基于低复杂度改进OMP的OTFS系统信道估计方法
本发明涉及无线通信信道估计，具体为基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法。
背景技术：
1、在高移动性通信场景(如高速铁路、低轨卫星通信、无人机通信)中，正交时间频率空间(otfs)调制技术表现出优异的抗多普勒频移性能。
2、由于时延-多普勒(dd)域信道具有天然的固有稀疏性，即信道冲激响应仅在有限数量的时延-多普勒格点上具有非零值，基于压缩感知的正交匹配追踪(omp)算法被广泛用于信道估计。然而，传统omp算法在实际应用中面临关键挑战：在迭代过程中需要频繁进行高维矩阵求逆，计算复杂度达到，导致基带硬件(如fpga或dsp)部署困难。
3、同时，为降低系统参考信号开销，采用非正交分布式导频结构已成为重要趋势，但这会引入导频与数据之间的互干扰分量，进一步增加了传统omp重构的难度与计算量。此外，传统omp算法未考虑dd域信道簇状稀疏结构先验信息，导致原子搜索空间过大、搜索效率低下。
4、因此我们提出了基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法来解决上述问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，解决了上述背景技术中所提出的传统omp算法高复杂度和非正交导频干扰的问题。
2、基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，具体解决了以下核心问题：(i) 传统omp算法在迭代过程中的高计算复杂度；(ii) 非正交分布式导频结构引入的导频-数据互干扰；(iii) 忽略dd域信道簇状稀疏结构导致的原子搜索效率低下。
3、基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，包括接收端基带处理模块、感知矩阵构建模块和改进型omp迭代重构模块，包括以下步骤：
4、s1：接收端基带处理模块获取经sfft解调后的dd域接收信号矩阵，其中m 为时延维度格点数即子载波数，n 为多普勒维度格点数即otfs符号数，根据非正交导频掩膜提取导频观测向量，为导频格点的总数，初始化残差、空支撑集、下三角矩阵为 空矩阵，并估计噪声功率；
5、s2：感知矩阵构建模块通过isfft映射和dd域二维循环卷积构造感知矩阵，其中第j例原子 ，其中，为一个仅在处为1、其余位置全为0的信道矩阵，为dd域导频发射矩阵，即在导频位置 处放置已知导频符号， 为二维循环卷积运算；
6、s3：改进型omp迭代重构模块执行信道稀疏重构：每次迭代中，先基于dd域信道簇状稀疏先验构建先验支撑区域，搜索最优原子并更新支撑集；再通过cholesky递推——前向替换求解，其中，为新增原子与已有支撑集中所有原子的互相关向量，计算对角元，为第次迭代中新的对角元，分块组装，并通过前向替换和回代求解获得信道系数，将求逆运算量从 降至 ；
7、s4：重构导频分量和数据干扰分量，更新残差；
8、s5：以归一化残差能量 与动态门限比较判决收敛，迭代终止后由 和 组装输出 。
9、进一步地，所述接收端基带处理模块包括射频前端和基带数字接口；射频前端经天线接收端捕获电磁波并经模数转换后，基带数字接口将时延-多普勒dd域的数字基带网格数据写入高速缓存，由非正交导频提取单元根据预定的图案从混合数据中截取观测向量y并完成残差和支撑集的初始化；具体地，获取经sfft解调后的dd域基带接收信号矩阵，满足，其中为稀疏信道冲激响应，为dd域二维循环卷积，的元素服从；根据非正交分布式导频掩膜矩阵为导频格点，为数据格点，导频与数据交织排布且导频间不设空置保护间隔，定义导频索引集及导频数目，按提取导频观测向量；初始化残差向量、空支撑集、下三角矩阵及迭代计数器，并按估计噪声功率，用于后续动态门限计算。
10、进一步地，所述感知矩阵构建模块根据发送端的非正交分布式导频图样及动态保护间隔配置，构造用于压缩感知的二维等效感知矩阵；所述感知矩阵的每一列为dd域中一个格点对应的字典原子向量，构造方式为；的每一列为dd域中一个格点对应的字典原子向量，构造方式为：对dd域每个格点j，对应时延索引、多普勒索引，定义原子，其中为仅在处为1、其余为0的信道矩阵，为二维循环卷积，表示按导频索引集提取并排列为列向量；所有个原子构成；为单位冲激响应矩阵。
11、进一步地，所述改进型omp迭代重构模块执行信道稀疏重构，采用基于cholesky分解的正交化递推法则替代传统最小二乘中的矩阵直接求逆运算；在第t次迭代中，从上一轮的下三角矩阵递推计算当前下三角矩阵，满足gram矩阵分解，并利用前向替换和回代求解获得信道增益系数向量$h_t$，将单次迭代的核心运算量从降至。
12、进一步地，在原子搜索步骤中利用dd域信道的簇状稀疏分布先验信息，构建先验支撑区域区域，从而降低搜索复杂度并动态调整算法的迭代停止阈值。
13、进一步地，在残差更新步骤中执行联合干扰消除操作，利用当前信道估计重构导频分量，对数据符号进行软估计，重构数据干扰，并按更新残差，用于抑制由低开销非正交导频引入的数据干扰分量。
14、进一步地，最终输出重构后的时延-多普勒域信道冲激响应，并将其传递至信道均衡器用于后续的高鲁棒性信号检测。
15、与现有技术相比，本发明提供了基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，具备以下有益效果：
16、本发明通过利用快速正交化递推cholesky递推替代高维矩阵直接求逆，将核心计算复杂度从三次幂级降低至二次幂级，累计复杂度从降至，极大地降低了基带处理的计算硬件负担，为fpga/dsp部署提供了可行的低复杂度方案。
17、本发明专门针对发射端非正交分布式导频架构设计了联合干扰消除机制，通过turbo迭代结构实现信道估计与数据检测的联合优化，在保证高鲁棒性信道重构精度的同时节省时频资源，高度契合高速移动场景下低开销、低复杂度的通信需求。
18、本发明针对dd域信道物理特性设计了簇状稀疏先验引导机制，将原子搜索空间缩小至先验支撑区域，提升搜索效率的同时增强路径检测准确性。
19、本发明基于噪声功率自适应的动态门限早停机制，避免了固定迭代次数的欠拟合或过拟合问题，对不同信噪比条件具有良好鲁棒性。
1.基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，包括接收端基带处理模块、感知矩阵构建模块和改进型omp迭代重构模块，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，其特征在于：所述接收端基带处理模块包括射频前端和基带数字接口；射频前端经天线接收端捕获电磁波并经模数转换后，基带数字接口将时延-多普勒dd域的数字基带网格数据写入高速缓存，由非正交导频提取单元根据预定的图案从混合数据中截取观测向量y并完成残差和支撑集的初始化；具体地，获取经sfft解调后的dd域基带接收信号矩阵，满足，其中为稀疏信道冲激响应，为dd域二维循环卷积，的元素服从；根据非正交分布式导频掩膜矩阵为导频格点，为数据格点，导频与数据交织排布且导频间不设空置保护间隔，定义导频索引集及导频数目，按提取导频观测向量；初始化残差向量、空支撑集、下三角矩阵及迭代计数器，并按估计噪声功率，用于后续动态门限计算。
3.根据权利要求1所述的基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，其特征在于：所述感知矩阵构建模块根据发送端的非正交分布式导频图样及动态保护间隔配置，构造用于压缩感知的二维等效感知矩阵；所述感知矩阵的每一列为dd域中一个格点对应的字典原子向量，构造方式为；的每一列为dd域中一个格点对应的字典原子向量，构造方式为：对dd域每个格点j，对应时延索引、多普勒索引，定义原子，其中为仅在处为1、其余为0的信道矩阵，为二维循环卷积，表示按导频索引集提取并排列为列向量；所有个原子构成；为单位冲激响应矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，其特征在于：所述改进型omp迭代重构模块执行信道稀疏重构，采用基于cholesky分解的正交化递推法则替代传统最小二乘中的矩阵直接求逆运算；在第t次迭代中，从上一轮的下三角矩阵递推计算当前下三角矩阵，满足gram矩阵分解，并利用前向替换和回代求解获得信道增益系数向量$h_t$，将单次迭代的核心运算量从降至。
5.根据权利要求1所述的基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，其特征在于：在原子搜索步骤中利用dd域信道的簇状稀疏分布先验信息，构建先验支撑区域，从而降低搜索复杂度并动态调整算法的迭代停止阈值。
6.根据权利要求1所述的基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，其特征在于：在残差更新步骤中执行联合干扰消除操作，利用当前信道估计重构导频分量，对数据符号进行软估计，重构数据干扰，并按更新残差，用于抑制由低开销非正交导频引入的数据干扰分量。
7.根据权利要求1所述的基于低复杂度改进正交匹配追踪的otfs系统信道估计方法，其特征在于：最终输出重构后的时延-多普勒域信道冲激响应，并将其传递至信道均衡器用于后续的高鲁棒性信号检测。