积，导频调制矢量
Figure GDA0002575207380000108
对于任意x的表达式如下：
Figure GDA0002575207380000109
其中exp(x)表示自然底数exp的x次幂运算，π为圆周率常数。
在第td帧的上行探测阶段，基站接收到的探测信号为：
Figure GDA00025752073800001010
其中对角阵
Figure GDA00025752073800001011
表示基站侧IQ失衡参数矩阵，
Figure GDA00025752073800001012
为探测阶段用户k的时域信道矩阵，
Figure GDA0002575207380000111
为探测信号构成的矩阵，Nd为加性高斯白噪声。
利用获取的相对校准参数估计
Figure GDA0002575207380000112
根据式(14)中的接收信号Yt,d得到：
Figure GDA0002575207380000113
其中[A]:,a:b表示矩阵A的第a到第b列，
Figure GDA0002575207380000114
且变换
Figure GDA0002575207380000115
由(7)式定义。
基站由
Figure GDA0002575207380000116
得到等效角度-时延域信道矩阵的估计值，计算公式如下：
Figure GDA0002575207380000117
其中U称为空间特征模式矩阵，右上角标(·)a表示角度域，变换
Figure GDA0002575207380000118
由(7)式定义。
基站利用迭代法获取当前帧中的等效的角度-时延域信道能量耦合矩阵的估计值
Figure GDA0002575207380000119
的第(m,l)元素计算公式如下：
Figure GDA00025752073800001110
其中χ为遗忘因子，满足0＜χ＜1，
Figure GDA00025752073800001111
表示取矩阵的
Figure GDA00025752073800001112
第m行第j列的元素，(·)a表示角度域。则由上式得到用户k在一个OFDM符号中第l个时延的相关阵估计
Figure GDA00025752073800001113
其中
Figure GDA00025752073800001114
表示由
Figure GDA00025752073800001115
第l列
Figure GDA00025752073800001116
构成的对角矩阵，
Figure GDA00025752073800001117
表示克罗内克积，I2表示维度为2的单位阵，变换
Figure GDA00025752073800001118
由(7)式定义。
4.导频调度
基站利用所获得的各用户等效信道统计信息，依据给定的准则，如信道估计均方误差之和最小准则，确定小区中的用户导频调制模式，即各用户导频序列的频域调制因子，实现导频复用，并通知小区中各用户。
以
Figure GDA0002575207380000121
表示当前小区的导频调制模式，其中k 表示用户编号，Δk表示用户k所使用的导频序列频域调制因子，
Figure GDA0002575207380000122
为调制因子集合。等效信道估计均方误差之和由下式给出
Figure GDA0002575207380000123
其中K为用户数，Ng为循环前缀长度，
Figure GDA0002575207380000124
为用户k第l个时延信道相关阵估计，
Figure GDA0002575207380000125
为用户u第
Figure GDA0002575207380000126
时延信道相关阵估计，
Figure GDA0002575207380000127
表示 l-Δu+Δk对Nc取模运算，Δk表示用户k所使用的导频序列频域调制因子，Δu表示用户u所使用的导频序列频域调制因子，Nc为子载波数目，
Figure GDA0002575207380000128
为导频发送功率，Rn为噪声相关阵。基于信道估计均方误差之和最小准则的导频调度即是：搜索出使得ε最小的导频调制模式
Figure GDA0002575207380000129
该导频调度可通过穷举搜索或贪婪算法完成。
5.导频信号段等效信道估计
各用户的上行信道参数估计在每个小区的基站侧分别进行。在每一子帧的上行导频信号段，小区中所有用户在一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号，基站侧据此获取信道参数估计以及估计误差空间相关阵。
在每一子帧中，小区中各用户在第tp个OFDM符号的多个子载波上同时发送上行导频信号。基站侧接收到的导频信号为
Figure GDA00025752073800001210
其中对角阵
Figure GDA00025752073800001211
表示基站侧IQ失衡参数矩阵，
Figure GDA00025752073800001212
为用户k的时域信道参数矩阵，Np为加性高斯白噪声，用户k发送的导频向量构成的行循环矩阵定义为
Figure GDA0002575207380000131
这里xp,k由下式给出
Figure GDA0002575207380000132
其中
Figure GDA0002575207380000133
为导频发射功率，Δk为导频调度结果给定的调制因子，xp为所有用户共用的同一个恒模序列满足
Figure GDA0002575207380000134
利用已获取的相对校准参数估计
Figure GDA0002575207380000135
由Yp可得
Figure GDA0002575207380000136
其中[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，
Figure GDA0002575207380000137
且变换
Figure GDA0002575207380000138
由(7)式定义。基站由下式获得用户k在该OFDM符号中第l个时延上的等效信道观测信号：
Figure GDA0002575207380000139
其中
Figure GDA00025752073800001310
由关系
Figure GDA00025752073800001311
和
Figure GDA00025752073800001312
得到，[A]:,a表示取矩阵A的第a列。
用户k的第l个时延的等效信道矩阵由下式定义
Figure GDA00025752073800001313
其中
Figure GDA00025752073800001314
IM表示M维单位矩阵，[Hp,k]:,l表示取[Hp,k]:,l的第l列，变换
Figure GDA00025752073800001315
由式(7)定义。Gk,l的估计值根据Yp,k,l由下式计算
Figure GDA00025752073800001316
其中
Figure GDA00025752073800001317
为用户k的第l个时延的等效信道的相关阵，
Figure GDA00025752073800001318
为用户u的第
Figure GDA00025752073800001319
个时延的等效信道相关阵，
Figure GDA00025752073800001320
表示l-Δu+Δk对Nc取模运算，Δk表示用户k所使用的导频序列频域调制因子，Δu表示用户u所使用的导频序列频域调制因子，Rn为噪声相关阵。估计误差的相关阵由下式计算
Figure GDA0002575207380000141
用户k在第n个子载波上的等效信道估计由下式计算
Figure GDA0002575207380000142
其中
Figure GDA0002575207380000143
为获得的用户k第l个时延的信道估计，
Figure GDA0002575207380000144
表示取酉离散傅里叶变换矩阵
Figure GDA0002575207380000145
的第l行第n列元素，变换
Figure GDA0002575207380000146
由式(7)定义。相应的估计误差相关阵由下式计算
Figure GDA0002575207380000147
其中Ng为循环前缀长度。
6.上行鲁棒数据接收
在每一子帧中，各用户首先分别在各子载波上同时发送上行数据信号，基站侧存储所接收到的信号。待基站侧接收完上行导频信号并完成等效信道参数估计时，利用等效信道估计值以及估计误差空间相关阵，在各个子载波上分别对上行链路数据实施鲁棒接收。
以每一子帧中上行数据信号段第ts个OFDM符号第n个子载波为例描述上行鲁棒数据接收过程。以
Figure GDA0002575207380000148
表示用户k在所有子载波上发送的信号构成的向量，每个元素都满足均值为零、方差为
Figure GDA0002575207380000149
的高斯分布。每个用户的发送数据信号为其发送信息比特流经过信道编码、交织及调制符号映射后得到的数据信号。基站在当前帧第ts个OFDM符号时刻接收到的信号表示为
Figure GDA00025752073800001410
其中对角阵
Figure GDA00025752073800001411
表示基站侧IQ失衡参数矩阵，
Figure GDA00025752073800001412
为用户k时域信道矩阵，
Figure GDA00025752073800001413
Figure GDA00025752073800001414
为加性高斯白噪声。
利用已获取的相对校准参数估计
Figure GDA00025752073800001415
由Ys可得
Figure GDA0002575207380000151
其中[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，
Figure GDA0002575207380000152
且
Figure GDA0002575207380000153
由(7)式定义。基站由
Figure GDA0002575207380000154
得到子载波n上的接收信号为
Figure GDA0002575207380000155
令
Figure GDA0002575207380000156
表示用户k在子载波n上发送的信号，
Figure GDA0002575207380000157
的均方误差最小准则估计为
Figure GDA0002575207380000158
其中
Figure GDA0002575207380000159
为获取的用户k在第n个子载波上的信道估计，上标(·)T表示矩阵转置，K为用户数，
Figure GDA00025752073800001510
为已获得的信道估计误差，Rn为噪声相关阵。
根据信道相关阵可以预测上行可达速率，由下式计算
Figure GDA00025752073800001511
其中Υ°由以下两个固定点方程计算
Υ°＝(I2K+η1{Γ°})-1 (34)
Γ°＝(I2M+η2{Υ°})-1 (35)
其中η1{Γ°}为对角阵且第j个对角元由下式计算
Figure GDA00025752073800001512
这里
Figure GDA00025752073800001513
为用户＜j-K＞K在子载波n上的信道估计的相关阵且用户k在子载波n的信道估计相关阵为
Figure GDA00025752073800001514
＜j-K＞K表示j-K对K取模运算；η2{Υ°}由下式计算
Figure GDA00025752073800001515
。

Claims (10)

1.IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)基站依据接收到的由信标站或参考天线间歇地向基站所发射的探测信号获取相对校准参数；
(2)基站利用相对校准参数对接收到的各用户的上行探测信号校准后获取小区中各用户的等效信道统计信息；
(3)同一小区中不同用户在上行导频信号段所使用的导频序列由同一导频序列经过频域调制生成，不同用户的导频调制因子由基站依据各用户的等效信道统计信息动态确定，实现导频复用，并通知本小区中的各用户；
(4)基站依据各用户的等效信道统计信息获取各用户的频域等效信道估计，并依据各用户的导频调制因子确定信道估计误差相关阵；
(5)基站依据获得的频域等效信道估计和估计误差相关阵实施鲁棒线性检测。
2.根据权利要求1所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，所述方法适用于宽带大规模MIMO无线通信系统，采用正交频分复用OFDM调制方式，基站在各子载波上与多个用户同时进行无线通信。
3.根据权利要求1所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，在步骤(1)中，基站依据接收到的探测信号得到等效信道的最小二乘估计，进而得到相对校准参数。
4.根据权利要求3所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，基站第m根天线在频点n上的相对校准参数为：
Figure FDA0002575207370000011
其中
Figure FDA0002575207370000012
和
Figure FDA0002575207370000013
为参考天线或信标站到基站的等效信道估计，由下式计算
Figure FDA0002575207370000014
Figure FDA0002575207370000015
其中
Figure FDA0002575207370000016
为信号发送功率，Nc为子载波个数，
Figure FDA0002575207370000017
为Nc×Nc维酉离散傅里叶变换矩阵，xc,1,xc,2为基站已知的两个恒模OFDM符号，对于a×b维复矩阵A，变换
Figure FDA0002575207370000021
定义为
Figure FDA0002575207370000022
其中
Figure FDA0002575207370000023
和
Figure FDA0002575207370000024
分别表示取实部和虚部，频域接收信号Zm,c,1,n和Zm,c,2,n由下式计算
Figure FDA0002575207370000025
Figure FDA0002575207370000026
其中Zm,c,1和Zm,c,2依据接收到的参考天线或信标站向基站所发送的信号由下式获得
Figure FDA0002575207370000027
Figure FDA0002575207370000028
这里ym,c,1和ym,c,1为接收到的由参考天线或信标站向基站发送的信号。
5.根据权利要求4所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，在步骤(2)中，各用户在每一帧帧头的一个或多个连续OFDM符号的多个子载波上同时发送上行探测信号；同一小区中不同用户的频域探测信号由同一恒模序列经过频域调制生成；各小区基站利用相对校准参数对接收到的上行探测信号进行校准，进而获取小区中各用户时域等效信道参数的最小二乘估计，进而利用迭代法估计各用户的等效信道的统计信息。
6.根据权利要求5所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，等效的角度-时延域信道能量耦合矩阵的估计值
Figure FDA00025752073700000210
的第(m,l)元素计算公式如下
Figure FDA0002575207370000029
其中χ为遗忘因子，满足0＜χ＜1，
Figure FDA0002575207370000031
表示取矩阵的
Figure FDA0002575207370000032
第m行第j列的元素，(·)a表示角度域，M为基站侧配备的天线单元数目，在第td帧的上行探测阶段用户k的等效角度时延域信道估计
Figure FDA0002575207370000033
由下式计算
Figure FDA0002575207370000034
其中
Figure FDA0002575207370000035
为探测信号发射功率，Qd为探测信号占用的OFDM符号数，U为空间特征模式矩阵，Xd,k为探测信号构成的矩阵，
Figure FDA0002575207370000036
为校准后接收信号由下式计算
Figure FDA0002575207370000037
其中
Figure FDA0002575207370000038
为获取的相对校准参数，
Figure FDA0002575207370000039
[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，
Figure FDA00025752073700000310
为在第td帧的上行探测阶段基站接收到的探测信号；用户k的第l个时延的相关阵估计为：
Figure FDA00025752073700000311
其中
Figure FDA00025752073700000312
表示由
Figure FDA00025752073700000313
第l列
Figure FDA00025752073700000314
构成的对角矩阵，
Figure FDA00025752073700000315
表示克罗内克积，I2表示维度为2的单位矩阵。
7.根据权利要求1所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，在步骤(3)中，基站利用所获得的各用户等效信道统计信息，依据信道估计均方误差之和最小准则确定小区中的用户导频调制模式。
8.根据权利要求1所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，在步骤(4)中，基站利用相对校准参数对上行导频信号段接收到的导频信号进行校准，进而结合各用户的等效信道的统计信息获取各用户的时域信道参数估计，并利用各用户的导频调制因子，确定信道估计误差相关阵；其中，用户k的第l个时延的等效信道矩阵估计值为：
Figure FDA0002575207370000041
其中K为用户数，
Figure FDA0002575207370000042
为用户k的第l个时延的等效信道的相关阵，
Figure FDA0002575207370000043
为用户u的第
Figure FDA0002575207370000044
个时延的等效信道相关阵，
Figure FDA0002575207370000045
表示l-Δu+Δk对Nc取模运算，Nc为子载波个数，Δk表示用户k所使用的导频序列频域调制因子，Δu表示用户u所使用的导频序列频域调制因子，Rn为噪声相关阵，
Figure FDA0002575207370000046
为导频发射功率，Yp,k,l为用户k的第l个时延等效信道观察量由下式计算
Figure FDA0002575207370000047
其中Xp,k为用户k发送的导频向量构成的行循环矩阵，
Figure FDA0002575207370000048
由关系
Figure FDA0002575207370000049
和
Figure FDA00025752073700000410
得到，[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，变换
Figure FDA00025752073700000411
定义为
Figure FDA00025752073700000412
Figure FDA00025752073700000413
和
Figure FDA00025752073700000414
分别表示取实部和虚部；这里
Figure FDA00025752073700000415
为校准后接收信号由下式计算
Figure FDA00025752073700000416
其中Yp为基站侧接收到的导频信号，
Figure FDA00025752073700000417
为获取的相对校准参数，[A]:,a:b表示取矩阵A的第a到第b列，
Figure FDA00025752073700000418
估计误差相关阵由下式计算
Figure FDA00025752073700000419
用户k在第n个子载波上的等效信道估计由下式计算
Figure FDA00025752073700000420
其中Ng为循环前缀长度，
Figure FDA00025752073700000421
表示取酉离散傅里叶变换矩阵
Figure FDA00025752073700000422
的第l行第n列元素，
Figure FDA00025752073700000423
为获取的用户k第l个时延的信道估计，相应的估计误差相关阵由下式计算
Figure FDA0002575207370000051
9.根据权利要求1所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，在步骤(5)中，各用户分别在各个子载波上同时发送上行数据信号，基站利用相对校准参数对时域接收到的所有用户发送信号进行校准，然后实施傅里叶变换得到每个子载波上的接收信号，在每个子载波上根据获得的等效信道估计和估计误差相关阵实施鲁棒线性检测，基站利用等效信道矩阵的统计信息预测遍历可达和速率。
10.根据权利要求9所述的IQ失衡下导频复用大规模MIMO-OFDM无线通信方法，其特征在于，用户k在子载波n上发送的信号的均方误差最小准则估计为：
Figure FDA0002575207370000052
其中
Figure FDA0002575207370000053
为获取的用户k在第n个子载波上的等效信道估计，上标(·)T表示矩阵转置，
Figure FDA0002575207370000054
为相应的估计误差相关阵，Rn为噪声相关阵，
Figure FDA0002575207370000055
为信号发送功率，K为用户数，
Figure FDA0002575207370000056
为频域接收信号由下式计算
Figure FDA0002575207370000057
其中
Figure FDA0002575207370000058
为校准后接收信号由下式计算
Figure FDA0002575207370000059
其中Ys为每一帧第ts个OFDM符号时刻接收到的信号，
Figure FDA00025752073700000510
为获取的相对校准参数，Nc为子载波个数，
Figure FDA00025752073700000511
变换
Figure FDA00025752073700000512
定义为
Figure FDA00025752073700000513
Figure FDA00025752073700000514
和
Figure FDA00025752073700000515
分别表示取实部和虚部；
根据信道相关阵可以预测上行可达速率，由下式计算
Figure FDA00025752073700000516
其中Υ°由以下两个固定点方程的解
Υ°＝(I2K+η1{Γ°})-1
Γ°＝(I2M+η2{Υ°})-1
其中M为基站侧配备的天线单元数目，η1{Γ°}为对角阵且第j个对角元由下式计算
Figure FDA0002575207370000061
这里
Figure FDA0002575207370000062
为用户＜j-K＞K在子载波n上的信道估计的相关阵，＜j-K＞K表示j-K对K取模运算；η2{Υ°}由下式计算
Figure FDA0002575207370000063
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