CN112929316A - 基于otfs调制的交错式时频多址方式调制解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制解调方法及装置，调制方法包括以下步骤：获取多个用户的比特流信号；将每个用户的比特流信号映射为相应的QAM符号；对每个用户信号以行和列为方向分别重复以占据整个时延多普勒域网格，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号；对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流。本发明的交错式时频多址方式无需设置保护间隔即可在时频域实现无干扰地复用多用户信号，并且本发明采用的交错式多址方式相较连续式多址方式在性能上更为优越。

Description

基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制解调方法及装置

技术领域

本发明属于无线传输技术领域，具体涉及一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式的调制方法，还涉及一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式的解调方法。

背景技术

在正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统中因其允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。但其对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性。OFDM在高速场景下由于多普勒频移的影响从而造成严重的载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)，这会大大降低OFDM的性能。

近两年提出的正交时频空间调制(Orthogonal time-frequency spatialmodulation，OTFS)为处理时变多径信道下高多普勒频移问题提供了问题解决的可能性。因此，在采用OTFS调制方式的场景中如基站需要同时与多个用户通信，针对这一场景的多址方式研究应运而生。

对现有技术文献检索发现，针对上述的情况，现有的解决方法主要集中在通过在时延多普勒域设置保护间隔来降低多用户信号之间的干扰，但是引入保护间隔会降低信号传输的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制方法，无需设置保护间隔即可在时频域实现无干扰地复用多用户信号，且不需要增加额外的系统开销。

为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案。

第一方面，本发明提供了一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制方法，包括以下过程：

获取多个用户的比特流信号；

将每个用户的比特流信号映射为相应的QAM符号；

对每个用户信号以行和列为方向分别重复以占据整个时延多普勒域网格，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号；

对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流。

进一步的，所述对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号，包括：

每个用户的信号在相应的时延多普勒资源块上通过加入乘法因子并进行周期性的重复来占据整个时延多普勒资源块平面，第u个用户在时延多普勒资源块上传输的信息如下：

其中，

N、M分别表帧个数和子载波个数，k',l'代表每个用户信号在时延多普勒域网格的列索引和行索引，k,l代表整个时延多普勒域网格的列索引和行索引，

代表向下取整，c,d代表用户在时频域网格的列索引和行索引，p代表频域间隔，q代表时域间隔，(.)_p代表模p运算，x_u[k',l']代表第u个用户所要发送的M*N/N_user个独立信息符号，N_user为用户数量，x_u[k,l]代表在时延多普勒域网格传输的信号，其中

看作对每个用户信息符号的乘法因子。

进一步的，所述对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流，包括：

对时延多普勒域的信号作ISFFT变换转换为时频域信号，ISFFT变换如式(2)；

对时频域信号作Heisenberg变换转换为时域信号流，Heisenberg变换如式(3)；

其中，k,l代表时延多普勒域网格的列索引和行索引，n,m代表时频域网格的列索引和行索引，x[k,l]代表时延多普勒域网格的信号，X[n,m]代表时频域网格的信号，N、M分别表帧个数和子载波个数，g_tx代表发射脉冲成形函数，Δf代表子载波间隔，T代表一个符号周期，t代表当前时刻。

第二方面，本发明还提供了一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制装置，包括：

第一信号获取模块，用于获取多个用户的比特流信号；

第一信号映射模块，用于将每个用户的比特流信号映射为相应的QAM符号；

第一信号调制模块，用于对每个用户信号以行和列为方向分别重复以占据整个时延多普勒域网格，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号；

第一信号变换模块，用于对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流。

进一步的，所述第一信号调制模块中，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号，包括：

每个用户的信号在相应的时延多普勒资源块上通过加入乘法因子并进行周期性的重复来占据整个时延多普勒资源块平面，第u个用户在时延多普勒资源块上传输的信息如下：

其中，

N、M分别表帧个数和子载波个数，k',l'代表每个用户信号在时延多普勒域网格的列索引和行索引，k,l代表整个时延多普勒域网格的列索引和行索引，

代表向下取整，c,d代表用户在时频域网格的列索引和行索引，p代表频域间隔，q代表时域间隔，(.)_p代表模p运算，x_u[k',l']代表第u个用户所要发送的M*N/N_user个独立信息符号，N_user为用户数量，x_u[k,l]代表在时延多普勒域网格传输的信号，其中

看作对每个用户信息符号的乘法因子。

第三方面，本发明还提供了一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式解调方法，包括以下过程：

获取时域信号；

对时域信号作Wigner变换得到多个用户的时频域信号，基于每个用户的映射固定区域获得不同用户信号；

对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，并对时延多普勒域信号进行迫零检测得到估计信号；

将检测得到的估计信号映射到其对应星座点上得到检测信号的比特流，恢复出用户原来的信号。

进一步的，所述对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，包括：

对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号y[k,l]，公式如式(4)；

其中，k,l代表时延多普勒域网格的列索引和行索引，n,m代表时频域网格的列索引和行索引，Y[n,m]代表时频域的信号，N、M分别表帧个数和子载波个数。

第四方面，本发明还提供了一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式解调装置，包括以下过程：

第二信号获取模块，用于获取时域信号；

第二信号变换模块，用于对时域信号作Wigner变换得到多个用户的时频域信号，基于每个用户的映射固定区域获得不同用户信号；

第二信号解调模块，用于对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，并对时延多普勒域信号进行迫零检测得到估计信号；

第二信号映射模块，用于将检测得到的估计信号映射到其对应星座点上得到检测信号的比特流，恢复出用户原来的信号。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：无需设置保护间隔即可在时频域实现无干扰地复用多用户信号，保证信息的可靠传输。同时考虑到在时频域维度采用连续式方式复用用户信号会受信道相干带宽影响，采用了在时频域维度采用交错式方式复用用户信号具有更好的性能。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的原理框图；

图3为连续式时频多址方式在时延多普勒域和时频域信号分布图；

图4为交错式时频多址方式在时延多普勒域和时频域信号分布图；

图5为本发明实施例中方法对比性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的创新思路是：在将每个用户信号放入时延多普勒域前作相应变换以使每个用户信号经过ISFFT变换后映射到时频域的不同区域，基于这样的方式可以实现采用OTFS调制多个用户间信号的无干扰传输，每个用户间信号相比连续式方式放置在时频网格上采用交错式方式放置在时频网格上性能更为优越。

实施例1

本发明的一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式方法，总体流程图如图1所示，系统框图如图2所示，其中外虚线框表示信号在时延多普勒域维度，内虚线框表示信号在时频域维度，包括以下步骤。

以一个基站和四个用户组成的单发单收的OTFS系统为例加以详细阐述。假设信道的时延扩展为τ_i,i＝1,2,...P，多普勒扩展为v_i,i＝1,2,...P，其中P代表信道抽头的数量，调制方式为4QAM。

步骤1，随机为多个用户生成比特流，并将每个用户的比特流映射为相应QAM符号。

随机为多个用户生成比特流，根据帧个数N、子载波个数M和调制方式所对应符号的比特个数M_bits随机生成大小为N*M*M_bits的比特流，根据用户数量N_user将比特流均分，每个用户信号个数为N*M/N_user，根据调制方式将比特流映射为QAM(正交振幅调制)符号。

这里考虑具有4个上行链路用户(User)与基站(BS)进行通信的一个OTFS的多址接入系统，每个用户在上行链路上使用4QAM调制方式进行信号发送，每个用户配备一个天线发射机，并且基站配备一个天线接收机。

步骤2，将每个用户的QAM符号以行和列为方向分别重复多次以占据整个时延多普勒域网格，

假设每个用户的QAM符号维度为

待发送信号在时延多普勒域的网格大小为NxM。为了保证后续经ISFFT变换后每个用户信号映射到时频网格中固定的区域，对每个用户信号以行和列为方向分别重复a次和b次以占据整个时延多普勒域网格，然后对每个用户时延多普勒域网格上的信号加入乘法因子并叠加得到整个时延多普勒域网格的信号x[k,l]，其中乘法因子见式(1)。

此处假设单个用户的发射QAM符号为：

在基于OTFS调制的交错式时频多址方式中，每个用户信号以交叉方式不连续的复用时频资源块的信号以使每个用户的时频信号仅占据M*N/N_user个，并且每个用户的时频域信号沿着频率轴以p个间隔和时间轴以q个间隔等间隔的分布，这些间隔的选择满足N_user＝p*q且M是p的整数倍，N是q的整数倍。

为了满足上述交叉式时频资源块的分配方案，每个用户的信号在相应的时延多普勒资源块(时延多普勒网格中一个网格)上通过加入乘法因子并进行周期性的重复来占据整个时延多普勒资源块平面，第u个用户在时延多普勒资源块上传输的信息如下：

这里

k',l'代表每个用户信号在时延多普勒域网格的列索引和行索引，k,l代表整个时延多普勒域网格的列索引和行索引，

代表向下取整，c,d代表用户在时频域网格的列索引和行索引，p代表频域间隔，q代表时域间隔，(.)_p代表模p运算，x_u[k',l']代表第u个用户所要发送的M*N/N_user个独立信息符号，x_u[k,l]代表在时延多普勒域网格传输的信号，其中

可看作对每个用户信息符号的乘法因子。

该公式表示每个用户信号占据整个时延多普勒域网格前后的输入输出关系。

步骤3，对信号x[k,l]作ISFFT变换，把时延多普勒域的信号映射到时频域中得到信号X[n,m]，再对信号X[n,m]作Heisenberg变换将时频域的信号转换为时域信号流s(t)。

其中ISFFT变换如式(2)，时频域中每个用户的信号分布如图4所示，作为交错式多址方式(Interleaved Multiple Access)的比较，图3也展示了采用连续式多址方式(Successive Multiple Access)每个用户信号在时频域中的分布。之后经过Heisenberg变换如式(3)将时频域的信号转换为时域信号流。

其中，k,l代表时延多普勒域网格的列索引和行索引，n,m代表时频域网格的列索引和行索引，x[k,l]代表时延多普勒域网格的信号，X[n,m]代表时频域网格的信号，N、M分别表帧个数和子载波个数，g_tx代表发射脉冲成形函数，Δf代表子载波间隔，T代表一个符号周期，t代表当前时刻。

Heisenberg变换作用于矩阵，其效果等价于对矩阵的每一列作IFFT变换。

步骤4，为了模拟真实信道环境，将经步骤3处理得到的时域信号流s(t)通过Jakes信道模型，此Jakes信道模型对发射信号作了时延扩展和多普勒扩展，并引入加性高斯白噪声得到信道的时域输出信号r(t)。

单用户信号受信道干扰后示例如下；

步骤5，将时域输出信号r(t)作Wigner变换(Heisenberg变换的反变换)得到每个用户的时频域信号Y[n,m]，根据步骤3每个用户信号所映射的固定区域，取出每个用户的频域信号并将当前用户信号的其他非固定区域时频网格置零；

步骤6，对每个用户信号作SFFT变换如式(4)得到每个用户相应的时延多普勒域信号y[k,l]，并通过迫零检测得到估计信号

其中，k,l代表时延多普勒域网格的列索引和行索引，n,m代表时频域网格的列索引和行索引。

步骤7，将检测得到的信号

映射到其对应星座点上得到检测信号的比特流，恢复出用户原来的信号。

经解调后映射得到的信号如下。

结果表明是可以恢复出用户原来的信号，并且这种交错式多址方式性能较好。

如图5表示的是本发明提出的交错式时频多址方式相较于连续式时频多址方式的误比特率性能图，其中横坐标代表的是信噪比，纵坐标代表的是误比特率，星状折线表示交错式时频多址方案，方状折线表示连续式时频多址方案，仿真速度环境设置为250km/h，频域间隔p＝2，时域间隔q＝2，帧个数N＝8,子载波个数M＝8。

本发明提供一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式，无需设置保护间隔即可在时频域实现无干扰地复用多用户信号，保证信息的可靠传输。同时考虑到在时频域维度采用连续式方式复用用户信号会受信道相干带宽影响，在时频域维度采用交错式方式复用用户信号具有更好的误比特率性能，通过观察图5可以得出结论采用交错式时频多址要比连续式时频多址方式的性能好2-3dB左右。

实施例2

本实施例中，本发明的一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制装置，包括：

第一信号获取模块，用于获取多个用户的比特流信号；

第一信号映射模块，用于将每个用户的比特流信号映射为相应的QAM符号；

第一信号调制模块，用于对每个用户信号以行和列为方向分别重复以占据整个时延多普勒域网格，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号；

第一信号变换模块，用于对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流。

进一步的，所述第一信号调制模块中，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号，包括：

每个用户的信号在相应的时延多普勒资源块上通过加入乘法因子并进行周期性的重复来占据整个时延多普勒资源块平面，第u个用户在时延多普勒资源块上传输的信息如下：

其中，

N、M分别表帧个数和子载波个数，k',l'代表每个用户信号在时延多普勒域网格的列索引和行索引，k,l代表整个时延多普勒域网格的列索引和行索引，

代表向下取整，c,d代表用户在时频域网格的列索引和行索引，p代表频域间隔，q代表时域间隔，(.)_p代表模p运算，x_u[k',l']代表第u个用户所要发送的M*N/N_user个独立信息符号，N_user为用户数量，x_u[k,l]代表在时延多普勒域网格传输的信号，其中

看作对每个用户信息符号的乘法因子。

本发明装置中各模块的具体实现方案参见相应方法的实现步骤过程。

实施例3

本实施例中，本发明的一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式解调装置，包括以下过程：

第二信号获取模块，用于获取时域信号；

第二信号变换模块，用于对时域信号作Wigner变换得到多个用户的时频域信号，基于每个用户的映射固定区域获得不同用户信号；

第二信号解调模块，用于对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，并对时延多普勒域信号进行迫零检测得到估计信号，

第二信号映射模块，用于将检测得到的估计信号映射到其对应星座点上得到检测信号的比特流，恢复出用户原来的信号。

本发明装置中各模块的具体实现方案参见相应方法的实现步骤过程。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理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。

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设备上，使得在计算机或其他可编程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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制方法，其特征是，包括以下过程：

获取多个用户的比特流信号；

将每个用户的比特流信号映射为相应的QAM符号；

对每个用户信号以行和列为方向分别重复以占据整个时延多普勒域网格，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号；

对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流。

2.根据权利要求1所述的基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制方法，其特征是，所述对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号，包括：

每个用户的信号在相应的时延多普勒资源块上通过加入乘法因子并进行周期性的重复来占据整个时延多普勒资源块平面，第u个用户在时延多普勒资源块上传输的信息如下：

其中，

N、M分别表帧个数和子载波个数，k',l'代表每个用户信号在时延多普勒域网格的列索引和行索引，k,l代表整个时延多普勒域网格的列索引和行索引，

代表向下取整，c、d代表用户在时频域网格的列索引和行索引，p代表频域间隔，q代表时域间隔，(.)_p代表模p运算，x_u[k',l']代表第u个用户所要发送的M*N/N_user个独立信息符号，N_user为用户数量，x_u[k,l]代表在时延多普勒域网格传输的信号，其中

看作对每个用户信息符号的乘法因子。

3.根据权利要求1所述的基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制方法，其特征是，所述对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流，包括：

对时延多普勒域的信号作ISFFT变换转换为时频域信号，ISFFT变换如式(2)；

对时频域信号作Heisenberg变换转换为时域信号流，Heisenberg变换如式(3)；

其中，k,l代表时延多普勒域网格的列索引和行索引，n、m代表时频域网格的列索引和行索引，x[k,l]代表时延多普勒域网格的信号，X[n,m]代表时频域网格的信号，N、M分别表帧个数和子载波个数，g_tx代表发射脉冲成形函数，Δf代表子载波间隔，T代表一个符号周期，t代表当前时刻。

4.基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制装置，其特征是，包括：

第一信号获取模块，用于获取多个用户的比特流信号；

第一信号映射模块，用于将每个用户的比特流信号映射为相应的QAM符号；

第一信号调制模块，用于对每个用户信号以行和列为方向分别重复以占据整个时延多普勒域网格，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号；

第一信号变换模块，用于对时延多普勒域的信号依次作ISFFT变换、Heisenberg变换转换为时域信号流。

5.根据权利要求4所述的基于OTFS调制的交错式时频多址方式调制装置，其特征是，所述第一信号调制模块中，对时延多普勒域网格每个用户的信号加入乘法因子叠加后得到时延多普勒域的信号，包括：

每个用户的信号在相应的时延多普勒资源块上通过加入乘法因子并进行周期性的重复来占据整个时延多普勒资源块平面，第u个用户在时延多普勒资源块上传输的信息如下：

其中，

N、M分别表帧个数和子载波个数，k',l'代表每个用户信号在时延多普勒域网格的列索引和行索引，k,l代表整个时延多普勒域网格的列索引和行索引，

代表向下取整，c、d代表用户在时频域网格的列索引和行索引，p代表频域间隔，q代表时域间隔，(.)_p代表模p运算，x_u[k',l']代表第u个用户所要发送的M*N/N_user个独立信息符号，N_user为用户数量，x_u[k,l]代表在时延多普勒域网格传输的信号，其中

看作对每个用户信息符号的乘法因子。

6.基于OTFS调制的交错式时频多址方式解调方法，其特征是，包括以下过程：

获取时域信号；

对时域信号作Wigner变换得到多个用户的时频域信号，基于每个用户的映射固定区域获得不同用户信号；

对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，并对时延多普勒域信号进行迫零检测得到估计信号；

将检测得到的估计信号映射到其对应星座点上得到检测信号的比特流，恢复出用户原来的信号。

7.根据权利要求6所述的基于OTFS调制的交错式时频多址方式解调方法，其特征是，所述对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，包括：

对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号y[k,l]，公式如式(4)：

其中，k,l代表时延多普勒域网格的列索引和行索引，n、m代表时频域网格的列索引和行索引，Y[n,m]代表时频域的信号，N、M分别表帧个数和子载波个数。

8.一种基于OTFS调制的交错式时频多址方式解调装置，其特征是，包括：

第二信号获取模块，用于获取时域信号；

第二信号变换模块，用于对时域信号作Wigner变换得到多个用户的时频域信号，基于每个用户的映射固定区域获得不同用户信号；

第二信号解调模块，用于对每个用户信号作SFFT变换得到每个用户相应的时延多普勒域信号，并对时延多普勒域信号进行迫零检测得到估计信号；

第二信号映射模块，用于将检测得到的估计信号映射到其对应星座点上得到检测信号的比特流，恢复出用户原来的信号。

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