CN112600783A - 一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，包括：获取OTFS系统的时频信号；对时频信号进行Golay分组编码，得到L组码字数据；对L组码字数据进行Heisenberg变换，得到L组时域信号；根据L组时域信号建立系统时域信号模型并计算最优解，得到系统最终发送的时域信号。本发明提供的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法可有效降低OTFS系统的峰均比，并减少非线性失真和带外频谱泄露问题，提高系统性能。

Description

一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法。
背景技术
在移动通信当中，“空中接口”定义了终端设备与网络设备之间的电波链接的技术规范，使无线通信像有线通信一样可靠。随着科技的发展，多种多样的需求和使用场景对通信技术的空中接口和相关波形提出了更高的要求，尤其是高速应用场景，例如高速列车应用等。而传统的正交频分复用(OFDM)4G调制技术在高速应用场景中，多普勒频移会破坏子载波之间的正交性，从而导致载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)，使系统性能急速下降。随着通信技术的发展，第五代移动通信技术(简称5G技术或5G)已逐渐被应用到越来越多的领域和场合，因而需要研究新的波形以满足5G使用场景中所需的性能要求。
近年来，研究人员提出了一种正交时频空间(Orthogonal Time-FrequencySpace，OTFS)技术，其主要思想是将时变多径信道转换成延迟多普勒域中的二维信道。这是一种新的调制方案，通过这种变换，再加上该域中的均衡，即使在具有高多普勒、大天线阵列或毫米波等高频的信道中，每个传输符号也能获得接近恒定的信道增益，可以很好地应对快速时变信道中的时延与多普勒频移。
然而，作为一种新型多载波，OTFS技术会带来高峰值平均功率比(PAPR，简称峰均比)问题，而高PAPR要求功率放大器具有足够大的动态范围，这使得放大器的效率较低，且会导致信号失真和带外频谱泄漏问题，从而导致系统性能下降。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，包括：
获取OTFS系统的时频信号；
对所述时频信号进行Golay分组编码，得到L组码字数据；
对所述L组码字数据进行Heisenberg变换，得到L组时域信号；
根据所述L组时域信号建立系统时域信号模型并计算最优解，得到系统最终发送的时域信号。
在本发明的一个实施例中，对所述时频信号进行Golay分组编码，得到L组码字数据，包括：
将所述时频信号的子载波分为L个比特分组；
利用2阶RM码中1阶RM码的陪集对每个所述比特分组编码Golay序列，得到L组码字数据。
在本发明的一个实施例中，利用2阶RM码中1阶RM码的陪集对每个所述比特分组编码Golay序列，得到L组码字数据，包括：
根据RM码构建陪集首表；
根据每个所述比特分组中前ω个比特从所述陪集首表中选择相应的陪集首，得到L个第一向量；其中，
Figure BDA0002735285440000021
Figure BDA0002735285440000022
表示向下取整，0≤m≤M-1，M表示子载波数；
对每个所述比特分组的后h(m+1)个比特按照每h比特再次进行分组，并进行运算，得到第二向量；
分别将每个所述第一向量和所述第二向量进行相加模运算，得到对应的L组码字数据。
在本发明的一个实施例中，所述Heisenberg变换的公式为：
Figure BDA0002735285440000031
其中，Hl(t)表示t时刻第l组时域信号，Xl[n,m]表示第l组码字数据，l＝1,2,…,L，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1，N表示时格数，M表示子载波数，gtx(·)表示发射脉冲，Δf(·)表示频率偏移，发射脉冲gtx(·)的内积相对于时间间隔T和频率偏移Δf(·)双正交。
在本发明的一个实施例中，根据所述L组时域信号建立系统时域信号模型并计算最优解，得到系统最终发送的时域信号，包括：
对每组时域信号引入加权系数，并建立系统时域信号模型；
根据所述系统时域信号模型计算系统系统峰均比，并找到使所述系统峰均比最小的最优加权系数；
根据所述最优加权系数计算所述系统时域信号模型最优解，得到系统最终发送的时域信号。
在本发明的一个实施例中，所述系统时域信号模型的表达式为：
Figure BDA0002735285440000032
其中，x表示系统时域信号，bl表示加权系数，且满足：
Figure BDA0002735285440000033
Figure BDA0002735285440000034
l＝1,2,…,L，Hl表示第l组时域信号。
在本发明的一个实施例中，所述系统峰均比的计算公式为：
Figure BDA0002735285440000041
其中，max[|x|2]表示时域信号x的最大功率，E[|x|2]表示时域信号x的平均功率。
在本发明的一个实施例中，所述最优加权系数的函数表达式为：
Figure BDA0002735285440000042
其中，argmin(·)表示函数取得最小值时使用的判决条件。
本发明的另一个实施例还提供了一种基站，其包括发射机，所述发射机在进行信道编码时，采用上述实施例所述的方法对OTFS系统的时频信号进行处理，得到待发送的时域信号。
本发明的又一个实施例还提供了一种移动终端设备，其包括发射机，所述发射机在进行信道编码时，采用上述实施例所述的方法对OTFS系统的时频信号进行处理，得到待发送的时域信号。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法通过对系统的时频信号进行Golay分组编码，建立系统时域信号模型并计算最优解，从而有效降低OTFS系统的峰均比，并减少非线性失真和带外频谱泄露问题，提高了系统性能；
2、本发明提供的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法通过RM码进行Golay分组编码，提高了系统编码速率，同时使得系统具有RM码较好的检错/纠错能力，改善了系统误码率性能。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法的信号处理流程图；
图3是本发明实施例提供的时格数为4时，采用只分组编码OTFS峰均比方法与本发明的方法处理的OTFS的峰均比的比较图；
图4是本发明实施例提供的时格数为8时，采用只分组编码OTFS峰均比方法与本发明的方法处理的OTFS的峰均比的比较图；
图5是本发明实施例提供的采用本发明处理方法的系统误码率与原始系统误码率的比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法示意图，包括：
S1：获取OTFS系统的时频信号。
在本实施例中，系统的时频信号可由原始信号经逆辛傅立叶变换得到。具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法的信号处理流程图。首先将延迟多普勒域中的原始信息符号x[k,j]通过逆辛傅立叶变换映射为时频信号X[n,m]，其中，0≤k≤N-1，0≤j≤M-1，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1，N表示系统时格数，M表示系统子载波数。
S2：对时频信号进行Golay分组编码，得到L组码字数据，具体包括：
S21：将时频信号的子载波分为L个比特分组。
由于当系统子载波数较大时，码字长度过长，会导致系统编码速率严重下降，因此，采用Golay序列来降低系统PAPR时，不宜直接用于子载波数较多的系统。对于子载波数较多的系统，需要将子载波分组，然后对每组子载波信息进行编码。
S22：利用2阶RM码中1阶RM码的陪集对每个比特分组编码Golay序列，得到L组码字数据，具体包括：
S22-1：根据RM码构建陪集首表。
在本实施例中，将有限域
Figure BDA0002735285440000061
h≥1上长度为2m的二进制r阶RM码记作
Figure BDA0002735285440000062
根据
Figure BDA0002735285440000063
码的生成矩阵，得到陪集首表。
S22-2：根据每个比特分组中前ω个比特从陪集首表中选择相应的陪集首S，得到L个第一向量；其中，
Figure BDA0002735285440000064
Figure BDA0002735285440000065
表示向下取整。
S22-3：对每个比特分组的后h(m+1)个比特按照每h比特再次进行分组，并进行运算，得到第二向量。
具体地，将输入信息的后h(m+1)比特每h比特分为一组，得到(m+1)组数据；然后将每组数据转换成相应的2h进制数pk，并与
Figure BDA0002735285440000066
生成矩阵的各行向量uk相乘，最后将各组结果进行叠加得到第二向量，表示为
Figure BDA0002735285440000067
S22-4：分别将每个第一向量和第二向量进行相加模运算，得到对应的L组码字数据。
具体，将步骤S22-2得到的L个陪集首S，也即L个第一向量与步骤S22-3得到的
Figure BDA0002735285440000071
相加模2h，可得到L组码字数据，记为：Xl,l＝1,2,…,L。
S3：对L组码字数据进行Heisenberg变换，得到L组时域信号。
具体地，对L组码字数据Xl,l＝1,2,…,L分别进行Heisenberg变换，得到L组时域信号Ηl,l＝1,2,…,L。其中，Heisenberg变换公式为：
Figure BDA0002735285440000072
其中，Hl(t)表示t时刻第l组时域信号，Xl[n,m]表示第l组码字数据，l＝1,2,…,L，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1，N表示时格数，M表示子载波数，gtx(·)表示发射脉冲，Δf(·)表示频率偏移，发射脉冲gtx(·)的内积相对于时间间隔T和频率偏移Δf(·)双正交，也即满足：
Figure BDA0002735285440000073
其中，gtx(·)表示发射脉冲，grx(·)表示接收脉冲，*表示共轭操作。
S4：根据L组时域信号建立系统时域信号模型并计算最优解，得到系统最终发送的时域信号。具体包括：
S41：对每组时域信号引入加权系数，并建立系统时域信号模型。
在本实施例中，虽然经Goaly序列编码后，每组的PAPR不大于3dB。但系统信号波形是所有子载波信号的叠加，故由于相位的随机性，如果一个或几个子载波的相位改变，最终叠加波形可能改变，这意味着信号的PAPR将改变，可能仍然很大。
基于此，本实施例引入加权系数，建立系统时域信号模型，以对系统时域信号进行优化，达到降低PAPR的目的。
具体地，对L组符号引入加权系数bl,l＝1,2,…,L，且满足：
Figure BDA0002735285440000081
则系统时域信号模型可表示为：
Figure BDA0002735285440000082
S42：根据系统时域信号模型计算系统系统峰均比，并找到使系统峰均比最小的最优加权系数。
具体地，系统PAPR的计算公式为：
Figure BDA0002735285440000083
其中，max[|x|2]表示时域信号x的最大功率，E[|x|2]表示时域信号x的平均功率。
然后，进行系数寻优，找到使系统PAPR最小的最优加权系数，其函数表达式为：
Figure BDA0002735285440000084
其中，argmin(·)表示函数取得最小值时使用的判决条件。
由此，得到的系统PAPR最小的最优加权系数。
S43：根据最优加权系数计算系统时域信号模型最优解，得到系统最终发送的时域信号。
具体地，上述步骤S42得到的最优加权系数，即为使系统PAPR最小的时加权系数。将该加权系数代入S41中的系统时域信号模型，得到系统的最优解，并将其作为系统最终需要发送的时域信号送入无线信道中进行传输。
本实施例提供的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法通过对系统的时频信号进行Golay分组编码，建立系统时域信号模型并计算最优解，从而有效降低OTFS系统的峰均比，并减少非线性失真和带外频谱泄露问题，提高了系统性能。此外，本实施例采用RM码进行Golay分组编码，提高了系统编码速率，同时使得系统具有RM码较好的检错/纠错能力，改善了系统误码率性能。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种基站，该基站包括发射机，该发射机在进行信道编码时，采用如上述实施例一所述的方法对OTFS系统的时频信号进行处理，得到待发送的时域信号。
实施例三
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种移动终端设备，该移动终端设备包括发射机，该发射机在进行信道编码时，采用如上述实施例一所述的方法对OTFS系统的时频信号进行处理，得到待发送的时域信号。其中，移动终端设备可以是手机、智能手表、平板电脑等设备。
实施例四
为了进一步说明本发明的有益效果，下面通过仿真实验进行对比说明。
仿真一：在时格数N＝4时，只分组编码OTFS峰均比方法与本发明的方法处理的OTFS的峰均比的比较。
1.1仿真条件：
设置系统时格数N＝4，子载波数M＝256，采用8PSK调制，分组编码长度为16。
1.2仿真结果及分析：
请参见图3，图3是本发明实施例提供的时格数为4时，采用只分组编码OTFS峰均比方法与本发明的方法处理的OTFS的峰均比的比较图；其中，横坐标PAPR0[dB]是一个确定的门限值，单位为dB，纵坐标用互补累积分布函数(CCDF)来表示，代表的是超过峰均值门限的概率，Original PAPR表示原有系统的峰均比。从图3中可以看出，仅使用分组编码方法比原有系统PAPR降低约0.64dB，且利用本发明实施例的方法处理OTFS的峰均比与仅采用分组编码OTFS峰均比方法相比还低近0.32dB，说明本发明提供的方法可以有效抑制系统峰均比。
仿真二：在时格数N＝8时，只分组编码OTFS峰均比方法与本发明的方法处理的OTFS的峰均比的比较
2.1仿真条件：
设置系统时格数N＝8，子载波数M＝256，采用8PSK调制，分组编码长度为16。
2.2仿真结果及分析：
请参见图4，图4是本发明实施例提供的时格数为8时，采用只分组编码OTFS峰均比方法与本发明的方法处理的OTFS的峰均比的比较图，其中，横坐标PAPR0[dB]是一个确定的门限值，单位为dB，纵坐标用互补累积分布函数(CCDF)来表示，代表的是超过峰均值门限的概率，Original PAPR表示原有系统的峰均比。从图4中可以看出，仅使用分组编码算法比原有系统PAPR降低约0.5dB，且利用本发明的方法处理OTFS的峰均比与仅分组编码OTFS峰均比算法相比还低近1dB。
此外，对比图3图4可以发现，随着时格数N的增加，系统PAPR值增大，另一方面，通常假设N较大，这样可以在检测器中忽略分数多普勒效应，以降低复杂度。因此，高PAPR仍然是OTFS系统需解决的问题。
仿真三：本发明的处理方法的系统误码率与原始系统误码率的比较
3.1仿真条件：
设置系统时格数N＝8，子载波数M＝256，采用8PSK调制，分组编码长度为16，信道服从瑞利分布。
3.2仿真结果及分析：
请参见图5，图5是本发明实施例提供的采用本发明处理方法的系统误码率与原始系统误码率的比较图，其中横坐标SNR[dB]是信噪比，单位是dB，纵坐标BER代表误码率。从图5可以看出，本发明提供的处理方法的系统误码率比原始系统误码率低，当误码率为10-2时，本发明得处理方法的编码增益为14dB，而原始系统编码增益为17dB。
综上，本发明提供的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法可有效降低OTFS系统的峰均比，改善系统的误码率性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，包括：
获取OTFS系统的时频信号；
对所述时频信号进行Golay分组编码，得到L组码字数据；
对所述L组码字数据进行Heisenberg变换，得到L组时域信号；
根据所述L组时域信号建立系统时域信号模型并计算最优解，得到系统最终发送的时域信号。
2.根据权利要求1所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，对所述时频信号进行Golay分组编码，得到L组码字数据，包括：
将所述时频信号的子载波分为L个比特分组；
利用2阶RM码中1阶RM码的陪集对每个所述比特分组编码Golay序列，得到L组码字数据。
3.根据权利要求2所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，利用2阶RM码中1阶RM码的陪集对每个所述比特分组编码Golay序列，得到L组码字数据，包括：
根据RM码构建陪集首表；
根据每个所述比特分组中前ω个比特从所述陪集首表中选择相应的陪集首，得到L个第一向量；其中，
Figure FDA0002735285430000011
Figure FDA0002735285430000012
表示向下取整，0≤m≤M-1，M表示子载波数；
对每个所述比特分组的后h(m+1)个比特按照每h比特再次进行分组，并进行运算，得到第二向量；
分别将每个所述第一向量和所述第二向量进行相加模运算，得到对应的L组码字数据。
4.根据权利要求1所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，所述Heisenberg变换的公式为：
Figure FDA0002735285430000021
其中，Hl(t)表示t时刻第l组时域信号，Xl[n,m]表示第l组码字数据，l＝1,2,…,L，0≤n≤N-1，0≤m≤M-1，N表示时格数，M表示子载波数，gtx(·)表示发射脉冲，Δf(·)表示频率偏移，且发射脉冲gtx(·)的内积相对于时间间隔T和频率偏移Δf(·)双正交。
5.根据权利要求1所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，根据所述L组时域信号建立系统时域信号模型并计算最优解，得到系统最终发送的时域信号，包括：
对每组时域信号引入加权系数，并建立系统时域信号模型；
根据所述系统时域信号模型计算系统系统峰均比，并找到使所述系统峰均比最小的最优加权系数；
根据所述最优加权系数计算所述系统时域信号模型最优解，得到系统最终发送的时域信号。
6.根据权利要求5所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，所述系统时域信号模型的表达式为：
Figure FDA0002735285430000022
其中，x表示系统时域信号，bl表示加权系数，且满足：
Figure FDA0002735285430000023
Hl表示第l组时域信号。
7.根据权利要求6所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，所述系统峰均比的计算公式为：
Figure FDA0002735285430000031
其中，max[|x|2]表示时域信号x的最大功率，E[|x|2]表示时域信号x的平均功率。
8.根据权利要求7所述的基于Golay分组编码的OTFS系统峰均比抑制方法，其特征在于，所述最优加权系数的函数表达式为：
Figure FDA0002735285430000032
其中，argmin(·)表示函数取得最小值时使用的判决条件。
9.一种基站，其特征在于，所述基站包括发射机，所述发射机在进行信道编码时，采用如权利要求1-8任一项所述的方法对OTFS系统的时频信号进行处理，得到待发送的时域信号。
10.一种移动终端设备，其特征在于，所述移动终端设备包括发射机，所述发射机在进行信道编码时，采用如权利要求1-8任一项所述的方法对OTFS系统的时频信号进行处理，得到待发送的时域信号。
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