CN103004242B

CN103004242B - 正交时频移位和频谱整形通信方法

Info

Publication number: CN103004242B
Application number: CN201180034699.8A
Authority: CN
Inventors: 塞利姆·什洛莫·拉基布; 龙尼·哈达尼
Original assignee: Cohere Technologies Inc
Current assignee: Cohere Technologies Inc
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: EP2578004B1; WO2011150315A2; EP2578004A4; US20110292971A1; CN105337714A; EP2578004A2; US8547988B2; WO2011150315A3; CN105337714B; US8879378B2; US9083483B1; CN103004242A; US20110293030A1

Abstract

一种无线组合时间、频率和频谱整形通信方法，该方法传输NxN(N2)的卷积单元矩阵(数据帧)，其中通常在N个时扩间隔(每个时扩间隔由N个时间片组成)上接收所有N2个数据符号，或一个都不接收。为了进行传输，N2大小的数据帧矩阵乘以第一NxN时频移位矩阵，置换，然后乘以第二NxN频谱整形矩阵，从而在整个所得的NxN矩阵(TFSSS数据矩阵)上混合每个数据符号。对该N2TFSSS数据矩阵的列每时间片一个元素地进行选择、调制并传输。在接收器上，对副本TFSSS矩阵进行重构并解卷积，从而使数据显示出来。该方法可以立即容纳多个用户，可以适应变化的信道条件，并且对处理信道损害(例如多普勒移位)尤其有利。

Description

正交时频移位和频谱整形通信方法

发明背景

本专利申请要求2010年5月28日提交的美国临时专利申请61/349,619“正交时频移位和频谱整形通信方法(ORTHONORMAL TIME-FREQUENCYSHIFTING AND SPECTRAL SHAPING COMMUNICATIONS METHOD)”的优先权，发明人是Selim Shlomo Rakib和Ronny Hadani，该专利申请的内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及通信协议和方法的一般领域，更具体地涉及无线通信协议和方法。

背景技术

随着无线通信技术的进步，每个人都想通过范围有限的可利用无线电频谱发送或接收越来越多的数据，容纳越来越多的用户成为了普遍问题。

当今，正在使用大量的具有无线功能的不同便携式手持装置。这些便携式无线装置(例如移动电话、便携式计算机等)一般是由小电量电池供电，用户通常希望在为电池重新充电之前这些装置能长时间工作。为了满足这些用户期望，这些装置上的无线发射器必须利用很小的功率来输出无线信号，因而难以在背景噪声上区分无线电信号。

另一个问题是，这些装置中的很多是在移动交通工具上承载的，例如汽车、飞机等。这产生了额外的复杂情况，因为这些装置传输的低功率无线信号还可能受到各种失真的影响，例如变化的并且不可预知的多普勒移位、以及经常由建筑物或其他结构体的变化的无线电反射所产生的不可预测的多径效应。

面对所有这些问题，各种无线信道的噪声背景随着产生噪声的电子装置的激增而变得更高。其他无线装置增加也加剧了背景噪声。

为了解决这些问题，很多现有技术无线电传输方法，包括时分多址(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、正交频分多址(OFDM)、以及其他无线协议已经变得十分普及。每种方法都试图以略微不同的方式解决以上一系列问题。

最简单，也是高度受欢迎的一种无线通信方案是TDMA，在TDMA中，多个用户可以共享一个单一载频，并且为每个用户分配了他们自己的特定时隙，接着该特定时隙与预留给其他用户的时隙进行交错。

TDMA构成了更为先进的GSM方法的基础，该方法组合了跳时和跳频，并且在当今世界中是最受欢迎的移动电话协议。GSM分配了很多不同频率或波长以供使用，并且每个波长被分成小的时隙，持续时间常常只有几毫秒。因此，每个波长可以与大约8个到16个其他用户共享。

相比之下，CDMA是更为复杂的协议。CDMA是一种扩频协议，该协议为每个发射器分配一个不同的扩频码。这种扩频码通常是运行在“码片”速率(码片通常是短的矩形脉冲，具有+1或-1的幅度)上的伪随机数或码，该速率远高于用户希望传输的底层数据信号的速率。CDMA的工作方式是以高速伪随机扩频码来调制(在传输结果之前，通常是经过独有的或(异或)处理)用户的数据信号。这种高速扩频码在更宽的波长频谱上分配用户的数据，并且还为接收器提供方便的途径以“调谐”至信号中并将信号与背景噪声分开。

利用不同的伪随机数，很多不同的用户可以使用不同的扩频码，并且所有用户同时在相同的频带上进行传输。在接收端，已知这种适合的伪随机扩频码的接收器可以“调谐”至所需的发射器，并忽略其他信号。利用相同频带上的不同扩频码的其他用户传输的效应是最小的，因为他们的不同扩频码只在该信道上引起少量的背景噪声。的确，因为扩频码在更宽的频谱范围上对数据进行扩展，扩频方法(例如CDMA)被认为是相对抗噪声的。

相比之下，替代的FDMA协议工作方式是将可利用的频谱细分为很多窄带信道。在每个通信会话过程中，为每个用户分配一个唯一的频率或波长(唯一的窄带)。

OFDM(也称为离散多音音调制或DMT)协议还将可利用的频谱分为很多窄带信道或音调或谱形，每个信号通过最小的频率或波长间隔彼此隔开。这些窄带音调或谱形信道可以承载正交调幅(QAM)信号或相移键控信号，这些信号被设计用于与相邻窄带信道承载的相似信号最低限度地重叠(与其正交)本质上OFDM方案标出有限的时频网格，这样每个传输的符号被分配至特定的时间和频率坐标。因为OFDM方案使用非常紧密堆积的信道以及载波调制方案(该方案被选择用于使这些很多紧密堆积的音调或谱形信道之间产生最小重叠)，该方法可以获得相对较高的数据传输速率。

尽管OFDM方案相当高效地使用可利用的频谱，并因此受到有线和无线宽带数字通信的欢迎，但这种方法需要接收器和发射器之间非常精确的频率同步。因此，OFDM协议对多普勒移位导致的问题相对敏感，并且当建筑物和其他结构体的反射产生多径效应时，这些问题还会变的更严重。

发明内容

有鉴于在现代世界中越来越多的人使用无线装置，因此对通信协议仍然存在未满足的需求，这些通信协本质上能够利用少量功率承载宽带通信，还对多普勒移位、多径反射以及背景噪声比以前的通信协议更具有抵抗性。本发明是用于实现这些目标的一种新的通信方法。

尽管将在本专利申请全文中使用一些无线实例，但需要注意的是有线通信也具有这些问题中的很多。因此，除非另有说明，在此披露的方法用于涵盖有线通信方法以及无线通信方法。

本发明方法的操作方式是，利用新的时频移位和频谱整形码将数据扩散在时间、频谱、波形或音调或谱形调制上，新的时频移位和频谱整形码在比以前方法更大的程度上利用时移、频移和频谱整形。本发明的方法结合时移技术、频移技术和频谱整形技术，在一些退化情况下该方法类似于TDMA，在其他退化情况下类似于CDMA，而在其他退化情况下类似于OFDM，但在预期的使用模式中是其自己的唯一方法，这里称为正交时频移位和频谱整形(OTFSSS，或可替代地OTFS3)方法。如将要讨论的，这种OTFSSS方法可以高速率地传输数据，通常对多普勒移位、多径效应和背景噪声导致的问题仍具有抵抗性。

本发明操作的方式通常是采用比以前方法更大的“块”或帧来发送数据。也就是说，尽管现有技术的CDMA或OFDM方法可能在通信链路的一组时间间隔上对N个符号进行编码并发送，但本发明通常将在更长的时段上对最少N²个符号进行编码，并且相比于现有技术方法的情况，传输的每个数据符号或元素都在更大程度上扩散在时间、频率和谱形空间上。因此，相对于先前方法，N²个符号在更长的时段上进行组合，并且花费更长的时间开始求解任意给定数据符号的值，因为这种符号必须是在较长时段上逐渐组合或累积的。

更具体地，在传输处理过程中，本发明将在一系列时扩间隔的循环变化的频率范围上对每个数据元素进行细分并传输。相对于替代的通信协议，这常常会要求每个数据元素或符号在实质上更长的时段上进行传输。然而，为了避免使数据速率降至不可接受的缓慢水平，基于在此讨论的各种卷积和解卷积方案，本发明还利用复杂的多路复用方法，以便将相当多的信息封装到每个信号(该信号在循环变化的频率范围上并且在一系列时扩间隔上发送)中。为了恰当地选择卷积和解卷积方案，较慢的数据速率(由于将一个单一数据元素和符号拆分在N个时扩间隔上而导致)可以通过适合的卷积和解卷积方案来补偿，这些方案在由N²个数据符号或元素组成的数据帧或数据矩阵[D]中来发送数据。

因为每个数据符号被细分并在多个信号上发送，在传输和接收过程中这些信号中的一些的损耗不会导致数据符号丢失，因为使用了不同信号处理方案来补偿这些信号中的一些的损耗。同时，可以更容易地补偿由公共无线通信链路损害导致的损耗，例如多普勒移位和多径效应。

例如，对于现有技术，如果偶然由第一发射器的一个无线信号导致的多普勒效应如同第一或第二发射器的另一个信号一样影响了相同的频率(对于多径效应，移动的第一或第二发射器的信号撞击相对于接收器成任意角度的目标可以产生该第一或第二发射器的多普勒失真反射或回声信号，该回声信号也到达接收器)，这可能导致混乱、歧义和数据丢失。相比之下，根据本发明，通过循环移位频率并将数据元素在多个时间间隔上发送，基本上最小化了多普勒“碰撞”的影响-最多将存在一种瞬时效应，它只会导致用于传输特定数据符号或元素的多个信号中的一个的损耗。其他通信链路损害的效应(例如多径效应)也可以最小化，因为循环频移还提供了另一种补偿多径效应的方式。

注意的是，存在至少两种基本途径来分隔循环频移的时间范围上的数据元素和符号，因此构成了本发明的两种基本形式。在本发明的第一形式中，单一符号的数据在多个时间片上进行卷积和分隔，并最终作为一系列时间片以每时间片为基础进行传输，这在某种程度上让人回忆起TDMA方案(尽管十分不同于它)，并且利用这种传输方案在多个时扩间隔上实现循环频移。因此，对于本发明的第一形式，数据传输的基本单元以时间片为基础进行操作。

在本发明的第二形式中，数据最终作为具有特征频率的一系列波形来传输，其中每个波形持续一个时扩间隔(通常包括N个时间片)，并且贯穿这种传输方案的是在多个时扩间隔上实现循环频移。因此，对于本发明的第二形式，数据传输的基本单元在更长的时扩间隔上操作，通常可以将该更长时扩间隔视为由N个时间片组成。除非另有所指，通常贯穿本披露的是，讨论将集中在本发明的第一面向时间片的形式。

返回至本发明的第一基本形式的讨论，在一个实施方案中，该方法通过以下操作产生作用：形成N²个符号或元素的NxN数据帧矩阵，该数据帧与第一NxN时频移位矩阵相乘，选择性地对该结果进行置换，然后将该结果与第二NxN频谱整形矩阵相乘。因此，本质上数据帧中的N²个数据元素混合或分布在所得的整个NxN矩阵乘积中，这里称为“时频移位和频谱整形”数据矩阵或“TFSSS数据矩阵”。因此，例如NxN数据帧的第一行第一列中的一个单一符号或元素最终分布在所得的NxN TFSSS数据矩阵的所有行和列上。

然后可以选择、调制并传输这种TFSSS数据矩阵的内容(即独立元素)。通常每次选择该TFSSS数据矩阵的N个元素(常常是该TFSSS数据矩阵的列)在一个时扩间隔上进行发送，因此经常需要N个时扩间隔来传输该TFSSS数据矩阵的全部内容。这种时扩间隔通常由至少N个时间片组成。在每个时间片中，选择、调制并传输最新选择的N个元素(例如，TFSSS数据矩阵的所选列)中的一个元素。

在接收端，处理过程通常逆向地操作。TFSSS数据矩阵的独立元素在不同的时间片和不同的时扩间隔上接收，从而允许接收器重新组合原始的TFSSS数据矩阵的副本(由于通信链路损害影响，该副本可能不是一个完美的副本)。利用它的关于第一NxN时频移位矩阵、可选择的置换处理、第二NxN频谱整形矩阵和用于选择TFSSS数据矩阵的不同元素的选择处理以及克服损害效果的各种降噪或补偿技术的知识，然后接收器将重构N²个符号或元素的原始NxN数据帧矩阵。因为原始数据帧的每个数据符号或元素常常扩散于整个TFSSS数据矩阵上，TFSSS矩阵的大部分或所有通常需要进行重构以求解原始的数据符号或元素。然而，通过使用降噪和补偿技术，常常可以补偿传输过程中的较小数据丢失。

因此这在相当大程度上了背离了现有技术方法。在此了考虑一种能够以其他方式在每时扩间隔上传输N个矩阵元素的通信链路。现有技术方法例如CDMA方法或OFDM方法可能在每个时扩间隔上传输N个矩阵元素，并且在每个时扩间隔之后，能够对低层的N个数据元素进行解码和计算。相比之下，在本发明的方法中，给定具有相同功能的通信链路，通常需要N个时扩间隔来传输N²个矩阵元素，并且在数据已经扩散在N个时扩间隔上、在N个时扩间隔上传输、然后在N个时扩间隔上接收之前，通常不能对大部分随机选择的数据元素进行解码。因此，在一些OTFSSS(OTFS³)实施方案中，数据传输的整体固有速率(每时扩间隔N个数据元素)可以与替代方法相同，但在中间时刻访问数据的能力将是不同的。

将讨论这种方法在提高处理通信链路损害的能力方面的优点。

附图说明

图1展示了OTFSSS方法的概览，在本文该方法用于在无线链路上传输数据。

图2展示了OTFSSS方法的概览图，在本文该方法用于在无线链路上接收数据。

图3展示了基本构造块(基矢量、数据矢量、傅里叶矢量和传输矢量)中的一些的实例，这些基本构造块用于根据本发明的第二形式对数据进行卷积和解卷积。

图4展示了循环卷积方法的示图，该方法用于根据本发明的第二形式卷积数据并传输数据。

图5展示了循环解卷积方法的示图，该方法用于根据本发明的第二形式对接收的数据进行解卷积。

图6展示了符合第一替代OTFSSS方案的发射器。

图7展示了符合第一替代OTFSSS方案的接收器。

图8展示了符合第二替代OTFSSS方案的发射器。

图9展示了符合第二替代OTFSSS方案的接收器。

图10展示了一种OTFSSS发射器的一个实施方案的更详细示图。

具体实施方式

本发明的一个唯一方面是在比现有技术方法所使用的更大时间、频率和谱形(波形)范围上扩展单一符号的数据的概念。尽管先前的通信方案已经使用了单一符号的数据可以以给定的时间间隔遍布于不同频谱(即，扩频方法)上的方法、或单一元素的数据可以以给定的时间间隔遍布于一系列不同信道或谱形上的方法、或分配单一符号的数据以传输至一个特定时隙的方法，先前方法所共有的一个事实是任意给定数据符号的数据可以分配给一个唯一的时扩间隔或时间片。

相比之下，本发明部分地给予以下认识，就像将数据进行扩展以便在多个频率或多个谱形上传输一个单一符号(例如，对于扩频方法)的优点，所以同样如果用于传输一个单一符号的数据还遍布于多个时扩间隔上，也可能是优点。

可替代地，本发明还被看作是一种调制协议，至少在即将讨论的情况(其中[U₁]和[U₂]都是DFT矩阵)中，该调制协议将多径信道转换为ISI信道。

本发明还部分地基于以下认识，如果任意给定符号的数据在时间、频谱以及谱形(波形)上扩展至比以前更大的范围上，那么这种方法对干扰尤其是多普勒效应和多径效应以及一般的背景噪声效应产生的干扰更具有抵抗力。具体而言，本发明对困扰现有技术方法(例如OFDM方法)的接收器和发射器之间的精确频率同步要求不高。

本质上，本发明同时在时间、频率和谱形(波形)上解卷积一组N2个符号(本文称为“帧”)的数据，其方式是因为每个符号的数据遍布在比以其他方式等同现有技术方法更长的时段上，通常要求该组符号的数据在比以其他方式等同现有技术方法更长的时段上发送。本发明还要求任意给定的符号组的数据在比以其他方式等同现有技术方法更长的时段上累积。

然而，在与先有技术扩频方法有很大偏离的方面(例如，在CDMA中每个不同符号可能利用其自己的唯一伪随机扩频码进行传输)，本发明在一些实施方案中通过数据传输效率(当利用相同的扩频码传输一组符号时产生)对任意较低的数据速率(可能由于在较长时段上扩展每个符号的数据所导致)进行补偿。尽管利用现有的扩频技术(当这种方法是不可行的，因为如果利用相同扩频码传输多个符号，则会产生混乱和歧义)，但本发明在一些实施方案中可以通过利用不同的(但前文定义的)扩频卷积方法在更多时间和频率段上发送时扩符号来解决这种混乱和歧义，这样当所有数据最终累积时，就可以求出整个帧或符号组的解。这种权衡是，最终如前文通常讨论的那样，或者整个多符号数据帧都被接收到，或者一个都没有接收到(即，如果存在太多干扰，那么成功解卷积并恢复多个符号的能力将可能丧失)。然而，如正如即将讨论的，本发明的OTFSSS方法的优越能力通常将使得这种权衡可接受。

作为比较本发明的OTFSSS方法与现有技术的CDMA、OFDM以及TDMA方法之间的不同点的方式，重要的是认识到CDMA主要在频域对数据信号进行解卷积，OFDM主要在谱形域对数据信号进行解卷积，而TDMA至少具有将不同用户分配至不同时隙的构思，尽管这种方法在多个时隙上不拆分特定符号的数据。相比之下，本发明的OTFSSS方法可以在多个时隙、多个频率或频率区域(扩谱)以及多个谱形上解卷积一个单一数据符号的数据信号。这种数据卷积的更大范围在受损的通信链路上产生优越的性能。

可替代地，本发明可以被看作是在通信链路上发送并接收至少一个数据帧([D])的方法，这种数据帧包括具有高达N²个数据元素的矩阵，N大于1。这种方法包括对所述数据帧的数据元素进行卷积，这样当发送时每个数据元素的值遍布多个无线波形上，每个波形具有特征频率，并且每个波形携带了数据帧的多个所述数据元素的卷积结果。而且，在传输过程中，在多个时刻上对该多个无线波形的频率进行循环移位，这样当每个数据元素的值作为在多个时刻上发送的多个循环频率移位的波形来发送。在接收端，接收并解卷积这些无线波形，从而重新构建所述至少一个数据帧[D]的副本。这里，卷积处理的结果直到已经传送并接收了所有这些无线波形才能保证以全精度重构任意数据帧([D])的任意数据元素。

矩阵表述：

贯穿本讨论，应当理解术语“矩阵”的使用是作为各种运算的简明描述，这些运算将通过通信链路发射器或接收器电路(这些仪器常常由微处理器、数字信号处理器、或其他类型的电子集成电路装置实现)来执行。因此，获得具体矩阵的系数所需要的一系列步骤通常对应用于发射器或接收器电路的指令集。例如，一组系数可以指令发射器或接收器执行扩频操作，一组不同的系数可以指令发射器或接收器执行频谱整形调制和解调制操作，而另一组系数可以指令发射器执行各种时扩或时间累积功能。这里，标准矩阵数学运算在本文用作叙述非常复杂的指令序列的简写方式，这些指令序列需要传送并接收复杂的无线信号序列。

因此，当讨论到矩阵相乘，由乘法构成的矩阵中的每个数据元素可以理解为由发射器或接收器电路执行的不同多步骤运算，而不是理解为纯数。因此，例如一个矩阵(可以具有类似扩频的伪随机数)乘以另外一个矩阵(可以具有音调或谱形扩展指令，例如QAM或相移键控指令)，乘以另一个扫描系统、置换方案、或矩阵(可以具有数据指令)所形成的矩阵元素应当理解为指示发射器发射根据这三个方法进行调制的无线电信号，或理解为指示接收器接收并解调制/解码根据这三个方法进行调制的无线电信号。

放到矩阵术语的环境中，在时间、频谱以及音调或谱形上对一组符号的数据进行卷积的OTFSSS方法可以看作是将具有N²个信息元素(符号)的数据帧转换为另一个新的具有N²个元素的矩阵，从而新的转换矩阵中的每个元素(这里称为TFSSS数据矩阵)携带与原始数据帧的所有元素相关的信息。换言之，新转换的TFSSS数据矩阵携带了原始数据帧矩阵[D]的每个元素的加权贡献。接着在连续的时间间隔上传输并接收这种TFSSS数据矩阵。

如前文讨论的，本发明的方法(其中卷积和解卷积的基本单元(卷积单元)由N2个符号或数据元素组成)不同于现有技术的CDMA和OFDM方法，在这些方法中卷积、传输、接收和解卷积操作的基本单元集中在仅由最多N个符号或数据元素组成的较小卷积单元上。

另外，在每个时间间隔上，本发明的方法将对每个数据元素使用不同的波形。相比之下，现有技术的OFDM或CDMA方法通常对每个数据元素总是使用相同的波形。

出于一致性，N²个数据单元在本说明书中通常称为一个“数据帧”。N可以是大于1的任意值，并且在一些实施方案中，位于64到256(包括这两个值)的范围内。

因此，例如如果用于现有技术的CDMA或OFDM通信协议的卷积、传输、接收和解卷积的基本单元是在扩频码上运算的n个符号或元素“d”的数据帧(该数据帧在一个扩频间隔时间上发送N个符号的数据)，其中：

[D_1xn]＝[d₁ d₂...d_n]

那么相比之下，由于卷积、传输、接收和解卷积的基本单元，本发明将采用由N²个元素或符号“d”所组成的更大数据帧(将在以下进行讨论)，这些元素或符号将在多个扩频间隔时间(数量通常是N)上发送这些N²个元素的数据。

[D_{nxn}] = [\begin{matrix} d_{1,1} & d_{1,2} & . . . & d_{1, n} \\ d_{2,1} & d_{2,2} & . . . & d_{2, n} \\ d_{3,1} & d_{3,2} & . . . \\ d_{4,1} & d_{4,2} & . . . & d_{n, n} \end{matrix}]

通常，无论何时本说明书提及数据帧，这应当被认为是对NxN或N²矩阵的引用，例如以上所示的矩阵。(注意，该矩阵中至少一些元素还可以是零或空元素。)

如前文讨论的，本发明将该组N²个符号跨越通信链路在多个时扩间隔上扩展(通常是至少N个时扩间隔或时刻)，其中每个独立的时扩间隔由至少N个时间片组成。注意，出于同步和识别的目的需要潜在的开销，在一些实施方案中，需要为这种开销分配额外的时间片和/或额外的时扩间隔。尽管在大部分讨论中，将通常忽略这种开销，但应当理解的是本披露的目的还包括其中存在这种开销的方法。

因此数据将作为复杂的波形串来传输，一般是在具有100MHz以上的频率的无线电信号上传输，并且常常是在1GHz或更高的频率上。然后通常在至少n个时扩间隔上接收这些无线电频率，其中每个时扩间隔一般由至少n个时间片组成。一旦接收，将对原始的数据帧进行解卷积(即求解)并重构原始的符号组的最可能的系数。应当清楚的是，为了成功地解卷积或求解原始数据帧，接收器通常具有发射器所使用的时间、频谱以及音调或谱形扩展算法的先验知识。

根据本发明，在数学上，传输数据的数据帧(或卷积单元，这里表示为(Nx N)或(N²)矩阵)的过程可以利用标准矩阵乘法数学来描述为：

传输：

1：构建第一NxN矩阵[U₁]和[D]的矩阵乘积(常常写为[U₁]*[D]或更简单的[U1][D]，这里的“*”和简单的紧密连接(例如[U₁][D])都用于表示矩阵乘法)。

2：通过置换运算P，选择性地置换[U₁][D]。通常，可以使用任意可逆的置换运算。P可以是恒等运算，或者可替代地可以是置换运算，这种运算本质上将原始的N x N[U1][D]矩阵的列变换为变换的[U1][D]’矩阵的对角线元素。因此可选择地，P的形式可以是：

P创建一个新的N x N矩阵：

a′_i，j＝a_{i，(j-i)mod n}

其中a是原始矩阵(这里是[U₁][D])，而a′是新矩阵(这里是P[U₁][D])。

为了更清楚，在本披露中，置换运算的结果写为P([U₁][D])。在替代命名中，术语pi_U1(D)有时还用于表示运算：P([U₁][D])。

3：以第二NxN矩阵[U₂]乘以此结果，从而构成：

[P([U₁][D])][U₂]或替代命名的pi_U1(D)*U2。

然后根据简短讨论的方法，传输此信号。

这里[U₁]和[U₂]都是任意的NxN矩阵，通常这些矩阵被选择为减轻对(一般是无线的)通信链路的某些损害，例如宽带噪声、窄带干扰、冲激噪声、多普勒移位、串音等。为了实现此目的，通常将[U₁]和[U₂]选择为整个矩阵具有非零系数，以便以相对高效和统一的方式在频谱和音调或谱形空间上实现卷积单元[D]的所期望的扩展或卷积，而不是简单地将[U₁]和[U₂]选择为相对不重要的单位矩阵[I]，或大部分系数沿着矩阵的中心对角线简单设置的矩阵。通常，还将矩阵系数选择为保持正交性或能够在不同编码方案(体现在各个矩阵的不同行)之间进行区分，并且使自相关效应(出现在无线电信号受到多径效应影响时)最小化。

原则上，[U₁]和[U₂]可以是多种不同的酉矩阵。例如，[U₁]可以是离散傅立叶变换(DFT)矩阵，而[U₂]可以是Hadamard矩阵。可替代地，[U₁]可以是DFT矩阵，而[U₂]可以是啁啾矩阵。可替代地，[U₁]可以是DFT矩阵，而[U₂]也可以是DFT矩阵，等等。因此，尽管为了解释本发明的某些方面可以给出[U₁]和[U₂]的某些具体实例和实施方案，但这些具体实例和实施方案不用于进行限制。

注意，在信号处理中，通常将啁啾矩阵[V]定义为以下一种矩阵，其中如果Ψ是调频速率，

[V]＝diag(Ψ，Ψ²，...Ψⁿ)，Ψ＝e^jψ，并且频率＝e^jω，其中ω是频谱的初始中心频率。

可替代地，可以使用一种替代啁啾矩阵，填充该矩阵的元素的形式为：

V_{j, k} = e^{(\frac{- i 2 π {kj}^{2}}{N})}

其中j是矩阵行，k是矩阵列，而N是矩阵尺寸。

其他常用的正交矩阵(可用于[U₁]、或[U₂]或[U₃](有待讨论))包括离散傅立叶矩阵、多项式指数矩阵、谐波振荡矩阵、前文讨论的Hadamard矩阵、沃尔什矩阵、Haar矩阵、Paley矩阵、Williamson矩阵、M序列矩阵、勒让德矩阵、Jacobi矩阵、Householder矩阵、旋转矩阵和置换矩阵。还可以使用这些矩阵的逆。

如将要讨论的，在一些实施方案中，[U₁]可以理解为时频移位矩阵，而[U₂]可以理解为频谱整形矩阵。为了保持可读性，[U₁]因此常常被称为第一时频移位矩阵，而[U₂]因此常常被称为第二频谱整形矩阵。然而，使用这种命名也不用于进行限制。

转到一些更具体的实施方案，在这些实施方案中，[U₁]可以具有对应于Legendre符号的行或扩展序列，其中矩阵中的每个连续的行可以是它上一行中的Legendre符号的循环移位版本。在替代形式中，这些Legendre符号有时还被称为基矢量，并且有时被称为扩谱码。

在一些实施方案中，可以将[U₂]选择为离散傅立叶变换(DFT)矩阵或逆离散傅立叶变换(IDFT)矩阵。这种DFT或IDFT可用于采用一系列实数或复数，例如N x N(P[U₁][D])矩阵，并进一步将P([U₁][D])矩阵调制为一系列适用于无线传输的谱形。

在替代形式中，DFT和IDFT矩阵[U₂]的各个行有时也被称为傅立叶矢量。通常，傅立叶矢量可以创建以下类型的复正弦波形(音调或谱形)：

X_{j}^{k} = e^{(\frac{- i * 2 * π * j * k}{N})}

其中，对于NxN DFT矩阵，X是DFT矩阵的第k行第N列的傅立叶矢量的系数，而j是列号。该傅立叶矢量的乘积可以认为是音调或谱形。

尽管某些特定的[U₁]和[U₂]会用于传输任意给定的数据帧[D]，但当传输多个数据帧[D]时，所选的特定[U₁]和[U₂]可以在数据帧[D]之间产生变化，并且甚至可以动态地优化以避免在一个通信会话上传输很多数据帧[D]的过程中出现某种通信链路损害。

卷积和调制的过程一般由电子装置来完成，例如装配的微处理器、装配的信号处理器、或控制无线电发射器的卷积和调制部件的其他电路。同样，接收和解调制的过程通常也依赖于装配的微处理器、装配的信号处理器、或控制无线电接收器的解调制、累计和解卷积部件的其他电路。

因此，再次利用矩阵乘法，并且再次回忆这些矩阵全是N x N矩阵，[P([U₁][D])][U₂]代表发射器将在多个时扩间隔、时间片、频率和谱形上分布的TFSSS数据矩阵。再次注意，由于各种矩阵运算和可选置换步骤，调制和传输之后的原始NxN数据矩阵[D]的一个单一元素或符号将遍及不同时扩间隔、时间片、频率和谱形上分布，然后由接收器重新组合并解卷积回到符号的原始单一数据元素。

在接收侧，处理过程本质上是按逆过程进行的。这里，TFSSS数据矩阵([P([U₁][D])][U₂])’(‘表示这是副本)的时间和扩频副本在多个时扩间隔、时间片、频率和谱形上进行累计，然后由本质上是发射电路的配对部件的一个电路进行解卷积，该电路通过执行以下运算对[D]进行求解：

接收：

1：接收([P([U₁][D])][U₂])’

2：第一次左乘[U2]矩阵的Hermetian矩阵([U₂ ^H])，以产生P([U₁][D])。

3：通过(P([U₁][D])P^-1选择性地对该副本进行逆置换，从而产生[U₁][D]。

4.第二次右乘[U₁]矩阵的Hermetian矩阵([U₁ ^H])，以产生[D]。

注意，由于信道中的噪声和其他损害，通常使用信息矩阵和其他标准类型的降噪方法来补偿由于通信链路中的各种损害产生的数据损失或失真。确实，在如此大范围的时间、频率和谱形上扩展数据帧[D]的原始元素的一大优点是很容易理解在传输过程中如何容易地补偿很多不同时间、频率和谱形中一些的损失。

尽管还可以使用其他解卷积方法，但Hermitian矩阵适合于这种应用，因为一般而言对于酉矩阵的任意Hermitian矩阵[U]：

[U][U^H]＝[I]，其中[I]是单位矩阵。

当然，通信链路不能够以无限速率传输数据。这里，从实施本发明的观点来看，重要的数据速率考虑是第一NxN时频移位矩阵、第二NxN频谱整形矩阵、和数据帧的元素以及通信链路的约束条件(例如，可用的带宽、功率、时间量等)被选择为从总体上(并忽略开销)NxN TFSSS数据矩阵的至少N个元素在通信链路上可以在一个时扩间隔内传输。更具体地(并且再次忽略开销)，NxN TFSSS数据矩阵的一个元素通常在每个时扩间隔的每个时间片中进行传输。

给定传输数据的速率，那么整个TFSSS数据矩阵通常可以在N个时扩间隔上传输，并且这种假设一般用于本讨论中。然而，应当清楚的是，假定存在第一NxN时频移位矩阵、第二NxN频谱整形矩阵和数据帧的元素以及通信链路的约束条件之间的其他平衡考量，整个TFSSS数据矩阵可以在小于N个时扩间隔内或大于N个时扩间隔上进行传输。

通常，通过从TFSSS数据矩阵中选择不同的元素可以传输TFSSS数据矩阵的内容，并且在通信链路上发送它们，在多个时扩间隔上每个时间片发送一个元素。尽管在原则上，选择TFSSS数据矩阵的不同元素的这种处理可以由各种不同方法来完成，例如每个单一时扩间隔上发送TFSSS数据矩阵的连续行，每个连续时扩间隔上发送TFSSS数据矩阵的连续列，每个连续时扩间隔上发送TFSSS数据矩阵的连续对角线等等。从通信链路容量来看，使干扰最小化并减少歧义，一些方案常常比另一些更好。因此，通常将[U₁]和[U₂]矩阵以及置换方案P选择为优化传输效率以应对通信链路中的各种损害。

一般而言，传输TFSSS数据矩阵的处理过程(以及接收处理过程的一部分)遵从以下步骤：

1：对于每个单一时扩间隔，选择TFSSS数据矩阵的N个不同元素(通常选择TFSSS矩阵的连续列)。

2：在给定时扩间隔的不同时间片上，从TFSSS数据矩阵的N个不同元素中选择一个元素(每个时间片上选择一个不同元素)，调制该元素，并传输该元素，这样每个不同元素占据了它自己的时间片。

3：在给定时扩间隔的不同所述时间片上接收副本TFSSS数据矩阵的这些N个不同副本元素。这里，在接收端，元素和TFSSS数据称为副本元素和副本TFSSS矩阵，这是因为存在各种通信链路损害的可能失真效应。

4：对所述TFSSS数据矩阵的这些N个不同元素进行解调制。

重复步骤1、2、3和4总共N次，从而在接收器上重新组合所述TFSSS数据矩阵的一个副本。

在一些实施方案中，这种基本模型可能需要一些开销。因此，例如利用某种时间填充(附加的时间片或附加的时扩间隔)，校验和或其他验证或信号置换数据(它们可能以非卷积的方式进行传输)可以由接收器每个时扩间隔一个、每N个时扩间隔一个、或每个时间片间隔一个地返回至发射器，以根据需要请求TFSSS数据矩阵的某些部分的重新传输。

这种方法假设接收器知道第一NxN扩频码矩阵[U₁]和第二NxN频谱整形矩阵[U₂]、置换方案P以及用于从TFSSS矩阵选择元素以在不同时间周期上传输的具体方案。接收器将在接收端实质上获取累计的TFSSS数据矩阵，并利用标准线性代数方法求解原始的NxN数据帧。然而，需要注意的是，因为元素数据帧[D]的每个元素数据符号基本上已经“分布”或“撒落”在整个TFSSS数据矩阵上，并且直到接收器接收了完整的TFSSS数据矩阵并已经完成求解，在很多情况中，直到达到或超过传输完整TFSSS数据矩阵所必需的单个时扩间隔的数量(通常是N个单一时扩间隔)才能保证可以在接收器上重构任意数据帧[D]的任意元素或符号。

为了使发射器成功地对数据帧进行卷积，然后接收器成功地对数据帧进行解卷积，第一NxN时频移位矩阵和第二NxN频谱整形矩阵应当是酉矩阵。

如前文讨论的，在一些实施方案中，第一NxN时扩矩阵[U₁]可以由N行的循环移位勒让德符号或长度N的伪随机数来构建。也就是说，整个NxN扩展矩阵填充了相同勒让德符号的不同循环排列。在一些实施方案中，[U1]矩阵的这个版本可用于谱扩目的，并且例如可以指令发射器迅速地调制任意矩阵(随着时间推移发射器迅速地影响该矩阵)的元素，也就是说具有码片速率，该速率比勒让德符号所作用的矩阵的元素的信息信号位速率快得多。

在一些实施方案中，第二NxN频谱整形矩阵[U₂]可以是离散傅立叶变换(DFT)或逆离散傅立叶变换(IDFT)矩阵。这些DFT和IDFT矩阵可以指令发射器在频谱上对DFT矩阵系数所作用的任意矩阵的元素进行移位。尽管可以使用很多不同的调制方案，但在一些实施方案中可以将这种调制选择为正交频分多路传输(OFDM)类型的调制，在该情况中可以使用像正交调幅或相移键控这样的调制方案，并且这接着可以选择性地在很多紧密间隔的正交子载波上分开。

哪些系数用于第一NxN时频移位矩阵[U₁]，什么系数用于第二NxN频谱整形矩阵[U₂]，并且置换运算P是什么的实际选择常常依赖于通信链路上的实际条件。例如，如果通信链路遭受特定类型的损害，例如宽带噪声、窄带干扰、冲激噪声、多普勒移位、串扰等，那么一些第一NxN时频移位矩阵和一些第二NxN频谱整形矩阵将能够更好地处理这些损害。在本发明的一些实施方案中，发射器和接收器将试图测量这些通信链路损害，并且可以建议替代类型的第一NxN时频移位矩阵[U₁]和第二NxN频谱整形矩阵[U₂]，以便使得各种类型的通信信道损害所导致的数据损失最小化。

图1展示了OTFSSS方法的概览，在此该方法用于在无线链路上传输数据。这里的数据帧(100)是包含N²个符号或数据元素的NxN矩阵[D]，是用于传输的有效载荷。为了对该数据进行编码，发射器将选择NxN[U₁]矩阵(102)和NxN[U₂]矩阵(104)。如前文讨论的，在一些实施方案中，[U₁]矩阵可以是由勒让德符号组成的矩阵或Hadamard矩阵。[U₁]矩阵通常被设计在时间和频率上使基础数据矩阵[D]中的符号或元素产生移位。

[U₂](104)可以是DFT或IDFT矩阵，它们被设计用于在频谱上对信号进行整形。例如在一些实施方案中，[U₂]可以包含一些系数以指示发射器电路以OFDM方式(例如通过正交调幅(QAM)或相移键控或其他方案)对随时间变化的信号进行变换。

一般而言[D](100)乘以[U₁](102)，然后可选择地对这种运算[U₁][D]的矩阵乘积进行置换(110)，以构成P([U₁][U₂])。在下一个步骤114)，该矩阵接着乘以[U₂](104)，从而构成NxN TFSSS数据矩阵。

然后一次一个单一元素地选择TFSSS矩阵的不同元素(116)，通常一次选择一列N个元素，然后将这些元素准备用于进行调制和传输(118)。在调制和传输过程中，在每个时间片上，单独的TFSSS矩阵元素的实数分量和虚数分量用于控制时变的无线电信号(120)。这个过程更详细地示于图(10)中。

因此TFSSS矩阵的一个列通常将在一个单一时扩间隔内发送(108)，其中该列中的每个元素在一个时间片中发送(112)。忽略开销影响，一个完整的NxN TFSSS矩阵通常可以在N个单一时扩间隔上传输(122)。

图2展示了OTFSSS方法的概览，这里该方法用于在无线链路上接收数据。就像发射器经常是混合的模拟/数字装置一样，能够在数字部分执行矩阵计算，然后在模拟部分将结果转换为模拟信号，接收器也能够在接收器的模拟部分接收并解调制无线电信号，然后常常在接收器的数字部分对这些信号进行解码或解卷积。这里接收原始的无线电信号(120)，它不是原始的传输信号的精确备份，因为所接收的无线电信号常常具有由通信链路损害所产生的附加伪影、损伤或失真。因此，原始信号(120)的受损对应形式以(220)示在图2中。因此TFSSS矩阵的原始元素的副本在每个时间片(112)上接收并解调制(222)，常常是每个时扩间隔上完成一列(108)，接收器将在N个单一时扩间隔上累计这些元素(124)，最终累计足够的元素(224)以产生原始TFSSS矩阵的一个副本。

为了解码或解卷积这种TFSSS矩阵，在接收器的数字部分，矩阵通常首先左乘[U₂]矩阵的Hermetian矩阵[U₂ ^H](204)，然后进行逆置换步骤P^-1(226)。接着，通过右乘(230)原始NxN时频移位矩阵[U₁]的Hermetian([U₁ ^H](202))，将TFSSS矩阵解卷积回原始数据矩阵[D]。因为重构的信号通常具有由于各种通信链路损害产生的一些噪声和失真，一般使用各种标准降噪和统计平均技术(例如信息矩阵)来帮助这种处理(未示出)。在处理结束时，可以重构原始的数据矩阵[D]。

多用户

注意，这种方法还可以用于利用多个发射器发送多用户的数据(这里通常称为多发射器情况)。

例如，假设有多个用户“a”、“b”、“c”和“d”，每个用户利用本发明的方案发送只具有N个元素的一个现有技术数据帧的对等形式。

每个用户可以利用一种方案将它们的数据的N元素重新封装为本发明的更大的N²数据帧，在该方案中每个用户根据以下方案封装它们的数据矩阵[D]，其中每个用户将数据封装为它们各自数据帧的一个列，并将其他列置空(系数设置为零)。

用户“a”将“a”数据的N个帧发送为：

[D_{a}] = [\begin{matrix} a_{1,1} & 0_{1,2} & . . . & 0_{1, n} \\ a_{2,1} & 0_{2,2} & . . . & 0_{2, n} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ a_{n, 1} & 0_{n, 2} & . . . & 0_{n, n} \end{matrix}]

用户“b”将“b”数据的N个帧发送为

[D_{b}] = [\begin{matrix} 0_{1,1} & b_{1,2} & . . . & 0_{1, n} \\ 0_{2,1} & b_{2,2} & . . . & 0_{2, n} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ 0_{n, 1} & b_{n, 2} & . . . & 0_{n, n} \end{matrix}]

用户“n”将“n”数据的N个帧发送为

[D_{n}] = [\begin{matrix} 0_{1,1} & 0_{1,2} & . . . & n_{1, n} \\ 0_{2,1} & 0_{2,2} & . . . & n_{2, n} \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ 0_{n, 1} & 0_{n, 2} & . . . & n_{n, n} \end{matrix}]

由于每个独立的用户“a”、“b”..“n”可以知道数据矩阵上它们被指定的时隙，那么所有用户可以在相同信道(同一个通信链路)上进行传输。信号将完整地进行总计，并且不同信号[D_a]、[D_b]...[D_n]可以在接收端上接收，就好像它是仅由一个发射器发送的一个完整数据帧，并且如之前一样解卷积。

如前文讨论的，本发明方法的一个优点是对多普勒移位和频移具有增强的抵抗性。例如，如果不同用户“a”、“b”...“n”中任意一个传输的信号发生频移，考虑会发生什么。如果使用现有技术的无线传输方法(例如OFDM)，频移和时移将对在相邻区域正在发射和接收的其他无线装置产生大量干扰。相比之下，通过使用本发明的OTFSSS方法，只有在TFSSS数据矩阵的相邻(即，在矩阵的局部行或列上)区域上向受影响的无线装置传输的无线装置会受到影响。

在很多情况中，由于本发明的时间、频率和频谱整形的较大自由度，受损装置的净效应在很大程度是透明的，因为本发明具有在受损通信链路上产生作用的优越能力。在其他情况中，因为局部受损的装置可以利用更高的精度来识别，基站可以向受损的装置发送校正信号，或切断该受损装置。

返回到[U₁]可以具有对应于伪随机序列的行的特定情况中，使用矩阵中每个连续行是它之上的行中伪随机序列的循环旋转版本的方案，这是有帮助的。因此，整个NxN矩阵可以包括长度为N的一个单一伪随机序列的连续循环旋转版本。

在替代的实施方案中，矩阵乘法步骤之后，系统接着可以在一系列单一时扩间隔上发送结果矩阵的对角线，每个单一时扩间隔上发送一个对角线，这样最终N x N矩阵的N个列(或更一般地是N个数据元素)在N个时间间隔上传送。

TFSSS数据矩阵[[U₁][D]][U₂]的独立元素在通信链路上发送的顺序由传输矩阵或传输矢量来控制。

对于图3、4和5，我们将短暂地离开本发明的第一形式的讨论(在第一种形式中数据是每时间片一次地进行传输)，并简要地讨论本发明的第二种形式，其中数据通过交替处理进行传输，在交替处理中传输的基本单元不是采用基于时间片的短脉冲形式，而是基于持续一个时扩间隔(通常是N个时间片)的一系列波形。

本发明的第二种形式的一般构思是，尽管存在一种在通信链路上传输并接收至少一个数据帧[D](由具有N²个数据元素的一个矩阵组成)的方法，但在第二种形式中，每个数据元素被分配一个唯一波形(指定一个相应波形，或者由波形矩阵pi_U1(D)指定)，该波形源自持续N个时间片的一个基本波形。然而，就像本发明的第一种形式一样，本发明的第二种形式也具有使数据矩阵[D]的数据元素在时间范围上扩展的净效应和利用不同基本处理的循环频移。

在本发明的第二形式中，为每个数据元素分配一个唯一波形(对应波形)，该波形源自长度为N个时间片的一个基本波形，数据元素是这种基本波形的时间和频率循环移位的特定组合。

在本发明的第二形式中，数据帧[D]中的每个元素乘以它的相应波形，从而产生一系列N²个加权唯一波形。在一个时扩间隔(通常由N个时间片组成)上，对应于所述数据帧[D]中每个数据元素的所有N²个加权唯一波形同时进行组合并传输。另外，长度(或持续时间)为N个时间片的一个不同唯一基本波形用于每个连续时扩间隔。其中，长度为N个时间片的一个不同唯一基本波形用于每个连续的时扩间隔，并且该组N个唯一波形构成了一个正交基。[D]的每个元素部分地反复在所有N个时扩间隔上传输。

为了利用本发明的第二形式来接收数据，在每个时扩间隔(同样由N个时间片组成)上，接收到的信号与该组所有N²个波形做相关，该这些波形事先由所述发射器分配给该特定时扩间隔的每个数据元素。(因此，就像其他编码/解码方法一样，本发明的这种第二形式也要求接收器具有该组N²个波形(发射器将它们分配给每个数据元素)的知识。一旦执行这种相关，接收器将为N²个数据元素的每一个产生一个唯一相关分数。这种处理将在所有N个时扩间隔上重复。原始的数据矩阵[D]因此可以由接收器通过对每个数据元素在N个时扩间隔上求和相关分数来重构，并且这种相关分数的这种求和将重新产生数据帧[D]的N²个数据元素。

图3展示了基本构造块(基矢量、数据矢量、傅立叶矢量和传输矢量)中一些的实例，这些基本构造块用于根据本发明的第二形式对数据进行卷积和解卷积。这里数据矢量(300)可以理解为NxN[D]矩阵的N个元素(通常是一个行、列或对角线)，基矢量(302)可以理解为NxN[U₁]矩阵的N个元素(通常是一个行、列或对角线)，傅立叶矢量(304)可以理解为NxN[U₂]矩阵(通常是DFT或IDFT矩阵)的N个元素(通常是一个行、列或对角线)。传输矢量(306)可以理解为控制扫描过程，并且传输帧(308)由多个单元T^m(310)组成，每个单元本质上是时扩间隔，其本身由多个时间片组成。因此，传输矢量可以理解为包含N个单一时扩间隔(122)(310)，而时扩间隔又由多个(例如N个)时间片组成。

注意，在无线电信号调制方面，本发明的第二形式和本发明的第一形式之间存在差异，第一种形式中每个波形存在于由多个(例如N个)时间片组成的时扩间隔上，而第二种形式中，无线信号基本上以每时间片为基础地进行传输。这由线(312)来表示，该线表明每个傅立叶矢量波形(304)显示在时扩间隔T^m(310)上。

图4展示了一种循环卷积方法的图示，该方法可用于卷积数据并根据本发明的第二形式传输数据。如前文讨论的，尤其是在[U₁]由长度为N的循环置换的勒让德数来组成的情况中，那么卷积数据并扫描数据的矩阵数学处理过程可替代地理解为基本数据的循环卷积。这里，d⁰、d^k、d^N-1可以理解为[D]矩阵的数据矢量(300)分量的元素或符号，b^m系数可以理解为表示[U₁]矩阵的基矢量(302)分量，而X系数可以理解为表示[U₂]矩阵的傅立叶矢量(304)分量。

图5展示了根据本发明的第二形式的一种循环解卷积方法的图示，该方法可用于解卷积接收到的数据。同样如前文所讨论的，尤其是在[U₁]由长度为N的循环置换的勒让德数来组成的情况中，那么解卷积数据并重构数据的矩阵数学处理过程可替代地理解为先前在图4中卷积的传输数据的循环解卷积。这里，～d⁰、～d^k、～d^N-1可以理解为[D]矩阵的数据矢量(400)分量的重构元素(符号)，b^m系数同样可以理解为表示[U₁]矩阵的基矢量(302)分量，而X系数同样可以理解为表示[U₂]矩阵的傅立叶矢量(304)分量这里(R_m)(402)是接收器接收的并解调的累积信号(230)的一部分。

在这种替代方案或实施方案中，可以将本发明理解为一种在通信链路上传输至少一个数据帧[D]的方法，包括：创建在多个时扩间隔上操作的多个时间-频谱-音调或谱形扩展码，每个单独的时扩间隔由至少一个时钟间隔组成；每个时间-频谱-音调或频谱整形扩展码包括第一时频移位、第二频谱整形和时扩码或扫描和传输方案的功能。

如果该单独的时扩间隔仅由一个时间片或时钟间隔组成，那么可以将该系统看作基本上退化为类TDMA的传输方法。如果时频移位是一个常数，那么可以将该系统看作基本上退化为类OFDM方法。如果频谱整形是一个常数并且时扩间隔是多个时钟间隔，那么可以将该系统看作基本上退化为类CDMA方法。

返回到本发明的第一形式的讨论中，关于基本[[U₁][D]][U₂]数据传输和重构处理过程的一些变化形式是可能的，并且这些变化形式更详细地示于图6至9中。

图6展示了符合第一替代方案的第一发射器方案。这里数据矩阵[D]可以进一步借助第三酉矩阵[U₃]来卷积，该第三酉矩阵可以是IDFT矩阵。这里[U1]可以是DFT矩阵，而[U₂]可以是DFT矩阵乘以一个基的乘积。在这种方案中，扫描并处理数据的处理过程由前文描述的置换运算P来表示。基本的传输处理因此可以表示为[U₃]*[P([U₁][D])]*[U₂]。这里，[D]以(600)示出，而([U₁][D])以(602)示出。这种置换版本P([U₁][D])以(604)示出。[U₃]以(606)示出，[U₂]以(608)示出，而最终的乘积[U₃][P([U₁][D])][U₂]以(610)示出。注意，[U₃]是DFT矩阵、IDFT矩阵或不重要的单位矩阵(在此情况中，这种第一替代方案退化为完全不调用[U₃]的方案)。

通过从(602)的列到(604)的对角线的箭头的变化位置，可以对置换运算P的一些效果进行符号化。

图7展示了符合第一替代方案的接收器。这里，在各种通信链路损害影响后，发射器接收并累积的数据表示为[r]矩阵。[r]矩阵的解调制和解卷积(解码)的方式是，形成最初用于对数据[D]进行编码和调制的原始[U₁]、[U₂]、以及[U₃]矩阵的Hermetian矩阵，以及撤销原始的置换运算P(用于扫描并在多个时间间隔上传输数据)的逆置换运算P^-1。这里，[U₁ ^H]可以是IDFT矩阵，[U₃ ^H]可以是DFT矩阵，而[U₂ ^H]可以是DFT矩阵乘以一个基。

这里[r]是(700)，[U₂ ^H]是(702)，并且P^-1([U₃ ^H][r][U₂ ^H])是(704)，而重构的数据矩阵[D]是(706)。

图8展示了符合第二替代方案的发射器。这里，原始的数据矩阵[D]是(800)，[U₁][D]是(802)，而P([U₁][D])是(804)。[U₂]是(806)，传输的信号[P([U₁][D])]*[U₂]是(808)。这里[U₁]是Hadamard矩阵(即，由相互正交的行组成的方阵，系数为+1或-1)。该矩阵具有属性H*H^T＝nI_n，其中I_n是nxn的单位矩阵，而H^T是H的转置。通过从(802)的列到(804)的对角线的箭头的变化位置，可以对置换运算P的一些效果进行符号化。

图9展示了符合第二替代方案的接收器。这里，[r]同样表示接收的数据。如前文，[r]矩阵的解调制和解卷积(解码)的方式是，形成最初用于对数据[D]进行编码和调制的原始[U₁]以及[U₂]矩阵的Hermetian矩阵，以及撤销原始的置换运算P(用于扫描并在多个时间间隔上传输数据)的逆置换运算P^-1。这里[r]是(900)，[U₂ ^H]是(902)，并且P^-1([r][U₂ ^H])是(904)，而重构的数据矩阵[D](该数据由[U₁ ^H]*P^-1([r]*[U₂ ^H]产生)是(906)。

图10展示了OTFSSS发射器(1000)的一个实施方案的更为详细的实例，该实施方案先前在图1中并未详细地展示。发射器可以分解成为更面向数字化的计算端(1002)和更面向模拟化的调制端(1004)。在数字端(1002)，一个电路(它可以是微处理器、数字信号处理器或其他类似装置)将进行接收(当输入数据矩阵[D](100)时)并且可以产生或进行接收(当输入[U₁](102)和[U₂](104)矩阵以及可选的置换方案P时)。然后数字部分将产生TFSSS矩阵。一旦产生，这种矩阵的独立元素的选择方式是，通常首先选择TFSSS矩阵的一列N个元素来来选择，然后向下扫描列并每次挑出独立的元素(1006)。通常在每个时间片(112)上将选择一个新的元素。

因此在每个连续的时间片上，TFSSS矩阵(1008)的一个元素将用于控制调制电路(1004)。在本发明的一个实例中，调制方案为元素被分成其实部和虚部，经过截断和滤波，然后用于控制正弦和余弦发生器的操作，从而产生模拟无线电波形(120)。然后该波形到达接收器，在接收器上先前如图2中所示对其进行解调制和解卷积。因此，在这种方案中(同样忽略开销影响)，TFSSS矩阵的第一列的元素t_1，1可以在第一时间片中进行发送，而TFSSS矩阵的第一列的第n个元素可以在第一时扩间隔的最后一个时间片中进行发送。TFSSS矩阵的第二列的元素t_1，2可以在第二时扩间隔的第一时间片中进行发送，以此类推。

容纳多个用户

如前文讨论的，正在使用不同发射器(或简单地多个发射器)的多个用户可以在相同通信链路上使用相同的协议进行通信。这里，例如每个用户或发射器可以只选择N²大小的数据帧中的少量数据元素进行发送或接收它们对应的数据。例如，用户可以出于他们的目的而简单地选择该数据帧的一列，并将其他列设为零。然后用户的装置将计算TFSSS数据矩阵并像往常一样发送和接收它们。

容纳不同类型的通信链路(信道)损害

如前文讨论的，本发明方法的一个优点是对通信信道损害具有增强的抵抗性。这种抗损害性可以通过进一步选择第一NxN时频移位矩阵来提高，并且选择第二NxN频谱整形矩阵以便最小化一个异常发射器(受到相邻元素上的多普勒移位或频移的影响)对TFSSS数据矩阵的元素的影响，该数据矩阵与所述异常发射器所占据的所述TFSSS数据矩阵的元素相邻。可替代地，接收器可以分析问题，确定是否替代的第一NxN时频移位矩阵组和/或所述第二NxN频谱整形矩阵将简化问题，并建议或命令对相应的一个或多个发射器作出响应的改变。

每符号的功率和能量考虑：

相对于现有技术，本发明还能够在传输距离、发射器功率和信息数据速率之间作出更复杂的权衡。这是因为每个符号都散布在更多间隔上。例如，对于TDMA，每个传输的符号的功率一定十分高，因为该符号只在一个时间间隔上传输。对于CDMA，该符号基本上在N个间隔上传输，每间隔的功率相应地较少。因为本发明在N²个不同形态(例如，波形、时间)上传输信息的位或符号，所以每形态的功率更少。除了其他因素以外，这意味着冲激噪声(通常只影响特定时间间隔上的特定波形)的效果将会更少。这还意味着由于本发明能够使信号传输形态(波形、时间)的数量减少，可以利用更多的自由度来优化信号，以便最佳地对应于当时的具体通信链路损害环境。

替代实施方案

因此在一个实施方案中，本发明可以是时间、频率和频谱整形通信方法的无线组合，该方法在NxN(N²)的卷积单元矩阵(数据帧)中传输数据，在这种方案中通常在N个时扩间隔(每个由N各时间片组成))上接收所有N²个数据符号，或一个都不接收。为了进行传输，N²大小的数据帧矩阵乘以第一NxN时频移位矩阵，置换，然后乘以第二NxN频谱整形矩阵，从而在整个所得的NxN矩阵(TFSSS数据矩阵)上混合每个数据符号。对N²的TFSSS数据矩阵的列在每时间片一个元素地进行选择、调制和传输。在接收端，重构并解卷积一个副本TFSSS矩阵，从而使数据显示出来。该方法可以立即容纳多个用户，可以适应变化的信道条件，并且对处理信道损害(例如多普勒移位)是尤其有帮助的。

在一个替代实施方案中，本发明可以是时间、频率和频谱整形通信方法的无线组合，该方法在NxN(N²)的卷积单元矩阵(数据帧)中传输数据，在这种方案中通常在N个时扩间隔(每个由N各时间片组成))上接收所有N²个数据符号或元素，或一个都不接收。为了进行传输，为每个数据元素分配一个唯一波形，该波形源自在一个扩时间隔上持续N个时间片的一个基本波形，其中每个基本波形具有时间和频率循环移位的数据元素特定组合。在接收端，接收到的信号与该组所有N²个波形做相关，该这些波形事先由所述发射器分配给该特定时扩间隔的每个数据元素，从而为N²个数据元素的每一个产生一个唯一相关分数。这些分数在每个数据元素上求和，并且求和产生了数据帧。

Claims

1.一种在通信链路上传输并接收至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，所述方法包括：

创建一个正交矩阵集，

所述正交矩阵集包括一个第一N x N矩阵([U₁])和一个第二N x N矩阵([U₂])；

其中所述通信链路和所述正交矩阵集被选择为能够在一个时扩间隔上传输所述第一N x N矩阵([U₁])、一个数据帧([D])和所述第二N x N矩阵([U₂])的矩阵乘积的至少N个元素；

所述时扩间隔由至少N个时间片组成；

形成所述第一N x N矩阵([U₁])和所述数据帧([D])一个第一矩阵乘积；

通过可逆置换运算P来置换所述第一矩阵乘积，从而形成一个置换的第一矩阵乘积P([U₁][D])；

形成所述置换的第一矩阵乘积P([U₁][D])和所述矩阵([U₂])的一个第二矩阵乘积，以形成一个卷积的数据矩阵；

通过以下步骤在所述通信链路上传输并接收所述卷积的数据矩阵：

1:对于每个单一时扩间隔，选择所述卷积的数据矩阵的N个不同元素；

2:在所述时扩间隔的不同所述时间片上，从所述卷积的数据矩阵的所述N个不同元素中选择一个元素，调制所述一个元素，并传输所述一个元素，以便每个所述一个元素占据它自己的时间片；

3:在所述时扩间隔的不同所述时间片上接收所述卷积的数据矩阵的所述N个不同元素；

4:解调制所述卷积的数据矩阵的所述N个不同元素；

重复步骤1、2、3和4总共N次，从而在接收器上重新组合所述卷积的数据矩阵的一个副本；

使用所述第一N x N矩阵([U₁])和所述第二N x N矩阵([U₂])从所述卷积的数据矩阵来重构所述数据帧([D])；并且

其中直到已经恢复了所述整个卷积的数据矩阵才能保证以满精度重构一个任意数据帧([D])的一个任意数据元素。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述矩阵([U₁])和所述矩阵([U₂])从以下群组中选择，该群组由以下内容构成：1：所述矩阵([U₁])是DFT矩阵并且所述矩阵([U₂])是Hadamard矩阵，2：所述矩阵([U₁])是DFT矩阵并且所述矩阵([U₂])是啁啾矩阵，3：所述矩阵([U₁])是DFT矩阵并且所述矩阵([U₂])是DFT矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一N x N矩阵([U₁])是时频移位矩阵([U₁])，并且所述第二N x N矩阵([U₂])是频谱整形矩阵([U₂])。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在形成所述第一N x N矩阵([U₁])和所述数据帧([D])的第一矩阵乘积并通过可逆置换运算来置换所述第一矩阵乘积，从而形成一个置换的第一矩阵乘积P([U₁][D])，后续步骤进一步包括：

在发射器上，使用一个第三酉N x N矩阵([U₃])来矩阵乘所述置换的第一矩阵乘积P([U₁][D])，该第三酉N x N矩阵是DFT矩阵或IDFT矩阵；并且

在所述接收器上，使用所述第三酉矩阵([U₃])重构所述数据帧([D])。

5.一种在通信链路上传输并接收至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，所述方法包括：

创建一个正交时频移位和频谱整形矩阵集，

所述正交时频移位和频谱整形矩阵集包括一个第一N x N时频移位矩阵([U₁])和一个第二N x N频谱整形矩阵([U₂])；

其中所述通信链路和所述正交时频移位和频谱整形矩阵集被选择为能够在一个时扩间隔上传输所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])、一个数据帧([D])和所述第二N x N频谱整形矩阵([U₂])的一个矩阵乘积的至少N个元素；

所述时扩间隔由至少N个时间片组成；

形成所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])和所述数据帧([D])的第一矩阵乘积；

形成所述置换的第一矩阵乘积P([U₁][D])和所述矩阵([U₂])的一个第二矩阵乘积，以形成一个时频移位频谱整形数据矩阵(TFSSS数据矩阵)；

通过以下步骤在所述通信链路上传输并接收所述TFSSS数据矩阵：

1:对于每个单一时扩间隔，选择所述TFSSS数据矩阵的N个不同元素；

2:在所述时扩间隔的不同所述时间片上，从所述TFSSS数据矩阵的所述N个不同元素中选择一个元素，调制所述一个元素，并传输所述一个元素，以便每个所述一个元素占据它自己的时间片；

3:在所述时扩间隔的不同所述时间片上接收所述TFSSS数据矩阵的所述N个不同元素；

4:解调制所述TFSSS数据矩阵的所述N个不同元素；

重复步骤1、2、3和4总共N次，从而在接收器上重新组合所述TFSSS数据矩阵的一个副本；

使用所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])和所述第二N x N频谱整形矩阵([U₂])从所述TFSSS数据矩阵来重构所述数据帧([D])；并且

其中直到已经恢复了所述整个TFSSS数据矩阵才能保证以满精度重构任意数据帧([D])的一个任意数据元素。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])是离散傅立叶变换(DFT)矩阵，并且所述第二N x N频谱整形矩阵([U₂])由循环移位的勒让德符号组成。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])由循环移位的勒让德符号组成，并且所述第二N x N频谱整形矩阵([U₂])由是离散傅立叶变换(DFT)矩阵。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述时频移位矩阵([U₁])和所述频谱整形矩阵([U₂])从以下群组中选择，该群组由以下内容构成：1：所述时频移位矩阵([U₁])是DFT矩阵，并且所述频谱整形矩阵([U₂])是Hadamard矩阵，2：所述时频移位矩阵([U₁])是DFT矩阵，并且所述频谱整形矩阵([U₂])是啁啾矩阵，3：所述时频移位矩阵([U₁])是DFT矩阵，并且所述频谱整形矩阵([U₂])是DFT矩阵。

9.根据权利要求5所述的方法，其中基于通信链路条件选择所述正交时频移位和频谱整形矩阵集。

10.根据权利要求5所述的方法，其中多个不同的发射器可以各自通过选择所述数据帧的不同或非重叠数据元素在所述通信链路上进行通信以用于传输或接收它们各自的数据。

11.根据权利要求10所述的方法，其中选择所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])和所述N x N频谱整形矩阵([U₂])以便最小化一个异常发射器对所述异常发射器所占据的所述TFSSS数据矩阵的元素的影响，该异常发射器受到相邻元素上的多普勒移位或频移的影响。

12.根据权利要求10所述的方法，其中受到多普勒移位或频移影响的一个发射器由至少一个接收器来检测并被指令对所述多普勒移位或所述频移进行校正。

13.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一N x N时频移位矩阵([U₁])是正交频分复用(OFDM)扩频码的矩阵，并且所述第二N x N频谱整形矩阵([U₂])是码分多址(CDMA)扩频码的矩阵。

14.根据权利要求5所述的方法，其中所述置换运算P是一种恒等运算。

15.根据权利要求5所述的方法，其中选择所述TFSSS数据矩阵的N个不同元素是通过从所述TFSSS数据矩阵的列中选择所述N个不同元素来完成的。

16.一种在通信链路上传输至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，所述方法包括：

获取一个混合模数无线发射器；

创建一个正交矩阵集，

其中所述通信链路和所述正交矩阵集被选择为能够在一个时扩间隔上传输所述第一N x N矩阵([U₁])、一个数据帧([D])和所述第二N x N矩阵([U₂])的一个矩阵乘积的至少N个元素；

所述时扩间隔由至少N个时间片组成；

形成所述第一N x N矩阵([U₁])和所述数据帧([D])的第一矩阵乘积；

通过以下步骤在所述通信链路上传输所述卷积的数据矩阵：

重复步骤1和2总共N次，直到已经传输了所述完整的卷积数据矩阵。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述混合模数无线发射器包括一个微处理器或一个数字信号处理器。

18.一种在通信链路上接收至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，所述方法包括：

获取一个混合模数无线发射器；

创建一个正交矩阵集，

所述时扩间隔由至少N个时间片组成；

创建一个置换运算P；

通过以下步骤在所述通信链路上接收一个卷积的[P([U₁][D])][U₂]数据矩阵的一个副本：

1:对于每个单一时扩间隔，在所述时扩间隔的不同所述时间片上接收一个卷积的[P([U₁][D])][U₂]数据矩阵的所述副本的所述N个不同元素；

2:解调制一个卷积的[P([U₁][D])][U₂]数据矩阵的所述副本的所述N个不同元素；

重复步骤1和2总共N次，从而在该接收器上重新组合所述卷积的[P([U₁][D])][U₂]数据矩阵的一个副本；

使用所述第一N x N矩阵([U₁])和所述第二N x N矩阵([U₂])从一个卷积的[P([U₁][D])][U₂]数据矩阵的所述副本重构所述数据帧([D])；并且

其中直到已经恢复了一个卷积[P([U₁][D])][U₂]数据矩阵的一个完整副本才能保证以满精度重构任意数据帧([D])的一个任意数据元素。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述混合模数无线接收器包括一个微处理器或一个数字信号处理器。

20.一种在通信链路上传输并接收至少一个数据帧([D])的方法；

所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，

所述方法包括：

对所述数据帧([D])的数据元素进行卷积，以便在传输时每个数据元素的值扩展在多个无线波形上，每个波形具有一个特征频率，并且每个波形承载该数据帧的多个所述数据元素的卷积结果；

通过在多个时刻上循环移位该多个无线波形的频率来传输所述卷积结果，以便每个数据元素的值作为在多个时刻上发送的多个循环频率移位波形来传输；

接收并解卷积在多个时刻上发送的所述多个循环频率移位波形，从而重构至少一个数据帧([D])的一个副本；

其中所述卷积和解卷积为直到已经传输并接收了实质上所有的所述多个循环频率移位波形才能保证以满精度重构任意数据帧([D])的一个任意数据元素。

21.根据权利要求20所述的方法，其中为每个数据元素分配一个唯一波形(相应的波形)。

22.根据权利要求21所述的方法，其中每个所述唯一波形源自在一个时扩间隔上持续N个时间片的一个基本波形，具有所述基本波形的时间和频率循环移位的数据元素特定组合。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步将所述数据帧[D]中的所述数据元素乘以它的相应波形，从而产生N²个加权唯一波形。

24.根据权利要求23所述的方法，其中在一个时扩间隔上，对应于所述数据帧[D]中每个数据元素的所有N²个加权唯一波形同时进行组合。

25.根据权利要求24所述的方法，其中持续N个时间片的一个不同的唯一基本波形用于每个连续时扩间隔。

26.根据权利要求25所述的方法，其中一组N个唯一波形用于每个连续时扩间隔。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述N个唯一波形的集合形成一个正交基。

28.一种在通信链路上传输至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，所述方法包括：

获取一个混合模数无线发射器；

为每个数据元素分配一个唯一波形(相应的波形)，该唯一波形源自在一个扩时间隔上持续N个时间片的一个基本波形，具有所述基本波形的时间和频率循环移位的数据元素特定组合；

将所述数据帧[D]中的所述数据元素乘以它的相应波形，从而产生N²个加权唯一波形；

其中在一个时扩间隔上，对应于所述数据帧[D]中每个数据元素的所有N²个加权唯一波形同时进行组合；

其中持续N个时间片的一个不同唯一基本波形用于每个连续时扩间隔。

29.根据权利要求28所述的方法，其中一组N个唯一波形用于每个连续时扩间隔。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述N个唯一波形的集合形成一个正交基。

31.根据权利要求28所述的方法，其中所述混合模数无线接收器包括一个微处理器或一个数字信号处理器。

32.一种在通信链路上接收至少一个数据帧([D])的方法，所述数据帧包括具有多达N²个数据元素的一个矩阵，N大于1，所述方法包括：

获取一个混合模数无线发射器；

在N个时间片的每个时扩间隔上，将接收到的信号与先前由该特定时扩间隔的一个发射器分配给每个数据元素的该组所有N²个波形进行相关，从而为N²个数据元素的每一个产生一个唯一相关分数；

对于每个数据元素，对N个时扩间隔上的所述相关分数进行求和；

其中所述相关分数的求和重新产生所述至少一个数据帧[D]的所述N²个数据元素。

33.根据权利要求32所述的方法，其中一组N个唯一波形用于每个连续时扩间隔。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述N个唯一波形的集合形成一个正交基。

35.根据权利要求32所述的方法，其中所述混合模数无线接收器包括一个微处理器或一个数字信号处理器。