一种OTFS信号处理方法及装置

一种otfs信号处理方法及装置
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种otfs信号处理方法及装置。


背景技术：

2.无线信号的传输信道具有多径效应，即信号从发送端发送出来之后，例如基站发送，到达接收端，例如手机之前，中间可能经历多条传输路径，例如基站bs到用户设备/终端ue之间同时存在多条反射或者直射径，使得到达ue端的信号，是多条路径的叠加。每条路径可能对应了不同的时延和相位，和衰减。不同路径的时延，相位，衰减的叠加构成了整个发送-接收之间的无线链路。多径效应在频域上体现为频率选择性衰落。即当信号在不同的频率上发送时，由于其对应波长不同，到达接收端的相位不同，使得信号相干相消。
3.当接收端设备在移动的情况下，由于多条路径的信号到达接收端的入射角度不同，使得不同的路径具有不同的多普勒频偏，尤其是当ue移动速度较快的情况下。此时，由于存在频率偏移，会对信号的解调造成重要影响，使得误码率上升，信道容量下降，干扰增加等不利因素。
4.对于多径效应，传统ofdm(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用)的处理方式，通过将带宽较宽的信道分解成多个并行的窄带信道(子载波)，使得每个窄带信道内近似平坦(即每个子载波内不存在衰落)，再将待传输的信号调制到每个子载波上，利用ifft(inverse fast fourier transform，逆快速傅里叶变换)变换到频域，进行发送。ofdm波形的特点是对于频率偏移比较敏感。由于ofdm的多个频域子载波相互正交，当存在频偏时，将破坏各子载波之间的正交特性，使得子载波之间出现相互干扰，降低系统性能。因此，ofdm系统通常使用在ue移动速度较低的场合，或者对于高速多普勒效应较强的场合，需要复杂的频偏估计补偿的过程，既提高了系统复杂度，又降低了性能。
5.相比之下，otfs(orthogonal time frequency space，正交时频空间)波形将信号首先调制到时延-多普勒域，再利用isfft(inverse symplectic finite fourier transform，逆辛有限傅里叶变换)变换，将信号从时延多普勒域变换到时频域，再利用ofdm系统发送出去。otfs的发送过程可以被认为是在ofdm的基础上增加了预处理的操作，即增加了isfft变换的过程。相应地，在接收端，ofdm处理过程之后的时频域数据，通过sfft(symplectic finite fourier transform，辛有限傅里叶变换)变换到时延-多普勒域，以进行后续解调。对于otfs系统，由于其调制信号等效于放置在了时延多普勒域上，其收发不受多径多普勒的影响，使得采用otfs的系统在高速场景下能够获得更好的系统性能。
6.其中，调制，变换，包括ifft，fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)，isfft，sfft等，都是在数字域完成，即相应的数字处理器上，信号的发送和传输是在模拟域完成，即通过相应的射频器件发送出去。
7.对于一个多输入多输出mimo(multiple input multiple output，多输入多输出系统)系统，ofdm系统的数学模型可以等效为：
8.y＝hx n
ꢀꢀꢀ
(1)
9.其中，h为n
t
×
nr的信道矩阵，由收发之间的无线信道决定，其中每个元素代表对应天线之间的信道增益。x表示n
t
×
1的发送信号，y表示nr×
1的接收信号。接收端的信号检测过程，即是从接收到的y中恢复出发送信号x。
10.检测的主要目的是从接收到的y中恢复出信号x。不同的检测方法具有不同的复杂度。一种常见的检测方式，qrd(qr decomposition，qr分解)检测，通过将信道矩阵h进行qr分解，即：
11.h＝qr
12.其中，q表示正交矩阵，r代表上三角矩阵，常见的分解方法包括gram-schmidt正交化，givens变换，householder变换等。由于q为正交矩阵，因此q-1
＝qh，于是公式1可以改写为：
13.qhy＝rx qhn
14.由于r为上三角矩阵，因此可以从x的最后一个元素开始，逐个计算出了x的所有元素。该方法为基于qr分解的检测。
15.与ofdm类似，otfs的调制解调，可以被认为是在ofdm系统之上，分别在收发端增加了两个预处理模块，如图1所示。
16.其中发送端的isfft表示将星座映射之后的信号从时延-多普勒域变换到时频域，利用ofdm调制解调系统发送出去。接收端的sfft表示将ofdm输出的时频域数据，变换到时延多普勒域，获取发送端所得到的信息。
17.数学上，在时延多普勒域上，收发端的信息可以表示为：
18.y＝hx n
ꢀꢀꢀ
(2)
19.公式2与公式1的形式一致。但由于公式2增加了预处理和后处理模块，使得其信道矩阵，即h的形式与公式1不同。具体地，公式2中的h可表示为：
[0020][0021]
其中，fn表示n维dft矩阵，im表示m维单位矩阵，表示kronecker乘积，hi表示第i条传播路径的增益，t表示m
×
n维的置换矩阵，即将m
×
n的单位阵最后一行循环移位到第一行，以3x3的矩阵为例：
[0022][0023]
δ表示m
×
n的对角阵，其主对角元素依次为li和vi分别表示第i条传播路径的时延和多普勒。
[0024]
其中，公式3中表示的h的数学形式，使得最后h矩阵为一个m
×
n维度的矩阵，利用qrd的检测方法，对大维度矩阵的qr分解复杂度较高，使得qrd方法难以很好的利用。因此，亟需研发一种新的otfs信号处理方法。


技术实现要素：

[0025]
本发明提供了一种otfs信号处理方法及装置，以解决在现有的otfs波形系统中，qrd方法难以很好的利用的技术问题。
[0026]
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
[0027]
本发明中所述的傅里叶变换/逆傅里叶变换，可以为离散傅里叶变换(dft)/逆离散傅里叶变换(idft)，也可以为快速傅里叶变化(fft)/逆快速傅里叶变换(ifft)，几种描述之间可相互等价替换。
[0028]
一方面，本发明提供了一种otfs信号处理方法，适用于接收端采用qrd(qr decomposition，qr分解)检测的otfs(orthogonal time frequency space，正交时频空间)波形系统，所述otfs信号处理方法包括：
[0029]
在发送端对多组频率域数据进行逆傅里叶变换获得多组时域数据，对多组时域数据进行交织操作；其中，所述交织操作为：将所述多组时域数据按行组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按列抽取，进行发送；或者对所述多组时域数据按列组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按行抽取，进行发送；
[0030]
在接收端对接收到的信号进行解交织操作，并基于解交织得到的数据获取发送端发送的原始信号；其中，所述解交织操作为所述交织操作的逆向操作。
[0031]
进一步地，在所述发送端，所述二维矩阵的获取过程为：
[0032]
将星座映射之后的数据符号，放置在m
×
n的时延-多普勒二维资源网格上；其中，m表示时延维度，n表示多普勒维度；
[0033]
将所述时延-多普勒二维资源网格上的数据符号进行isfft(inverse symplectic finite fourier transform，逆辛有限傅里叶变换)变换到时间-频率域，得到m
×
n的二维时频域数据；其中，频域维度为m，时域维度为n；
[0034]
针对获取的m
×
n的二维时频域数据，对于每一列的m个频域数据进行ifft(inverse fast fourier transform，逆快速傅里叶变换)得到m个数据点，将获得的n组结果组合为m
×
n的时域二维矩阵，其中所述时域二维矩阵的每一列由对应的二维时频域数据的每一列的ifft获得；
[0035]
或
[0036]
将星座映射之后的数据符号，放置在m
×
n的时延-多普勒二维资源网格上；其中，m表示时延维度，n表示多普勒维度；
[0037]
将所述时延-多普勒二维资源网格上的数据符号进行isfft(inverse symplectic finite fourier transform，逆辛有限傅里叶变换)变换到时间-频率域，得到n
×
m的二维时频域数据；其中，频域维度为m，时域维度为n；
[0038]n×
m的二维时频域数据，对于每一行的m个频域数据进行ifft(inverse fast fourier transform，逆快速傅里叶变换)得到m个数据点，将获得的n组结果组合为n
×
m的时域二维矩阵，其中所述时域二维矩阵的每一行由对应的二维时频域数据的每一列的ifft获得。
[0039]
进一步地，当将获得的n组结果组合为m
×
n的二维时域矩阵时，所述交织操作为：
[0040]
将m
×
n的二维时域矩阵进行转置，变为n
×
m的二维矩阵，
[0041]
对转置后获得的n
×
m的二维矩阵按列抽取数据；
[0042]
或者，对所述m
×
n的二维矩阵按行抽取数据；当将获得的n组结果组合为n
×
m的二维时域矩阵时，所述交织操作为：
[0043]
将n
×
m的二维时域矩阵进行转置，变为m
×
n的二维矩阵，
[0044]
对转置后获得的m
×
n的二维矩阵按行抽取数据；
[0045]
或者，对所述的n
×
m的二维矩阵按列抽取数据；
[0046]
所述的按行或列抽取数据为，抽取完一行/列的所有数据后，再依次抽取下一行/列的数据。
[0047]
进一步地，所述解交织操作为：
[0048]
对于接收到的信号，按列放入n
×
m的矩阵中；
[0049]
对获得的n
×
m的矩阵进行转置，获得m
×
n的矩阵；
[0050]
或
[0051]
对于接收到的信号，按行放入m
×
n的矩阵中，获得m
×
n的矩阵；
[0052]
放置满一行/列的所有数据后，再依次放置下一行/列的数据。
[0053]
可选地，在发送之前，将按行或列所抽取的数据，每m个数据添加p个循环前缀进行发送；所述循环前缀为m个数据的最后p个；p通过预配置或预定义的方法确定。
[0054]
相应地，在接收端，每放入m个数据之前，先去除起始的p个循环前缀数据后再进行按列或者行放入。
[0055]
进一步地，所述otfs信号处理方法还包括：
[0056]
基站端通过控制信道，采用信令信息指示接收端，开启交织操作；所述信令信息包括：是否开启，交织资源块的时间，交织资源块的频率中的一种或多种的组合。
[0057]
另一方面，本发明还提供了一种otfs信号处理装置，适用于接收端采用qrd检测的otfs波形系统，所述otfs信号处理装置包括：
[0058]
交织模块，用于在发送端对发送端对多组频率域数据进行逆傅里叶变换后所获得的多组时域数据进行交织操作；其中，所述交织操作为：将所述多组时域数据按行组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按列抽取，进行发送；或者对所述多组时域数据按列组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按行抽取，进行发送；
[0059]
解交织模块，用于在接收端对接收到的信号进行解交织操作；其中，所述接收端基于经过所述解交织模块进行解交织操作得到的数据，获取发送端发送的原始信号；所述解交织操作为所述交织操作的逆向操作。
[0060]
再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
[0061]
又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
[0062]
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0063]
本发明提供的otfs信号处理方法通过在otfs波形系统中增加交织和解交织操作，使得h具有较好的形式，即h为分块海森伯格矩阵的形式。经本发明的otfs信号处理方法得到的h矩阵具有良好的数学形式，其主对角块之下只有次对角块非0，其余均为0，便于qr分解的快速操作。本发明的otfs信号处理方法能够使得信道矩阵保持良好的稀疏特性，便于qrd解调，降低复杂度。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0065]
图1是传统otfs波形调制系统的调制解调过程示意图；
[0066]
图2是采用本发明实施例提供的otfs信号处理方法的otfs系统示意图；
[0067]
图3是本发明实施例提供的交织操作示意图。
具体实施方式
[0068]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0069]
第一实施例
[0070]
本实施例提供了一种otfs信号处理方法，该方法适用于接收端采用qrd检测的otfs波形系统；如图2所示，本实施例通过在发送端ofdm调制之后增加一个信道交织模块，在接收端ofdm解调之前，增加一个相应的解交织模块，使得在时延-多普勒域的信道具有良好的数学格式。交织模块和解交织模块如图2中的虚线框所示。基于此，所述otfs信号处理方法包括以下处理过程：
[0071]
在发送端对多组频率域数据进行逆傅里叶变换获得多组时域数据，对多组时域数据进行交织操作；其中，所述交织操作为：将所述多组时域数据按行组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按列抽取，进行发送；或者对所述多组时域数据按列组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按行抽取，进行发送；其中，所述逆傅里叶变换可以为ofdm(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用)调制；
[0072]
在接收端对接收到的信号进行解交织操作，并基于解交织得到的数据获取发送端发送的原始信号；其中，所述解交织操作为所述交织操作的逆向操作。
[0073]
具体地，采用本实施例方法的otfs系统进行数据发送接收的过程如下：
[0074]
发射端：
[0075]
1、星座映射之后的数据符号，放置在m
×
n的时延-多普勒二维资源网格上；其中，m表示时延维度，n表示多普勒维度；
[0076]
2、将该二维资源网格上数据符号，进行isfft变换到时间-频率域，所获得的数据为m
×
n的二维时频域数据；其中，m表示频域维度，n表示时域维度；
[0077]
3、对于该m
×
n的二维时频域数据，对于每一列的m个频域数据，进行ifft变换得到m个数据点，所获得的n组结果组合为m
×
n的二维矩阵；
[0078]
4、对3步所得到的m
×
n的二维矩阵进行交织，交织过程如图3所示：
[0079]
先将m
×
n的矩阵进行转置变为n
×
m，再按列抽取数据，进行发送。
[0080]
此处，需要说明的是，步骤1-3产生的矩阵也可能表示为n
×
m(例如是按行放置)，此时也是同样的方法，将其转置之后，再按行抽取。
[0081]
其中，按行或列抽取数据为，抽取完一行/列的所有数据后，再依次抽取下一行/列的数据。
[0082]
可选地，在发送之前，将按行或列所抽取的数据，每m个数据添加p个循环前缀进行发送；所述循环前缀为m个数据的最后p个；p通过预配置或预定义的方法确定。相应地，在接
收端，每放入m个数据之前，需要先去除起始的p个循环前缀数据后再进行按列或者行放入。
[0083]
此处需要说明的是，添加循环前缀为可选功能，其中p也可以为0，不同组的m个数据，p的具体数值可以不同。
[0084]
接收端：
[0085]
1、与上述接收端中的步骤4对应，对于接收到的mn
×
1的信号，先按列放入n
×
m的矩阵中，再将该矩阵进行转置，获得m
×
n的矩阵；
[0086]
2、将该m
×
n的矩阵进行fft变换，变换到时频域；
[0087]
3、将时频域的数据进行sfft变换，变换到时延多普勒域；
[0088]
4、对于该时延多普勒域的数据，抽取为mn
×
1的向量，进行qrd检测。
[0089]
进一步地，本实施例的otfs信号处理方法还可以包括：在基站端可以通过信令信息指示接收端，开启交织操作。所述信令信息包括：是否开启，交织资源块的时间，交织资源块的频率中的一种或多种的组合。例如，基站通过控制信道指示，将在后续第n个数据帧，开启交织操作。终端设备接收到该指示之后，在第n个数据帧上启动解交织，同时应用快速qrd检测算法。
[0090]
综上，本实施例提供了一种otfs信号处理方法，可以应用于任何采用基于ofdm实现的otfs系统中；将本实施例的otfs信号处理方法用于任何需要高速通信的场景，例如高铁，车联网等，能够使得信道矩阵保持良好的稀疏特性，从而便于qrd解调，降低复杂度，具有良好的应用前景和市场价值。
[0091]
第二实施例
[0092]
本实施例提供了一种otfs信号处理装置，该装置包括以下模块：
[0093]
交织模块，用于在发送端对发送端对多组频率域数据进行逆傅里叶变换后所获得的多组时域数据进行交织操作；其中，所述交织操作为：将所述多组时域数据按行组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按列抽取，进行发送；或者对所述多组时域数据按列组合为二维矩阵，对所述二维矩阵按行抽取，进行发送；
[0094]
解交织模块，用于在接收端对接收到的信号进行解交织操作；其中，所述接收端基于经过所述解交织模块进行解交织操作得到的数据，获取发送端发送的原始信号；所述解交织操作为所述交织操作的逆向操作。
[0095]
本实施例的otfs信号处理装置与上述第一实施例的otfs信号处理方法相对应；其中，本实施例的otfs信号处理装置中的各功能模块所实现的功能与第一实施例的otfs信号处理方法中的各流程步骤一一对应；故在此不再赘述。
[0096]
第三实施例
[0097]
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。
[0098]
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法
[0099]
第四实施例
[0100]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质
可以是rom、随机存取存储器、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
[0101]
此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
[0102]
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0103]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0104]
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0105]
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。