CN113098818A - 一种正交扩频数据的交织与映射方法 - Google Patents

一种正交扩频数据的交织与映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种正交时频空间中正交扩频数据的交织与映射方法，所述方法包括：步骤1，在正交时频空间中，发射端获取数据比特；步骤2，所述发射端对所述数据比特进行分段处理、数据调制处理，生成调制后的数据；步骤3，所述发射端对各段所述调制后的数据使用正交扩频处理，生成时延多普勒平面上的正交扩频后数据；步骤4，所述发射端对所述正交扩频后数据进行段、符号、码片交织处理，生成交织后的数据；步骤5，所述发射端对所述交织后的数据进行数据映射，生成映射后的数据。本方法可以在正交时频空间中的时延多普勒资源元素发生二维循环移位时，保持扩频序列正交性，进而实现有效解扩，为正交扩频数据的传输可靠性提供保障。

Description

一种正交扩频数据的交织与映射方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种正交扩频数据的交织与映射方法。
背景技术
正交时频空间(Orthogonal Time Frequency Space，OTFS)调制技术是一种在时延多普勒(Delay Doppler，DD)域中设计的新型的二维调制方案，通过该方案可以获得接近恒定的信道增益和全分集。由于DD域信道表示的稀疏性，它减少了信道估计和信道均衡等物理层自适应方案的开销。与OFDM、TDMA等调制方案相比，OTFS具备如下优点：(1)OTFS提供了稳定的数据速率，无需进行信道适配，这在具有高移动性的系统中尤其重要；(2)在存在高移动性(V2V，高铁)或高相位噪声(毫米波系统)的情况下，OTFS可以实现更好的错包率(对于相同的SNR)或更低的SNR要求(对于相同的错包率)；(3)PAPR表现更优，特别是传输短数据包时；(4)使用有限复杂度接收机时，OTFS提高了MIMO信道容量。为此，OTFS调制有望在高速场景中加以应用。
正交扩频数据是指经过正交序列扩频后的数据，这是码分多址系统的主要构成部分。在扩频过程中，数据序列乘以扩频码或序列，从而增加了信号的带宽。然后，在接收机内，使用相同的扩展码或序列用于提取所需的数据。提取数据的过程称为相关。当使用与发射机中使用的完全相同的代码时，则称其具有相关性并且提取数据。当使用不相关的扩展码时，将不会提取数据，并且会出现另一组数据。这意味着对于要提取的数据，有必要在发送器和接收器中使用相同的扩展码。基于正交扩频序列的互相关性，仅当使用所需的扩展码时，所需的数据才会从信号中出现。
而将正交扩频数据应用于正交时频空间调制的方案未曾被提出。若将正交扩频数据直接映射至正交时频空间的DD面上，信道作用下的DD面二维循环移位将破坏数据中扩频序列的正交性，进而导致数据传输失败。
发明内容
本发明的实施例提供了一种正交扩频数据的交织与映射方法，提高了正交扩频数据的传输的可靠性。
一种正交扩频数据的交织与映射方法，包括：
步骤1，在正交时频空间中，发射端获取数据比特；
步骤2，所述发射端对所述数据比特进行分段处理、数据调制处理，生成调制后的数据；
步骤3，所述发射端对各段所述调制后的数据使用正交扩频处理，生成时延多普勒平面上的正交扩频后数据；
步骤4，所述发射端对所述正交扩频后数据进行段、符号、码片交织处理，生成交织后的数据；
步骤5，所述发射端对所述交织后的数据进行数据映射，生成映射后的数据。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，在正交时频空间中的时延多普勒资源元素发生二维循环移位时，保持扩频序列正交性，进而实现有效解扩，为正交扩频数据的传输可靠性提供保障。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一应用场景的正交扩频数据的交织与映射方法的发射端的处理过程示意图；
图2为本发明第一应用场景的正交扩频数据的交织与映射方法的接收端的处理过程示意图；
图3为本发明第二应用场景的正交扩频数据的交织与映射方法的发射端的处理过程示意图；
图4为本发明第二应用场景的正交扩频数据的交织与映射方法的接收端的处理过程示意图；
图5为本发明第一应用场景的一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法的框架流程图；
图6为本发明第一应用场景的一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法的通信系统架构图；
图7为本发明第一应用场景的一种正交时频空间中对正交扩频数据进行交织、映射和解映射、交织的示意图；
图8为本发明第一应用场景的一种未实施S1-S6所要求方法的正交时频空间中传输正交扩频数据的通信系统架构图；
图9为本发明第一应用场景的一种实施与未实施S1-S6所要求方法的通信系统的误比特率检测性能对比示意图；
图10为本发明第二应用场景的OTFS-TSMA技术原型设备框架图；
图11为本发明第二应用场景的OTFS-TSMA技术通信系统架构图；
图12为本发明第二应用场景提供的不同信噪比下，OTFS-TSMA技术与TSMA技术的误比特率检测性能对比示意图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供了一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法，以保证在正交时频空间中进行正交扩频数据传输时的扩频序列正交性，提供一种可实现有效解扩的正交时频空间正交扩频通信系统设计方法。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
本发明的核心思想可以用于两个场景，第一种场景为：系统中有一个高速移动下的用户传输数据，接收机进行数据接收和恢复。
第二种场景为：系统中含有大规模(海量的)高速移动下的物联网用户，各自分别以一定概率激活并传输数据，接收机进行多用户识别和多用户数据恢复。以下分别描述。
第一种应用场景：
如图1所示，为一种正交扩频数据的交织与映射方法，包括：
步骤11，在正交时频空间中，发射端获取数据比特；
步骤12，所述发射端对所述数据比特进行分段处理、数据调制处理，生成调制后的数据；
步骤13，所述发射端对各段所述调制后的数据使用正交扩频处理，生成时延多普勒平面上的正交扩频后数据；
步骤14，所述发射端对所述正交扩频后数据进行段、符号、码片交织处理，生成交织后的数据；
步骤15，所述发射端对所述交织后的数据进行数据映射，生成映射后的数据。
所述步骤15后之后，所述方法还包括：
步骤16，所述发射端对映射后的数据进行逆辛傅里叶变换、海森堡变换，以进行信道传输。
如图2所示，所述方法还包括：
步骤17，接收端接收到时延多普勒平面上的正交扩频数据；对接收的所述正交扩频数据进行数据解映射，生成解映射后的数据；
步骤18，所述接收端对时所述解映射后的数据进行段、符号、码片解交织处理，生成解交织后的数据；
步骤19，所述接收端对所述解交织后的数据进行数据解扩处理，生成解扩后的数据；
步骤110，所述接收端对所述解扩后的数据依次进行段循环移位恢复、符号循环移位恢复、1步码片循环移位补偿，生成补偿后的数据；
步骤111，所述接收端对所述补偿后的数据进行信道估计和均衡，生成均衡后的数据；
步骤112，所述接收端对所述均衡后的数据进行数据解调，生成解调后的数据；
步骤113，所述接收端对所述解调后的数据进行多段合并，生成恢复后的数据比特。
第二种应用场景。
如图3所示，当用于多用户数据传输的场景时，一种正交扩频数据的交织与映射方法，包括：
步骤211，对用户进行分组；发射端的各用户获取数据比特；
步骤21，在正交时频空间中，发射端获取数据比特；
步骤22，所述发射端的各用户对所述数据比特进行分段处理、段编码、数据调制处理、导频添加处理，生成导频添加数据；
步骤23，所述发射端的各用户对导频添加处理后的数据符号使用串联正交扩频处理，生成时延多普勒平面上的正交扩频后数据。
步骤24，所述发射端对所述正交扩频后数据进行段、符号、码片交织处理，生成交织后的数据；
步骤25，所述发射端对所述交织后的数据进行数据映射，生成映射后的数据。
所述步骤25后之后，所述方法还包括：
步骤26，所述发射端的各用户对映射后的数据进行逆辛傅里叶变换、海森堡变换、循环前缀添加，以进行信道传输。
如图4所示，所述方法还包括：
步骤271，所述接收端接收信道传输的数据；
步骤272，所述发射端对所述接收的数据进行循环前缀删除、维纳变换和辛傅里叶变换，得到所述时延多普勒平面上的受信道影响后的正交扩频数据。
步骤27，接收端接收到时延多普勒平面上的正交扩频数据；对接收的所述正交扩频数据进行数据解映射，生成解映射后的数据；
步骤28，所述接收端对所述解映射后的数据进行段、符号、码片解交织处理，生成解交织后的数据；所述接收端进行用户识别；所述接收端根据所识别的用户各自的段循环移位后的串联扩频序列，删除虚警用户，以对所述接收端得到的识别用户进行后续处理。
步骤29，所述接收端的识别用户对所述解交织后的数据进行数据解扩处理，生成解扩后的数据；
步骤210，所述接收端对所述解扩后的数据依次进行段循环移位恢复、符号循环移位恢复、1步码片循环移位补偿，生成补偿后的数据；
步骤211，所述接收端对所述补偿后的数据进行信道估计和均衡，生成均衡后的数据；
步骤212，所述接收端的识别用户对所述均衡后的数据进行选择合并处理，然后进行数据解调，生成解调后的数据；所述接收端的识别用户对所述解调后的数据进行段解码处理，以进行多段合并。
步骤213，所述接收端对段解码的数据进行多段合并，生成恢复后的数据比特。
其中，所述分段处理包括：
将所述数据符号
Figure BDA0003003541660000071
分段为n段，得到n段形式的数据
Figure BDA0003003541660000072
Figure BDA0003003541660000073
其中b为数据长度；
Figure BDA0003003541660000074
表示复数空间。
所述扩频处理具体为：
si＝Tidi， (1)
其中，Ti＝diag[ti,ti,…,ti]， (2)
其中i＝1,2,…,n表示各段的指标，ti为该段对应的扩频序列，
Figure BDA0003003541660000081
为ti的块对角矩阵；
正交扩频后的数据表示为Sn＝[s1,s2,…,sn],
Figure BDA0003003541660000082
所述交织处理包括：
所述发射端将Sn各段数据的各个扩频序列中相同位置的码片逐次排列，得到具有q个数据块的交织后数据
Figure BDA0003003541660000083
Figure BDA0003003541660000084
表示为：
Figure BDA0003003541660000085
其中
Figure BDA0003003541660000086
表示转置操作，
Figure BDA0003003541660000087
表示为：
Figure BDA0003003541660000088
Figure BDA0003003541660000089
Figure BDA00030035416600000810
表示si的第
Figure BDA00030035416600000811
个码片，
Figure BDA00030035416600000812
所述数据映射包括：
所述发射端将
Figure BDA00030035416600000813
逐列整形入一行向量中，得到待映射数据
Figure BDA00030035416600000814
将S映射至DD面上；S被映射至一多普勒轴上，假设qb＝M。
以下描述第一种场景的应用实施例。
本发明提供了一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法，包括：建立正交时频空间中的单天线发射和单天线接收的正交扩频数据传输通信系统模型；在发射端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展段、符号、码片交织；在发射端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展数据映射；在接收端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展数据解映射；在接收端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展段、符号、码片解交织。本文中正交扩频数据是指系统传输的经历正交序列扩频后的数据。本方法可以在正交时频空间中的时延多普勒资源元素发生二维循环移位时，保持扩频序列正交性，进而实现有效解扩，为正交扩频数据的传输可靠性提供保障。
具体为：一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法，包括：
建立正交时频空间中的单天线发射和单天线接收的正交扩频数据传输通信系统模型；
在发射端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展段、符号、码片交织；
在发射端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展数据映射；
在接收端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展数据解映射；
在接收端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展段、符号、码片解交织；
在接收端对时延多普勒平面上的正交扩频数据开展段、符号、码片循环移位的恢复。
其中，所述的正交扩频数据通信系统模型建立于正交时频空间中的多普勒时延平面上。方案假设发射机和接收机均配有单天线，发射机配有数据收集、数据扩频、数据交织、数据映射、数据发射模块，接收机配有数据接收、数据解映射、数据解交织、数据解扩模块，通信信号通过无线信道传播。不同于传统的时频域正交扩频数据通信方案，该方法于多普勒时延平面传输正交扩频数据。
假设系统占用时间NT和带宽MΔf，其中N表示时间间隔T的数目，M表示子载波间隔Δf，
Figure BDA0003003541660000101
离散多普勒时延平面ГDD通过以
Figure BDA0003003541660000102
和
Figure BDA0003003541660000103
的整数倍采样延迟轴和多普勒轴获得。DD平面表示为
Figure BDA0003003541660000104
Figure BDA0003003541660000105
$多普勒轴上的资源元素称为多普勒元素，延迟轴上的资源元素称为延迟元素。基于正交扩频数据和多普勒时延平面的信道冲激响应时不变性，该通信模型在高速移动条件下具有更高的传输可靠性。
其中，数据正交扩频过程如下所述。对于传输数据
Figure BDA0003003541660000106
分段为n段后，得到
Figure BDA0003003541660000107
其中b为数据长度。正交扩频序列集合表示为
Figure BDA0003003541660000108
其中q扩频序列长度也即扩频因子，此处选取离散傅里叶变换序列为正交扩频序列。当n≤q时，Dn各段可被不同扩频序列扩频。扩频过程表示为：
si＝Tidi， (1)
其中，Ti＝diag[ti,ti,…,ti]， (2)
其中i＝1,2,…,n表示各段的指标，ti为该段对应的扩频序列，
Figure BDA0003003541660000109
为ti的块对角矩阵。正交扩频后的数据表示为Sn＝[s1,s2,…,sn],
Figure BDA00030035416600001010
数据交织过程如下所述。交织过程中，发射机将Sn各段数据的各个扩频序列中相同位置的码片逐次排列，以得到具有q个数据块的交织后数据
Figure BDA00030035416600001011
Figure BDA00030035416600001012
Figure BDA00030035416600001013
表示为：
Figure BDA00030035416600001014
其中
Figure BDA00030035416600001015
表示转置操作，
Figure BDA00030035416600001016
表示为：
Figure BDA00030035416600001017
其中
Figure BDA00030035416600001018
表示si的第
Figure BDA00030035416600001019
个码片，
Figure BDA00030035416600001020
数据映射过程具体为：发射机将
Figure BDA0003003541660000111
逐列整形入一行向量中，得到待映射数据
Figure BDA0003003541660000112
随后将S映射至DD面上。具体的，S被映射至一多普勒轴上，这里假设qb＝M。此后还将经历逆辛傅里叶变换、海森堡变换。
检测和解映射DD面上的正交扩频数据。经历维纳变换、辛傅里叶变换后，接收机对DD面上的数据进行能量检测，检测到能量最高的一行，并将其分为q块，完成对交织后正交扩频序列的解映射。
在正交时频空间中，基于发射波形和接受波形的双正交假设，DD平面受信道冲击响应影响，表现出二维循环卷积特征。解交织过程如下所述：这里假设DD域信道冲击响应为单抽头的，即信道对S的影响为表现为一复数值h的衰落,另将发射信号所受噪声表示为
Figure BDA0003003541660000113
则所接收信号表示为y＝hS+n，
Figure BDA0003003541660000114
在经过S5所述解映射后，所得q块接收数据为
Figure BDA0003003541660000115
经历段、符号、码片解交织后所得数据为
Figure BDA0003003541660000116
其表示为：
Figure BDA0003003541660000117
其中，[yq]η＝yq(ηn+1:(η+1)n,:)， (6)
并且yq(ηn+1:(η+1)n,:)表示yq的第(ηn+1)th～((η+1)n)th行的码片，
Figure BDA0003003541660000118
利用离散傅里叶序列对解交织后的正交扩频数据进行解扩以接收信号。通过S1-S5所述的方法，可以使得扩频序列的正交性得以保持，从而实现有效解扩。
利用系统各类循环移位的规律分析、多段扩频序列结构、特定数据结构设计方案和1位码片循环移位补偿方式，对解扩后的数据进行段、符号、码片循环移位的恢复。
图5为本实施例提供的一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法的框架流程图，图6为实施例提供的一种在正交时频空间中针对正交扩频数据实施的数据交织与映射方法的通信系统架构图，该方法包括：
S1于正交时频空间中的多普勒时延平面上建立通信系统模型。发射机和接收机均配有单天线，发射机配有数据收集、数据扩频、数据交织、数据映射、数据发射模块，接收机配有数据接收、数据解映射、数据解交织、数据解扩模块。
发射机收集到传输数据
Figure BDA0003003541660000121
后，将其分为n段，得到
Figure BDA0003003541660000122
Figure BDA0003003541660000123
其中b为数据长度。假设发射机对各段使用不同的正交离散傅里叶变换序列扩频，扩频序列集合为
Figure BDA0003003541660000124
扩频后的数据表示为：
Figure BDA0003003541660000125
图7为本发明实施例提供的一种正交时频空间中对正交扩频数据进行交织、映射和解映射、交织的示意图。交织过程中，发射机将Sn各段数据的各个扩频序列中相同位置的码片逐次排列，以得到具有q个数据块的交织后数据
Figure BDA0003003541660000126
Figure BDA0003003541660000127
表示为
Figure BDA0003003541660000128
其中
Figure BDA0003003541660000129
表示转置操作，
Figure BDA00030035416600001210
表示为：
Figure BDA00030035416600001211
其中
Figure BDA00030035416600001212
表示si的第
Figure BDA00030035416600001213
个码片，
Figure BDA00030035416600001214
发射机对将
Figure BDA00030035416600001215
逐列整形入一行向量中，得到待映射数据
Figure BDA00030035416600001216
随后将S映射至DD面的某一多普勒轴上，这里假设qb＝M。
此后发射机执行逆辛傅里叶变换、海森堡变换操作。此操作将时延多普勒域的数据转化到时域传播。接收机接收到数据后执行维纳变换、辛傅里叶变换操作，此操作将时域信号转化到时延多普勒域进行数据恢复。
接收机对DD面上的数据进行能量检测，检测到能量最高的一行，并将其分为q块，完成对交织后正交扩频序列的解映射，并随后对交织后的正交扩频数据开展段、符号、码片解交织。
在正交时频空间中，基于发射波形和接受波形的双正交假设，DD平面受信道冲击响应影响，表现出二维循环卷积特征。为便于说明，假设DD域信道冲击响应为单径h2,将该信道冲激响应所表征的时延记做为
Figure BDA0003003541660000131
多普勒频移记做
Figure BDA0003003541660000132
另将噪声表示为
Figure BDA0003003541660000133
则所接收信号表示为y＝h2S+n，
Figure BDA0003003541660000134
Figure BDA0003003541660000135
在经过S5所述解映射后，所得q块接收数据为
Figure BDA0003003541660000136
经历段、符号、码片解交织后所得数据为
Figure BDA0003003541660000137
其表示为：
Figure BDA0003003541660000138
其中，[yq]η＝yq(ηn+1:(η+1)n,:)， ④
并且yq(ηn+1:(η+1)n,:)表示yq的第(ηn+1)th～((η+1)n)th行的码片，
Figure BDA0003003541660000139
参照图6，接受机使用E对yn执行数据解扩，得到解扩后的数据
Figure BDA00030035416600001310
解扩时，接收机可以获得各段所用扩频序列的信息。通过交织/解交织，DD面资源元素的二维循环移位变为了段、符号、码片的循环移位。根据S1-S6所要求的内容，发现在S1-S5所提策略下，经历正交时频空间传输的正交扩频数据存在如下段、符号和码片移位规律：若数据向左段循环移动κ位，则Dn的前κ段向上循环移动Ω+1个符号，后n-κ段向上循环移动Ω个符号，且Dn中的前nΩ+κ个符号内向上循环移动ρ+1个码片，其余符号向上循环移动ρ个码片。上述内容中Ω,κ,ρ均为未知量，故接收机接下来进行未知量的检测和段、符号、码片循环移位的恢复。
根据S6所要求的内容，接收机将根据系统的多段扩频序列结构首先进行段循环移位的恢复。由于解扩时，接收机已知获得了各段所使用的扩频序列且接收机已知所发射的多段扩频序列结构，通过比较接收机可得到信道冲激响应作用于Sn的段循环移位步数为κ。故接收机将yn逆段循环动κ位得到
Figure BDA0003003541660000141
使得
Figure BDA0003003541660000142
各段与Sn各段所使用序列一致。
根据S6所要求的内容，段循环移位恢复后，系统进行符号循环移位和码片循环移位恢复。通过设计发射机所收集的数据符号Dn，使得Dn各段的第一个符号(导频符号)与其余符号相比具有更高信噪比，且接收端已知导频符号的能量值。根据S6所述的方法，接收机探测各段解扩符号的能量大小，并经过符号逆循环移位将各段能量最大的符号放置于各段段首。接收机记录各段所经过的逆循环移位步长为Ωi,i＝1,2,…,n.
由码片循环移位和离散傅里叶变换序列的规律可知，扩频序列中的码片循环移位，在解扩后，将转化为符号的循环相位旋转。考虑到ρ难以获得，S6要求通过补偿前nΩ+κ个符号和其余符号的1位循环移位差异使得Dn各段拥有相同的相位旋转位数。参照图6，此后接收机利用各段的导频符号进行信道估计和信道补偿。最后进行数据的恢复性能判断。
通过S6中所要求的利用系统各类循环移位的规律分析、多段扩频序列结构、特定数据设计方案和1位码片循环移位补偿等，可以实现在DD域资源块二维循环移位特征下的正交扩频数据的有效恢复。
图8为本发明实施例提供的一种与未实施S1-S6所要求方法的正交时频空间正交扩频数据传播通信系统架构图。作为对比，将D按相同信道条件经过图8所示的通信系统,得到解扩后的
Figure BDA0003003541660000143
图9为本发明实施例提供的一种与未实施该方法的通信系统的误比特率检测性能对比示意图。在大量重复实验下，
Figure BDA0003003541660000144
与D的比特差异比率称为误比特率。为方便规律阐述，假设两方案所经历的信道衰落均为1，即信道条件均为加性高斯白噪声(AWGN)信道。在不同的信噪比下，通过该方法，可以使得扩频序列的正交性得以保持，为有效解扩提供保障。
以下描述第二种应用场景。
该应用场景提供了一种应用于高速移动大规模物联网的多址接入技术，称为正交时频空间-串联扩频多址技术(Orthogonal time frequency space-tandem spreadingmultiple access，OTFS-TSMA)，该方法包括：提供了OTFS-TSMA技术发射机原型结构，其包括用户分组、数据收集、数据分段、段编码、数据调制、导频添加、串联扩频、交织、数据映射、逆辛傅里叶变换、海森堡变换、循环前缀添加等模块，提供了新型的多用户分组、多用户资源映射、多用户数据传输等方案；提供了OTFS-TSMA技术接收机原型结构，其包括循环前缀删除、维纳变换、辛傅里叶变换、数据解映射、数据解交织、用户识别、虚警用户删除、数据解扩和恢复、信道估计和均衡、选择合并、数据解调、段解码、多段合并等模块，提供了多用户识别、虚警用户删除、基于选择合并的多用户数据恢复等方案。本方法基于OTFS和TSMA技术，非正交地分配信道资源，为高速移动条件下的大规模物联网设备提供可靠的免授权随机接入。
现有技术中，OTFS虽然能够较好应对高速移动，但受时延多普勒域信道冲激响应的影响，利用其进行多址技术研究时需设计复杂的资源映射和数据检测方案；TSMA虽牺牲一定的用户速率实现连接性及接入可靠性的增强，但其应对高速移动的鲁棒性差。当前面向高速移动大规模物联网场景的免授权随机接入技术研究匮乏，尚未有基于OTFS和TSMA联合研究提出的有关技术。本专利基于两种方案的不足和长处，提出了可应用于高速移动大规模物联网的多址接入技术，即OTFS-TSMA技术，该技术在OTFS和TSMA的理论基础上，提出了新型的多用户分组、多用户资源映射、多用户数据传输、多用户识别、虚警用户删除、基于选择合并的多用户数据恢复等方案，可以实现高速移动条件下大规模物联网的可靠免授权接入和数据传输。
本发明提出了一种应用于高速移动大规模物联网的多址接入技术，包括：
面向高速移动大规模物联网免授权随机接入场景，提出了一种非正交多址接入方案，称为正交时频空间-串联扩频多址技术(Orthogonal time frequency space-tandemspreading multiple access，OTFS-TSMA)。该技术中，提出了正交时频空间串联扩频多址技术发射机和接收机原型结构。本专利中所述的高速移动指相对高速移动，即通信系统的基站与大量物联网设备间存在相对高速移动。
其中，正交时频空间串联扩频多址技术的发射机原型结构是面向高速移动大规模物联网免授权随机接入场景的，其首次结合了正交时频空间理论和串联扩频技术，并提出了创新型的多用户分组、多用户资源映射、多用户数据传输等方案。
正交时频空间串联扩频多址技术的发射机原型结构包括用户分组、数据收集、数据分段、段编码、数据调制、导频添加、串联扩频、交织、数据映射、逆辛傅里叶变换、海森堡变换、循环前缀添加等模块。
正交时频空间理论和串联扩频技术的首次结合在发射机原型中的体现为：系统在正交时频空间中，预先对系统所服务的大规模物联网用户进行分组，所设计的用户分组方案可实现不同组别的用户间不存在组间数据干扰，相同组别的用户非正交地使用相同的时延多普勒域资源；系统在正交时频空间中，设计大规模物联网用户的数据处理和资源映射方案，以保证资源的非正交使用和接收机对串联扩频数据的有效接收；处于高速移动下的大规模物联网设备激活并收集数据后，利用串联扩频技术和预先设定好的扩频码本进行数据扩频，并按照系统规定的用户分组和资源映射方案进行数据处理和数据发送。
正交时频空间串联扩频多址技术的接收机原型结构是面向高速移动大规模物联网免授权随机接入场景的，其首次结合了正交时频空间理论和串联扩频技术，并提出了创新型的多用户识别、虚警用户删除、基于选择合并的多用户数据恢复等方案。
正交时频空间串联扩频多址技术的接收机原型结构，其包括循环前缀删除、维纳变换、辛傅里叶变换、数据解映射、数据解交织、用户识别、虚警用户删除、数据解扩和恢复、信道估计和均衡、选择合并、数据解调、段解码、多段合并等模块。
正交时频空间理论和串联扩频技术的首次结合在接收原型中的体现为：接收机以数据有效接收为准则，进行与发射机相对应的数据处理，使得受时延多普勒域信道冲击影响的大规模用户数据可进行有效解扩；接收机以系统规定的串联扩频码本为依据，进行正交时频空间中数据多用户识别；接收机利用串联扩频理论，对同一用户组中不同正交时频资源轴上的潜在的虚警用户进行删除；接收机根据信道对大规模用户数据的影响，继而进行用户数据解扩和恢复，并基于多径传播特性及高速移动下的多径在正交时频空间中的表征，采用基于选择合并的数据恢复。
本发明考虑高速移动下的大规模物联网设备与基站在单时隙内的上行数据传输过程。假设基站所服务的大规模物联网设备数为K，大规模物联网的每个用户在单个传输时隙内以pa概率独立地激活，则时隙内激活用户数量遵循二项分布
Figure BDA0003003541660000161
并假设所考虑的单个时隙内激活用户数目为Ka。
假设系统所占用时间资源和频率资源分别为NT和MΔf，这里T表示N时间间隔的数目，Δf表示子载波间隔，并假设
Figure BDA0003003541660000162
N和M分别为对应变量的数目。根据采样、时延、多普勒理论，系统中时延多普勒域资源元素有N×M个，将多普勒轴上的资源元素叫做多普勒元素，延迟轴上的资源元素叫做延迟元素。此时延多普勒域即称为正交时频空间。该空间与时频域相比，信道冲击响应表现出稀疏特性和时不变特性，可简化通信系统的接收机设计(如信道估计、信道均衡等模块)。
图10为本实施例提供的OTFS-TSMA技术原型设备框架图，图11为实施例提供的OTFS-TSMA技术通信系统架构图。OTFS-TSMA技术发射机原型实施例如下：
(1)用户分组
在用户分组中，系统首先将所有用户进行编号，序号分别为1,2,…,K。由于高速移动下的物联网设备具有一定的速度上限，即系统所产生的的多普勒频移是有限的，故可根据多普勒频移的特性，令不同组用户在不同多普勒资源元素上进行资源的非正交利用。假设系统中大规模物联网设备的最大多普勒频移为
Figure BDA0003003541660000171
为便于说明，本实施例假设Θ可以整除N；则可将用户分为
Figure BDA0003003541660000172
组，每组用户数为串联扩频码本的容量
Figure BDA0003003541660000173
第k个用户将在第
Figure BDA0003003541660000174
个多普勒资源轴上映射数据；同样的，系统所支持用户数K最大为
Figure BDA0003003541660000175
(2)数据收集
在数据收集中，大规模物联网设备激活并收集到传输数据
Figure BDA0003003541660000176
其中k＝1,2,…,K，b表示所收集比特数。
(3)数据分段
在数据分段中，大规模物联网设备将Dk分为m段，得到m段的数据
Figure BDA0003003541660000177
Figure BDA0003003541660000178
(4)段编码
段编码中，大规模物联网设备利用TSMA理论进行段编码。具体过程为将
Figure BDA0003003541660000179
各段转化为GF
Figure BDA00030035416600001710
域中的有限域元素，通过将所得数据与GF
Figure BDA00030035416600001711
域中的m×n维范德蒙德矩阵相乘，得到段编码后的有限域数据形式，进而将其转化至2进制域，得到有n段的段编码后数据
Figure BDA00030035416600001712
(5)数据调制
在数据调制中，大规模物联网设备对
Figure BDA00030035416600001713
进行数据调制。本实施例中采用BPSK调制方式，调制后的数据表示为
Figure BDA00030035416600001714
(6)导频添加
在导频添加中，大规模物联网设备将长度为lp的导频序列
Figure BDA00030035416600001715
添加至
Figure BDA00030035416600001716
各段的段首，得到
Figure BDA00030035416600001717
在本实施例中，bp与
Figure BDA00030035416600001718
中数据符号相比有更高的信噪比，差值为3dB。
(7)串联扩频
大规模物联网设备和接收机均储存了TSMA技术的串联扩频码本。在串联扩频中，大规模物联网设备根据自身在组中的编号，选择自身的串联扩频序列，进行串联扩频。正交扩频序列集合用
Figure BDA00030035416600001719
表示,这里q表示扩频因子，并选取离散傅里叶变换序列作为正交扩频序列。用户k的串联扩频过程表示为：
Figure BDA00030035416600001720
其中，Ti,k＝diag[ti,k,ti,k,…,ti,k]， (2)
其中，i＝1,2,…,n表示第i段，ti，k表示为用户k第i段所使用的扩频序列，
Figure BDA00030035416600001721
为ti,k的块对角矩阵。正交扩频后的数据表示为
Figure BDA00030035416600001722
Figure BDA00030035416600001723
(8)数据交织
在数据交织中，大规模物联网设备的发射机按照如下规则进行
Figure BDA00030035416600001724
的段、符号、码片交织。其将
Figure BDA00030035416600001725
每一段数据中，每个扩频序列里具有相同位置编号的码片一一排列，得到的交织后的数据表示为
Figure BDA0003003541660000181
Figure BDA0003003541660000182
可以看出
Figure BDA0003003541660000183
由q个数据块构成。
Figure BDA0003003541660000184
表示为：
Figure BDA0003003541660000185
其中
Figure BDA0003003541660000186
表示转置操作，
Figure BDA0003003541660000187
表示为：
Figure BDA0003003541660000188
其中
Figure BDA0003003541660000189
表示
Figure BDA00030035416600001810
的第
Figure BDA00030035416600001811
个码片，
Figure BDA00030035416600001812
(9)数据映射
在数据映射中，大规模物联网设备发射机将矩阵
Figure BDA00030035416600001813
逐列排列，并转置后得到一行向量
Figure BDA00030035416600001814
随后大规模物联网设备将S映射至时延多普勒域中各自所分配的多普勒资源元素轴上，得到待发送数据。本实施例假设
Figure BDA00030035416600001815
(10)逆辛傅里叶变换和海森堡变换
根据OTFS技术理论，此后大规模物联网设备执行逆辛傅里叶变换、海森堡变换操作。这两个操作将大规模物联网设备在时延多普勒域所映射的数据转化到时域传播。
(11)循环前缀添加
如S1权利所要求的OTFS-TSMA技术发射机原型所示，大规模物联网设备为所得到的时域数据添加循环前缀(Cyclic Prefix,CP)以应对多径带来的码间干扰。
OTFS-TSMA技术接收机原型实施例如下：
(1)CP删除、维纳变换和辛傅里叶变换操
OTFS-TSMA接收机接收到数据后依次执行CP删除、维纳变换、辛傅里叶变换操作，将时域信号转化到时延多普勒域，进而开展数据恢复。
(2)数据解映射
在数据解映射中，OTFS-TSMA接收机将时延多普勒面上的不同多普勒元素轴数据进行分离，得到N行接收数据，各行表示为
Figure BDA00030035416600001816
随后接收机将yξ转置后分为q块，得到解映射后的数据块
Figure BDA00030035416600001817
(3)解交织
在数据解交织中，与OTFS-TSMA发射机相对应的，OTFS-TSMA接收机对
Figure BDA00030035416600001818
开展段、符号、码片解交织。所得数据为
Figure BDA00030035416600001819
表示为：
Figure BDA00030035416600001820
其中
Figure BDA00030035416600001821
并且
Figure BDA0003003541660000191
表示
Figure BDA0003003541660000192
的第(ηn+1)th～((η+1)n)th行的码片，
Figure BDA0003003541660000193
(4)用户识别
在用户识别中，OTFS-TSMA接收机利用扩频序列集合E对
Figure BDA0003003541660000194
执行能量相关检测。在正交时频空间中，基于发射和接受波形的双正交性假设，时延多普勒域元素与信道冲击响应表现出二维循环卷积特征。注意到通过OTFS-TSMA发射机中的交织和接收机中的解交织方案，时延多普勒域资源元素的二维循环移位变为了段、符号、码片的循环移位，而离散傅里叶变换序列恰满足循环正交特性，故在此用户识别环节中，扩频序列的能量相关检测是成功的。故OTFS-TSMA接收机可以获得
Figure BDA0003003541660000195
中各段所用的扩频序列信息。
如以上所述，
Figure BDA0003003541660000196
各段间存在循环移位，故OTFS-TSMA接收机进行用户识别前，先按照TSMA码本遍历得到所有可能的段循环移位串联扩频组合，得到新型码本。此时OTFS-TSMA接收机通过利用新型码本，比对在各段中所识别出的活跃序列，进而完成各个
Figure BDA0003003541660000197
中的用户识别。
(5)虚警用户删除
在虚警用户删除中，OTFS-TSMA接收机根据所识别的用户各自的段循环移位后的串联扩频序列进行冗余地用户删除。
注意到不同用户可能经历不同的多径环境，表现为径数和衰落不同。故根据时延多普勒与元素与信道冲击响应的二维循环卷积特性，某一用户的传输数据可能会被不同多径搬运至不同多普勒轴上，即某一用户可能会被同一个用户组的多个
Figure BDA0003003541660000198
识别出，此即产生了多普勒径分集。
虚警用户删除利用了多普勒径分集的特性。由于虚警用户的所有段均为碰撞段，故OTFS-TSMA接收机将所识别用户中，所有段均碰撞的用户判定为虚警用户，并进行删除。注意到所有段均为碰撞段的用户不一定为虚警用户，故此类操作可能删除真实激活的用户，也即会带来漏警概率的增加。然而，多普勒径分集将补偿这一点。
(6)数据解扩和恢复
在数据解扩中，OTFS-TSMA接收机按照不同多普勒轴上识别用户的串联扩频组合进行相应段的解扩，解扩后的数据表示为
Figure BDA0003003541660000199
解扩后的数据中并非仅经历的信道衰落和噪声影响的传输数据，还存在有段、符号、码片循环移位。
通过所设计的OTFS-TSMA发射机交织和OTFS-TSMA接收机解交织方案，大规模物联网设备的数据在接收端存在如下段、符号和码片移位规律：若数据向左段循环移动κ位，则
Figure BDA00030035416600001910
的前κ段向上循环移动Ω+1个符号，后n-κ段向上循环移动Ω个符号，且
Figure BDA00030035416600001911
中的前nΩ+κ个符号内向上循环移动ρ+1个码片，其余符号向上循环移动ρ个码片。上述内容中Ω,κ,ρ均为未知量，故接收机接下来进行未知量的检测和段、符号、码片循环移位的恢复。
接收机将根据系统的多段扩频序列结构首先进行段循环移位的恢复。根据用户识别时OTFS-TSMA接收机获得的
Figure BDA0003003541660000201
各段扩频序列结构，比较得到段循环移位步数κ，而后将
Figure BDA0003003541660000202
逆段循环动κ位得到
Figure BDA0003003541660000203
其次，OTFS-TSMA接收机进行符号循环移位恢复。其通过探测各段解扩符号的能量大小，并经过符号逆循环移位将各段能量最大的符号(即导频符号)循环至各段段首，同时可得到各段的逆循环移位步长为Ωi,i＝1,2,…,n.
最后，OTFS-TSMA接收机进行码片循环移位恢复。OTFS-TSMA通过补偿前nΩ+κ个符号和其余符号的1位循环移位差异使得
Figure BDA0003003541660000204
各段拥有相同的相位偏转。
(7)信道估计和均衡
在信道估计中，OTFS-TSMA利用大规模物联网设备所发射数据中包含的导频符号，进行信道估计。本实施例采用最小二乘的线性估计方案，得到用户k各多径所经历信道衰落的估计值。而后本实施例采用迫零均衡方案，进行信道均衡。
(8)选择合并
在选择合并中，由于用户k具有多个径的数据，OTFS-TSMA接收机通过选择合并，选择所经过信衰落最小的径进行后续的数据解码。
(9)数据解调
在数据解调中，本实施例的OTFS-TSMA接收机采用与大规模物联网设备相同的BPSK调制方案进行数据解调，并删除所添加的导频符号后，得到解调后的数据表示为
Figure BDA0003003541660000205
(10)段解码
在段解码中，OTFS-TSMA接收机通过所得到的识别用户的串联扩频集合，得到
Figure BDA0003003541660000206
中的碰撞段，并按照与大规模物联网设备发射端段编码相对应的段解码方式，删除
Figure BDA0003003541660000207
中的碰撞段并解码后，得到段解码数据
Figure BDA0003003541660000208
(11)多段合并
在多段合并中，OTFS-TSMA接收机将
Figure BDA0003003541660000209
合并为
Figure BDA00030035416600002010
并对所有用户同时开展以上过程，得到所识别的活跃用户的发送数据。
图12为本发明实施例提供的不同信噪比下，OTFS-TSMA技术与TSMA技术的误比特率检测性能对比示意图。在本图中，lp＝1,b＝15,q＝8,n＝8,m＝5,M＝512,pa＝0.02。比较发现，所提出面向高速移动大规模物联网的OTFS-TSMA技术方案与静态大规模物联网的TSMA技术方案相比，在高信噪比下具有更低的误码率。基于专利要求图10中S1和S2方案，OTFS-TSMA技术的发射机和接收机原型机可以为高速移动大规模物联网场景提供更高的用户连接性和传播可靠性。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种正交时频空间中正交扩频数据的交织与映射方法，其特征在于，包括：
步骤1，在正交时频空间中，发射端获取数据比特；
步骤2，所述发射端对所述数据比特进行分段处理、数据调制处理，生成调制后的数据；
步骤3，所述发射端对各段所述调制后的数据使用正交扩频处理，生成时延多普勒平面上的正交扩频后数据；
步骤4，所述发射端对所述正交扩频后数据进行段、符号、码片交织处理，生成交织后的数据；
步骤5，所述发射端对所述交织后的数据进行数据映射，生成映射后的数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5后之后，所述方法还包括：
步骤6，所述发射端对映射后的数据进行逆辛傅里叶变换、海森堡变换，以进行信道传输。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤7，接收端接收到时延多普勒平面上的正交扩频数据；对接收的所述正交扩频数据进行数据解映射，生成解映射后的数据；
步骤8，所述接收端对时所述解映射后的数据进行段、符号、码片解交织处理，生成解交织后的数据；
步骤9，所述接收端对所述解交织后的数据进行数据解扩处理，生成解扩后的数据；
步骤10，所述接收端对所述解扩后的数据依次进行段循环移位恢复、符号循环移位恢复、1步码片循环移位补偿，生成补偿后的数据；
步骤11，所述接收端对所述补偿后的数据进行信道估计和均衡，生成均衡后的数据；
步骤12，所述接收端对所述均衡后的数据进行数据解调，生成解调后的数据；
步骤13，所述接收端对所述解调后的数据进行多段合并，生成恢复后的数据比特。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7之前，所述方法还包括：
步骤71，所述接收端接收信道传输的数据；
步骤72，所述接收端对所述信道传输的数据进行维纳变换和辛傅里叶变换，得到所述时延多普勒平面上的受信道影响后的正交扩频数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
当用于多用户数据传输的场景时，所述步骤1之前，所述方法还包括：步骤11，对用户进行分组；发射端的各用户获取数据比特；
所述步骤2具体为：所述发射端的各用户对所述数据比特进行分段处理、段编码、数据调制处理、导频添加处理；
所述步骤3具体为：所述发射端的各用户对导频添加处理后的数据符号使用串联正交扩频处理，生成时延多普勒平面上的正交扩频后数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤6具体为：所述发射端的各用户对映射后的数据进行逆辛傅里叶变换、海森堡变换、循环前缀添加，以进行信道传输。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤72具体为：
所述发射端对所述接收的数据进行循环前缀删除、维纳变换和辛傅里叶变换，生成所述时延多普勒平面上的正交扩频数据。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤8具体为：
所述接收端对所述解映射后的数据进行段、符号、码片解交织处理，生成解交织后的数据；
所述接收端进行用户识别；
所述接收端根据所识别的用户各自的段循环移位后的串联扩频序列，删除虚警用户，以对所述接收端得到的识别用户进行后续处理。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤12具体为：
所述接收端的识别用户对所述均衡后的数据进行选择合并处理，然后进行数据解调，生成解调后的数据；
所述接收端的识别用户对所述解调后的数据进行段解码处理，以进行多段合并。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述分段处理包括：
将所述数据符号
Figure FDA0003003541650000031
分段为n段，得到n段形式的数据
Figure FDA0003003541650000032
Figure FDA0003003541650000033
其中b为数据长度，
Figure FDA0003003541650000034
表示复数空间；
所述扩频处理具体为：
si＝Tidi， (1)
其中，Ti＝diag[ti,ti,…,ti]， (2)
其中i＝1，2，...，n表示各段的指标，ti为该段对应的扩频序列，
Figure FDA0003003541650000041
为ti的块对角矩阵；
正交扩频后的数据表示为Sn＝[s1，s2，...，sn]，
Figure FDA0003003541650000042
所述交织处理包括：
所述发射端将Sn各段数据的各个扩频序列中相同位置的码片逐次排列，得到具有q个数据块的交织后数据
Figure FDA0003003541650000043
Figure FDA0003003541650000044
表示为：
Figure FDA0003003541650000045
其中
Figure FDA0003003541650000046
表示转置操作，
Figure FDA0003003541650000047
表示为：
Figure FDA0003003541650000048
Figure FDA0003003541650000049
表示si的第
Figure FDA00030035416500000413
个码片，
Figure FDA00030035416500000410
所述数据映射包括：
所述发射端将
Figure FDA00030035416500000411
逐列整形入一行向量中，得到待映射数据
Figure FDA00030035416500000412
将S映射至DD面上；S被映射至一多普勒轴上，假设qb＝M。
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