一种多普勒轴插零扩展的OTFS调制方法

一种多普勒轴插零扩展的otfs调制方法
技术领域
1.本发明属于无线通信领域，涉及一种多普勒轴插零扩展的otfs调制方法。


背景技术：

2.我们目前正处于5g时代，并随着无线移动通信技术的不断发展正在迈向6g时代。6g相比于5g，会面对更大体量的业务，需要更快的传输速度，也会出现更高速移动场景下的通信需求。高速移动场景中无线通信也面临新的挑战，主要是信道具有高延迟和高多普勒特性，并且强烈时变。目前主要使用的ofdm技术由于对同步要求较高，受频偏影响很大，在高移动性场景中变得不再鲁棒。基于这样的情况，正交时频空间(otfs)调制被提出。
3.otfs调制引入了延迟-多普勒域这样一种新的二维维度，同时也产生之前几代调制技术不存在的分数多普勒问题。分数多普勒广泛存在于otfs调制中，并且给otfs的信道估计、数据传输和信号恢复等带来了相比于整数多普勒情况更大的挑战。现有的工作对分数多普勒所造成的多普勒间干扰与输入输出之间的关系进行了推导，也在接收端通过机器学习等手段对分数多普勒的影响进行补偿。但是这些方案依赖于已知的分数多普勒信道信息，却没有分数多普勒信道的检测方案，并且在接收端进行补偿的方案其计算复杂度很高。基于以上的研究现状，otfs调制中需要一种可行的分数多普勒信道检测方案，并且需要在根源上对分数多普勒问题进行解决。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多普勒轴插零扩展的otfs调制方法，该方法有效解决分数多普勒问题。
5.为达到上述目的，本发明所述的多普勒轴插零扩展的otfs调制方法，包括：
6.对发射端信号进行多普勒轴插零扩展的预处理，得扩展后的延迟-多普勒域信号，对所述扩展后的延迟-多普勒域信号进行逆辛傅里叶变换，得时间-频率域信号，对所述时间-频率域信号进行幅值还原，得还原的信号，对所述还原的信号进行海森堡变换，得到扩展后的时域信号，所述扩展后的时域信号通过延迟-多普勒信道后获得扩展后的时域输出信号，对所述扩展后的时域输出信号进行采样及维格纳变换，获得时间-频率域的扩展后输出信号，对所述时间-频率域的扩展后输出信号进行辛傅里叶变换，得延迟-多普勒域的扩展后的输出信号，完成多普勒轴插零扩展的otfs调制。
7.所述扩展后的延迟-多普勒域信号xe[z,l]为：
[0008][0009]
其中，p为扩展倍数，x[k,l]为发射端信号。
[0010]
所述时间-频率域信号xe[g,m]为：
[0011][0012]
所述还原的信号x
′e[g,m]为：
[0013]
x
′e[g,m]＝pxe[g,m]。
[0014]
扩展后的时域信号xe(te)为：
[0015][0016]
扩展后的时域输出信号y(t)为：
[0017][0018]
所述时间-频率域的扩展后输出信号ye[g,m]为：
[0019][0020][0021]
延迟-多普勒域的扩展后的输出信号ye[z,l]为：
[0022][0023]
本发明具有以下有益效果：
[0024]
本发明所述的多普勒轴插零扩展的otfs调制方法在具体操作时，通过在发送端发送信号进行多普勒轴方向上插零扩展的预处理，使得符号平面得到扩展，再经过幅值还原操作后进行正常的otfs传输与信道估计，实现对多普勒信道信息的扩展，在接收端使得分数多普勒以常规otfs调制中整数多普勒的形式来进行检测，在发送端尽量将分数多普勒进行转化，从而减弱其对otfs传输的影响，有效解决分数多普勒问题。
附图说明
[0025]
图1为多普勒轴插零扩展的otfs调制过程示意图；
[0026]
图2a为发射端原始信号的示意图；
[0027]
图2b为发送端延迟-多普勒域信号扩展示意图；
[0028]
图3a为接收到的多普勒轴插零扩展信号的示意图；
[0029]
图3b为接收端延迟-多普勒域的扩展后信号示意图；
[0030]
图4为嵌入式导频设计下的发送端延迟-多普勒信号示意图；
[0031]
图5为嵌入式导频设计下的接收端扩展后的延迟-多普勒信号示意图；
[0032]
图6为不同扩展倍数下的单位时间性能提升对比图。
具体实施方式
[0033]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0034]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0035]
参考图1，本发明所述的多普勒轴插零扩展的otfs调制方法包括以下步骤：
[0036]
1)建立系统模型
[0037]
所述系统模型基于otfs传输模型，并在otfs传输模型的基础上进行改进，对常规otfs调制过程增添多普勒轴插零扩展的预处理，并在逆辛傅里叶变换后，海森堡变换前，对所获得的时间-频率域信号进行幅值还原，扩展后的信号进行与常规otfs调制相同的后续操作，最后在接收端增添分数多普勒检测的步骤。
[0038]
具体过程为：
[0039]
多普勒轴插零扩展的预处理的过程为：
[0040][0041]
得到扩展后的延迟-多普勒域信号xe[z,l]，然后经逆辛傅里叶变换，获得时间-频率域信号xe[g,m]为：
[0042][0043]
相比于传统的otfs调制过程中的信号，xe[g,m]可以表示为：
[0044][0045]
对得到的时间-频率域信号xe[g,m]进行幅值还原，得还原的信号x
′e[g,m]为：
[0046]
x
′e[g,m]＝pxe[g,m]
[0047]
还原的信号x
′e[g,m]经过海森堡变换，得到扩展后的时域信号xe(te)为：
[0048][0049]
相比于传统的otfs调制过程中的信号，xe(te)可以表示为：
[0050][0051]
对比发现，得到的时域信号也可以看作原始信号的时域形式在时域进行插零扩展后所得到的信号。由于延迟-多普勒域的信号经过多普勒轴的插零扩展后，其总的信号时长变为之前信号的p倍。并且从分数多普勒的由来可以推知：信号的总传输时长tf＝pnt增加，则多普勒轴的单位刻度的精度1/pnt得到提升，所得信号通过延迟-多普勒信道后获得扩展后的时域输出信号y(t)为：
[0052][0053]
对扩展后的时域输出信号y(t)进行采样及维格纳变换，获得时间-频率域的扩展后的输出信号ye[g,m]为：
[0054][0055][0056]
最后通过辛傅里叶变换，获得延迟-多普勒域的扩展后的输出信号ye[z,l]为：
[0057][0058]
对所得延迟-多普勒域的扩展后的输出信号进行嵌入式导频辅助的信道估计，以获得当前情况下的整数多普勒。由于多普勒轴的单位尺度精度变高，当信道的多普勒频偏映射到延迟多普勒平面的多普勒轴上时，其所匹配的多普勒轴刻度也会增加。例如，当p＝10，设一个信道的多普勒偏移为f，该信道的多普勒参数τo＝f
×
nt为小数点后一位的分数多普勒。当otfs调制进行多普勒零插入扩展操作后，多普勒轴的刻度增加了十倍，精度也相应提高。此时信道的所对应的多普勒参数为τe＝f
×
10nt，在接收端所估计出来的信道多普勒参数由分数多普勒变成整数多普勒。设所估计出扩展后的多普勒刻度为j(0＜j＜pn)，对其进行扩展倍数的缩减，获得原本的分数多普勒完成分数多普勒信道估计。
[0059]
估计出信道分数多普勒后，再选择所需的扩展倍数进行传输，对于不同的扩展倍数，先计算当前分数多普勒情况下存在的多普勒轴方向上的符号间干扰ie(k,l)，即：
[0060]
[0061]
并根据所述符号间干扰ie(k,l)，获得当前扩展倍数下的otfs传输性能增益g＝1/ie(k,l)，然后结合当前扩展倍数下的信号传输总时间te，获得单位时间内的性能提升w＝g/t＝1/[ie(k,l)
·
te]。
[0062]
对比不同扩展倍数p下的单位时间内性能提升，选择合适的扩展倍数，从而在发送端对分数多普勒的产生进行抑制，从根源上减弱分数多普勒的影响，优化整个otfs传输过程。
[0063]
图1为多普勒轴插零扩展otfs调制过程示意图，在系统输入信号x[k,l]后对其进行多普勒轴插零扩展的预处理操作，并在海森堡变换之前对扩展信号进行幅值还原，经过延迟-多普勒域的otfs调制获得扩展后的系统输出信号ye[z,l]，其中，x[k,l]采用嵌入式导频设计方案中所设计的发射端信号，随机生成的信道具有未知的分数多普勒，通过多普勒轴插零扩展后进行传输，并通过幅值还原保持原有信号尺度来进行后续的分数多普勒检测及估计。
[0064]
图2a及图2b为本发明中发射端信号多普勒轴插零扩展的示意图，延迟-多普勒域信号为二维信号，选择一定的扩展倍数后，在发送端的多普勒轴方向上每个原始符号之间插入零值符号，虽然只是在多普勒轴进行插零扩展，但是在后续的调制过程中，在时频域与时域的过渡信号中，时间轴上也发生了扩展。
[0065]
图3a及图3b为接收端延迟-多普勒域的扩展后信号示意图，当存在多条不同多普勒参数的信号时，由于多径信道之间的叠加，插入的零值符号区域会因不同多普勒参数信道的搬移而被填充。通过信道估计可以获得当前多条信道的多普勒参数信息。其中，存在于整数倍扩展倍数刻度上的信道，则具有整数多普勒参数，存在于非整数倍扩展倍数刻度上的信道，则具有分数多普勒参数。
[0066]
根据嵌入式导频辅助的导频设计方案，生成图4所述的发送端延迟-多普勒域信号。经过多普勒轴插零扩展的otfs调制后获得图5的接收端延迟-多普勒域的扩展后的接收信号，根据嵌入式导频辅助的信道估计方案，可以获得信道的分数多普勒信息，完成对分数多普勒信道的检测。
[0067]
图6为不同扩展倍数下的单位时间性能提升对比图，通过对比单位时间性能，可以选择适合当前环境当前信道的扩展倍数。