CN113660061A - 基于接收符号分块的otfs系统符号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接收符号分块的OTFS系统符号检测方法，主要解决现有技术中符号检测复杂度较高、检测接收符号速度较慢的问题。其实现步骤是：1、接收发射端发送的时域信号；2、对时域信号进行维格纳变换得到时频域信号；3、对时频域信号进行辛傅里叶变换得到时延‑多普勒域的接收符号；4、采用分块检测算法对接收符号分块；5、获得发送符号的估计值。本发明采用分块检测算法对接收符号进行分块后再对每个独立的接收符号块做符号检测，降低了OTFS系统整体符号检测的复杂度，提高了检测接收符号的速度。

Description

基于接收符号分块的OTFS系统符号检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于接收符号分块的正交时频空OTFS(Orthogonal Time Frequency Space)系统符号检测方法。本发明可用于从OTFS系统接收信号中检测出与发送符号相符的对应符号。

背景技术

目前，在4G、5G以及WIFI无线网络中广泛使用的正交频分OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing)调制技术容易受到多普勒效应的影响。OTFS在高移动性无线通信场景下相较于OFDM有着更好的性能表现。正交时频空OTFS是一种在时延多普勒域进行调制的二维调制方案，通过一系列二维变换，将双色散信道转换为在时延多普勒域近似非衰落的信道。OTFS系统面临的挑战主要来自两个方面：一个是如何精确的估计时延多普勒信道状态信息(CSI)，另一个是在获得CSI后，需要一种低复杂度和高效的算法进行接收信号检测。接收信号检测就是从接收信号中检测出与发送符号相符的对应符号，如果OTFS系统的检测算法复杂度较高则会造成整个系统检测接收符号较慢以及导致较高的时延，不利于实际系统的实用性。

Yu Liang,Lingjun Li等人在其发表的论文“Doppler Resilient OrthogonalTime-Frequency Space(OTFS)Systems Based on Index Modulation”(IEEE 91stVehicular Technology Conference,2020)中提到了一种索引调制OTFS系统的集成MMSE-ML的检测方法。该方法通过延迟多普勒域的索引位和星座符号一起传达信息，然后使用MMSE检测方法检测星座符号和索引位，再用ML检测方法检测索引信息的功率。此检测方法在高频谱效率和高阶调制信号的情况下可以显著降低复杂度，同时也比普通OTFS系统有着更好的误码率性能。该方法虽然降低了索引位检测的时间复杂度，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于需要先采用MMSE检测器检测星座符号，再用ML检测方法检测索引信息的功率，而MMSE检测器的计算复杂度较高，导致OTFS通信系统中检测接收符号速度较慢。

北京邮电大学在其申请的专利文献“一种计算复杂度低的正交时频空调制的均衡方法”(专利申请号201910197972.7，公布号CN109922020B)中公开了一种基于最小均方误差的OTFS系统接收符号检测方法。该方法利用时频二维分解和辛傅里叶变换的性质对线性最小均方误差并行干扰消除LMMSE-PIC(LineaMinimumMeanSquaredError based ParallelInterference Cancellation)中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，降低检测接收符号的计算复杂度，使检测计算复杂度与传输符号总数呈准线性关系。该专利申请存在的不足之处是，该检测方法的复杂度与传输帧的尺度也就是传输符号总数有关，当每帧传输的符号数目较多时则检测的复杂度也会递增，因此不适用于传输帧符号总数较多的场景。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于接收符号分块的OTFS系统符号检测方法，旨在解决OTFS通信系统中接收符号检测复杂度较高和不适用于传输帧符号总数较多的场景的问题。

实现本发明目的的思路是，根据接收符号的组成发送符号中是否有同一个符号的原则，将接收符号矩阵分成多个接收符号块，每个接收符号块内的符号数相较于整个接收符号矩阵的符号数会大幅降低，相应的进行符号检测的复杂度与每个接收符号块内的符号数有关，对接收符号块符号检测的复杂度也会大幅降低，再使用已有的任意一种符号检测算法对所有接收符号块进行符号检测；总的符号检测复杂度等于接收符号块的数目乘以每个接收符号块符号检测的复杂度，对于目前OTFS系统已有的符号检测算法的复杂度大都与传输符号总数呈非线性关系的情况下，可以显著降低符号检测总的复杂度，相应的提高检测接收符号的速度。同理，基于分块带来的特点，在传输帧符号总数较多的场景下，使OTFS系统总的符号检测复杂度仅与分得的接收符号块的符号数和接收符号块的数目有关，增强相应场景的适用性。

实现本发明目的的方案包括如下步骤：

步骤1，OTFS系统接收端接收到发射端发送的时域信号；

步骤2，对时域信号进行维格纳Wigner变换，得到时间-频率域的信号；

步骤3，对时间-频率域的信号进行辛傅里叶变换SFFT(Symplectic FiniteFourier Transform)，得到时延-多普勒域中的接收符号矩阵Y[k,l]，其中，k＝0...N-1,l＝0,...M-1，M和N分别表示OTFS系统的子载波的总数和载波符号的总数；

步骤4，采用分块检测算法对每个接收符号进行分块：

(4a)从接收符号矩阵中选取一个未选过的一个元素，该元素对应接收符号；

(4b)从接收符号矩阵中找出所选元素的所有相关元素，将所有相关元素与所选元素划分为一个接收符号块；所述相关元素是指，该元素对应的接收符号的所有组成发送符号中至少有一个发送符号与所选元素对应的接收符号的一个组成发送符号相同；

(4c)判断是否选完接收符号矩阵中所有的元素，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤(4a)；

步骤5，获得发送符号的估计值：

使用符号检测器对每个接收符号块进行符号检测，得到发送符号的估计值。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明根据接收符号的组成发送符号中是否有同一个符号的原则，将接收符号矩阵分成多个接收符号块，检测接收符号块内的符号所需的计算复杂度也较低，克服了现有技术中符号检测复杂度较高的缺点，使得本发明中符号检测的复杂度大幅度降低，也相应提高了相同系统下的OTFS系统的检测速度。

第二，由于本发明先使用分块检测算法对接收符号矩阵进行分块，之后可选用现有的任意一种符号检测算法对接收符号块分别进行符号检测，能在不改变原有检测算法误码性能的情况下大幅降低总的符号检测的复杂度，克服了现有技术中只针对特定的符号检测算法降低复杂度的问题，使得本发明增加了OTFS系统低复杂度符号检测算法的可选方案。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明OTFS系统检测误码率的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1，对实现本发明的具体步骤描述如下。

步骤1，OTFS系统接收端接收到发射端发送的时域信号。

接收端天线接收发射端发送的时域信号y(t)，其中，t表示时间变量。

步骤2，对时域信号进行维格纳Wigner变换，得到时间-频率域的信号。

将时域信号y(t)进行维格纳Wigner变换得到时间-频率域的信号Y[n,m]，其中，n＝0...N-1,m＝0,...M-1，n和m分别表示时间-频率域网格的行索引和列索引。

步骤3，对时间-频率域的信号进行辛傅里叶变换SFFT，得到时延-多普勒域中的接收符号矩阵Y[k,l]，其中k＝0,...N-1，l＝0,...M-1。

步骤4，采用分块检测算法对每个接收符号进行分块。

实施分块检测算法的具体步骤如下：

第一步，初始化一个大小为M×N的分块标志矩阵，矩阵元素都初始化为0，代表所有符号均未进行分块；符号索引初始化为k＝0，l＝0，初始化当前符号y[k,l]所在的块变量block＝1。

第二步，将接收符号y[k,l]加入到符号临时数组array。

第三步，从数组array取出一个符号，如果其分块标志为0则将其分块标志赋值为block，并根据与该接收符号的组成发送符号中是否有同一个符号的原则找到与其相关的相邻接收符号并加入到数组array；从数组array中删除当前所选符号y[k,l]；重复第三步直到符号临时数组array中没有符号。

第四步，遍历分块标志矩阵直到当前符号的分块标志为0则将当前符号的坐标赋值到符号索引k和l，将块变量block加1，并回到第二步；如果遍历分块标志矩阵得到所有符号的分块标志都不为0，则继续下面的步骤。

第五步，输出分块检测算法的结果：接收符号块Y_i(i＝1...block)。

步骤5，获得发送符号的估计值。

使用一种已有的符号检测器对每个接收符号块Y_i进行符号检测，然后合并各个接收符号块对应的发送符号的估计值X_i[k,l]，得到发送符号矩阵的估计值X[k,l]。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i3 8100CPU，主频为3.6GHz，内存为8GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2020b。

本发明仿真实验所使用的OTFS系统为采用子载波的总数M等于64和载波符号总数N等于32的系统，数据矢量的调制方式为QPSK，信道类型为复高斯信道，信道路径数分别选取为2和3的两种情况，接收端使用MMSE符号检测器进行符号检测，统计误比特率的循环次数为1000次。

2.仿真内容及仿真结果分析：

本发明的仿真实验是采用本发明和一个现有技术(OTFS系统的MMSE符号检测方法)分别对OTFS系统的接收符号数目为64*32*1000进行符号检测，获得相应的符号检测误码率结果，如图2所示。

在本发明的仿真实验中，采用的一个现有技术OTFS系统的MMSE符号检测方法是指，

Ahmad Nimr等人在“Extended GFDM Framework:OTFS and GFDM Comparison，2018IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM),2018,pp.1-6.”中提出的MMSE检测器在OTFS系统中的检测方法。

下面结合图2中的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。

图2中的横坐标代表发送符号的信噪比，单位为dB；纵坐标代表符号检测的误码率。

图2中以圆圈标示的曲线表示对OTFS系统的接收符号直接使用MMSE检测器进行符号检测，得到的符号检测误码率随着发送符号信噪比的变化曲线。该曲线是在物理信道存在两条路径时，对OTFS系统的接收符号直接使用MMSE检测器进行符号检测，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以符号检测的误码率为纵坐标绘制的曲线。

图2中以虚线和乘号相间标示的曲线表示对OTFS系统的接收符号先使用本发明的分块检测算法进行分块，然后对接收符号块使用MMSE检测器进行符号检测，得到的符号检测误码率随着发送符号信噪比的变化曲线。该曲线是在物理信道存在两条路径时，对OTFS系统的接收符号先分块再使用MMSE检测器进行符号检测，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以符号检测的误码率为纵坐标绘制的曲线。

图2中以右三角形标示的曲线表示对OTFS系统的接收符号直接使用MMSE检测器进行符号检测，得到的符号检测误码率随着发送符号信噪比的变化曲线。该曲线是在物理信道存在三条路径时，对OTFS系统的接收符号直接使用MMSE检测器进行符号检测，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以符号检测的误码率为纵坐标绘制的曲线。

图2中以虚线标示的曲线表示对OTFS系统的接收符号先使用本发明的分块检测算法进行分块，然后对接收符号块使用MMSE检测器进行符号检测，得到的符号检测误码率随着发送符号信噪比的变化曲线。该曲线是在物理信道存在三条路径时，对OTFS系统的接收符号先分块再使用MMSE检测器进行符号检测，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以符号检测的误码率为纵坐标绘制的曲线。

下面结合检测复杂度较高时会导致相同仿真条件下仿真耗时较长的原理，利用仿真耗时的降低程度表示采用本发明后降低符号检测复杂度的程度。在仿真条件所述的仿真环境下，将仿真参数描述，使用传统MMSE检测器进行仿真的仿真耗时，采用本发明的分块检测算法后仿真的仿真耗时，以及根据仿真耗时得到的结论绘制成表1。

表1：仿真实验中采用本发明前后的仿真耗时分析表

结合表1可以看出，本发明可以在仿真的条件下将仿真耗时降低96％到99％，证明了本发明可以使符号检测的复杂度大幅降低。

以上仿真实验表明：本发明方法将接收符号矩阵分成多个接收符号块，再选用一种符号检测算法对接收符号块进行符号检测，检测接收符号所需的总复杂度较低，克服了现有技术中符号检测复杂度较高的缺点，使得本发明相应的大幅降低了检测接收符号的复杂度，提高了检测接收符号的速度，是一种非常实用的OTFS系统符号检测方法。

Claims (1)

1.一种基于接收符号分块的OTFS系统符号检测方法，其特征在于，采用检测分块算法对接收符号分块，对每个分好的接收符号块进行符号检测；该检测方法的步骤包括如下：

步骤1，OTFS系统接收端接收到发射端发送的时域信号；

步骤2，对时域信号进行维格纳Wigner变换，得到时间-频率域的信号；

步骤3，对时间-频率域的信号进行辛傅里叶变换SFFT，得到时延-多普勒域中的接收符号矩阵Y[k,l]，其中，k＝0,...,N-1，l＝0,...,M-1，M和N分别表示OTFS系统的子载波的总数和符号的总数；

步骤4，采用分块检测算法对每个接收符号进行分块：

(4a)从接收符号矩阵中选取一个未选过的一个元素，该元素对应接收符号；

(4b)从接收符号矩阵中找出所选元素的所有相关元素，将所有相关元素与所选元素划分为一个接收符号块；所述相关元素是指，该元素对应的接收符号的所有组成发送符号中至少有一个发送符号与所选元素对应的接收符号的一个组成发送符号相同；

(4c)判断是否选完接收符号矩阵中所有的元素，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤(4a)；

步骤5，获得发送符号的估计值：

使用符号检测器对每个接收符号块进行符号检测，得到发送符号的估计值。

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