一种水声OTFS通感一体化系统中的联合信道估计与符号检测方法及装置

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种水声otfs通感一体化系统中的联合信道估计与符号检测方法及装置。

背景技术：

1、作为水下中远程通信的唯一可靠方式，水声通信在高动态下的可靠信息传输正越来越被关注，然而作为最复杂的双选择性衰落信道之一，水声信道面临着诸多挑战，包括受限的带宽、长时延扩展、严重的多普勒效应、严重的背景噪声和传播损失等，这些挑战限制着水声通信的发展。

2、为解决复杂水声信道带来的挑战，近年来研究人员先后提出了单载波时域均衡技术(sc-tde)、正交频分复用(ofdm)、单载波频域均衡技术(sc-fde)等多种水声通信方法，其中：sc-tde技术较为成熟，其性能已经经过大量湖海实验验证，但其计算复杂度随信道响应长度呈指数增长，当信道存在长延时码间干扰时难以实时应用；sc-fde技术具有性能稳定，计算复杂度低的优点，是实现高速率水声通信的主要技术之一，但其性能依赖信道估计精度，对于移动水声信道，信道存在快速时变现象，利用导频估计的信道容易过时，导致sc-fde系统的性能较差；ofdm技术同样具有性能稳定，计算复杂度低的优点，是实现高速率水声通信的主要技术之一，但ofdm系统在快速时变信道下，子载波间的正交性被破坏，导致子载波间存在干扰(ici)，性能也快速下降。

3、针对高速移动无线通信场景，正交时频空间(otfs)调制技术被提出以应对其快速时变信道，具体地：otfs调制的基本思想是将数据复用在时延-多普勒(dd)域内，再通过二维变换将每个符号扩展到整个时频(tf)域，使所有符号都能获得相同的信道增益，因此，otfs具有提取全信道分集的潜力，且性能大大优于传统的ofdm系统；此外，otfs还将衰落的时变信道转换为近似与时间无关的信道，能够有效地抑制多普勒效应的影响，提高信号传输的可靠性。然而，在时延-多普勒域内传输的调制信号由于二维循环卷积会沿时延和多普勒维度扩散，引起符号间干扰(isi)和多普勒干扰(idi)，分别分布在延迟和多普勒维度上。

4、因此，高效可靠的信道估计和符号检测算法对于实现鲁棒的水声otfs数据传输是必不可或缺的，但目前大多数水声otfs方法的导频设计方案均采用嵌入式导频方案，而在长时延扩展和显著多普勒效应的水声信道中嵌入式导频方案将导致频谱效率的严重损失。

技术实现思路

1、为了更有效地应对复杂的水声信道并改善频谱效率，本发明提出了一种基于叠加导频的水声otfs通感一体化系统中的联合信道估计与符号检测方法。所述基于叠加导频的水声otfs通感一体化系统在发射端将导频符号和数据符号按一定的功率比在dd域中叠加，有效提升了系统数据率和频谱效率，同时，通过合理分配叠加导频功率，有效减少了导频和数据之间的干扰，保证了系统收敛；所述联合信道估计和符号检测方法基于正交近似消息传递(oamp)，将oamp算法分别应用于接收端的信道估计模块与符号检测模块，所述oamp算法在不同模块通过切换不同的测量矩阵完成不同的任务，其潜在的贝叶斯最优性保证了信道估计和符号检测的良好性能，同时，利用矩阵的右酉不变特性，oamp线性估计中的lmmse估计在奇异值分解(svd)分解的辅助下复杂度被显著降低；进一步的，本发明还提出了一种基于虚拟导频辅助的迭代接收机，通过在信道估计模块与符号检测模块之间增加干扰消除模块与软估计模块而搭建了一个灵活的统一迭代框架，进一步改善了系统性能。

2、本发明的技术方案为：

3、一种水声otfs通感一体化系统中的联合信道估计与符号检测方法，其特征在于，包括发射端叠加导频方案和接收端基于oamp算法的迭代方案；

4、所述发射端叠加导频方案包括以下步骤：

5、步骤1.1：发射端将获得的数据符号排列于的时延-多普勒(dd)域网格中，并与低功率导频在时延-多普勒(dd)域按一定的功率比叠加，得到叠加信号；

6、步骤1.2：将步骤1.1得到的叠加信号依次经过otfs调制、添加循环前缀、载波调制处理后得到发送信号，该发送信号再经过信道传播之后接收端获得接收信号；

7、所述接收端基于oamp算法的迭代方案包括以下步骤：

8、步骤2.1：接收端将获得的接收信号进行预处理、去除循环前缀、otfs解调处理后送入信道估计模块，接着利用oamp算法进行信道估计；

9、步骤2.2：根据步骤2.1输出的信道估计向量构造等效信道矩阵，重构导频接收信号，并完成导频和数据之间的干扰消除；

10、步骤2.3：根据步骤2.2干扰消除后的数据接收信号，利用oamp算法进行符号检测，得到符号检测向量；

11、步骤2.4：判断是否到达预设的最大迭代次数，若是，则将步骤2.3得到的符号检测向量作为最终检测的数据符号输出并结束迭代；若否，则将步骤2.3得到的符号检测向量送入软估计模块构造传输符号的因子化高斯后验置信度，然后使用传输符号的后验置信度来得到发射符号的软估计；

12、步骤2.5：联合软估计符号与叠加导频重新构造观测矩阵，重复步骤2.1-2.5，即在第一次迭代中，步骤2.1使用叠加导频构成初始观测矩阵，在后续迭代中，步骤2.1使用步骤2.5联合重构的观测矩阵细化信道估计结果。

13、进一步的，所述步骤1.1具体为：在dd域中，通过算术加法将数据符号与导频符号按照功率配比进行叠加，最终得到的dd域符号序列为：

14、。

15、进一步的，所述步骤2.1具体为：

16、将接收信号的数据部分视为干扰，输入输出关系给定为：

17、

18、其中，表示接收信号；和分别为由叠加导频和数据构成的观测矩阵；为待估计的信道向量；为信道长度；为环境噪声；；

19、在oamp框架下，信道估计问题被转换为在两个约束条件下寻找的最小均方误差估计问题，即：

20、

21、

22、其中，为线性约束算子；为非线性约束算子；为的先验分布；

23、考虑水声信道的稀疏特点，采用伯努利高斯模型建模的先验分布，表示为：

24、

25、其中，表示中的第条路径；用于控制稀疏度；为狄拉克函数，代表路径系数为0的概率；为复高斯分布，表示有效路径系数的概率密度函数，其中和分别表示非零信道系数的均值与方差；

26、在线性估计器le与非线性估计器nle之间迭代，即：

27、

28、

29、其中，为均值算子；表示线性估计器的输入均值，同时也表示正交化后非线性估计器的输出均值；表示非线性估计器的输入均值，同时也表示正交化后线性估计器的输出均值；

30、直到达到预设的最大迭代次数后终止，将最后一次迭代输出的信道估计向量作为信道估计模块的最终输出。

31、进一步的，所述步骤2.1中在线性估计器le与非线性估计器nle之间的迭代具体为：

32、在线性约束下，的先验均值和方差的估计分别为和，其线性最小均方误差估计为：

33、

34、其中，，式中为噪声方差；为单位矩阵；上标表示共轭转置；

35、对进行奇异值分解，即，其中和为的酉矩阵，为的奇异值构成的对角阵，结合svd分解，线性估计器计算均值和方差为：

36、

37、

38、其中，，上标t表示矩阵转置；表示的奇异值，；表示哈达玛积；

39、oamp通过保证误差之间的正交性，确保算法收敛，通过正交化构造的均值和方差表示为：

40、

41、

42、在非线性约束下，将经过正交化后的输出看作真值的含噪观测，即：

43、

44、其中，为观测噪声；

45、结合的先验分布，的后验非零概率为：

46、

47、利用高斯加法，其后验均值和方差表示为：

48、

49、

50、结合伯努利高斯先验分布，最终得到非线性估计器的后验均值和方差为：

51、

52、

53、其中，为后验均值构成的后验均值向量；为非零概率构成的概率向量；

54、应用正交化到非线性估计器的输出，更新下一轮迭代的先验均值和方差为：

55、

56、。

57、进一步的，所述步骤2.2具体为：

58、根据信道估计模块的输出，将其映射为的矩阵，并构造等效信道矩阵：

59、

60、其中，和为m点和n点dft矩阵；表示单位矩阵循环移位k位后的循环移位矩阵；表示单位矩阵循环移位l位后的循环移位矩阵；

61、执行导频和数据之间的干扰消除：

62、

63、其中，表示数据符号对应的接收向量；为真实等效信道矩阵；为导频符号向量；为数据符号向量；由信道估计误差和噪声组成。

64、进一步的，所述步骤2.3具体为：

65、信道均衡问题被转换为在两个约束条件下寻找的最小均方误差估计问题，即：

66、

67、

68、其中，为信道编码码字集合；为星座图集合；为数据符号矩阵中的第(k,l)个元素，其中为多普勒索引，为时延索引；

69、在线性估计器le与非线性估计器nle之间迭代，即：

70、

71、

72、其中，表示线性估计器的输入均值，同时也表示正交化后非线性估计器的输出均值；表示非线性估计器的输入均值，同时也表示正交化后线性估计器的输出均值；

73、直到达到预设的最大迭代次数后，将最后一次迭代输出的符号检测向量作为信号检测模块的最终输出。

74、进一步的，所述步骤2.3中在线性估计器le与非线性估计器nle之间的迭代具体为：

75、在线性约束下，的先验均值和方差的估计分别为和，对进行svd分解，即，其中和为的酉矩阵，为的奇异值构成的对角阵，得到的线性最小均方误差估计均值和方差为：

76、

77、

78、其中，，，为的奇异值，；

79、正交化后，得到线性估计器输出的均值和方差为：

80、

81、

82、在非线性约束下，非线性估计器的输出为：

83、

84、

85、应用正交化到非线性估计器的输出，更新下一轮迭代的先验均值和方差为：

86、

87、。

88、进一步的，当所述步骤2.4判断出没有到达预设的最大迭代次数时：

89、根据步骤2.3得到的符号检测向量计算外部llr，接着将其解交织之后作为先验llr送入解码器，得到软符号估计为：

90、

91、其中，为星座图集合中的第i个点；为先验概率。

92、进一步的，所述步骤2.5中联合软估计符号与叠加导频重新构造观测矩阵具体为：

93、将步骤2.4得到的软估计符号视为虚拟导频，联合叠加导频一起执行信道估计，输入输出关系被重写为：

94、

95、其中，为第i次迭代的观测矩阵；和分别为第i次迭代的软符号构成的观测矩阵和估计误差。

96、本发明还提出了一种基于虚拟导频辅助的迭代接收机，其特征在于，在信道估计模块与符号检测模块之间增加干扰消除模块与软估计模块，搭建了一个统一的迭代框架，用来执行上述接收端基于oamp算法的迭代方案。

97、本发明的有益效果为：

98、1、本发明提出的联合信道估计与符号检测方法基于叠加导频的水声otfs通感一体化系统，发射端将导频符号和数据符号按一定的功率比在dd域中叠加，避免为导频分配专用时隙，有效提升了系统数据率和频谱效率，同时，通过合理分配叠加导频功率，有效减少了导频和数据之间的干扰，保证了系统收敛；

99、2、本发明提出的联合信道估计与符号检测方法还将oamp算法分别应用于信道估计模块与符号检测模块，通过切换不同的测量矩阵完成不同的任务；利用矩阵的右酉不变特性，oamp线性估计器中的lmmse估计在svd分解的辅助下复杂度被显著降低，同时，oamp算法潜在的贝叶斯最优性保证了信道估计和符号检测的良好性能；

100、3、本发明提出了一种基于虚拟导频辅助的迭代接收机，通过在信道估计模块与符号检测模块之间增加干扰消除模块与软估计模块而搭建了一个统一的迭代框架，进一步改善了系统性能。