CN114745246B - 基于正交空间调制的正交时频空间调制系统的工作方法 - Google Patents

Abstract

基于正交空间调制和OTFS调制系统的工作方法，属无线通信传输技术，系统由发射机和接收机组成，其通信过程为：首先，时延‑多普勒域的发射机信息比特经串并转换分三部分进入正交空间调制模块，其一用来进行星座映射，得调制符号x，另两部分分别用来确定发送x实部和虚部的激活天线索引l_R和l_I；其次，得到的时延‑多普勒域传输信号经OTFS调制转化为时域的传输信号，通过时变信道到达接收机；最后，接收机进行OTFS解调，得到时延‑多普勒域的接收信号，并由EMMSE检测器对信号进行检测，经正交空间解映射及并串转换，恢复出发送信息比特。本发明系统综合了正交空间调制和OTFS调制的特点，提出一种高准确率低复杂度的检测算法，提高了整体系统性能。

Description

基于正交空间调制的正交时频空间调制系统的工作方法

技术领域

本发明介绍一种基于正交空间调制的正交时频空间调制系统的工作方法，涉及无线通信传输技术领域。

背景技术

正交时频空间(OTFS)调制是一种设计在时延-多普勒域上新型调制技术，在高速移动场景下传统的正交频分复用(OFDM)技术子载波的正交性会因多普勒效应受到破坏，从而导致其误比特率性能在高信噪比条件下出现错误地板的情况，而OTFS调制技术通过将时频域上快速变化的信道转换为时延-多普勒域上近乎不变的信道，获得较强多普勒效应的抗性，这一特性使得OTFS调制技术成为未来保证终端高速移动场景下通信可靠性的一项极具潜力的通信传输技术。另一方面正交空间调制(QSM)技术作为空间调制(SM)的推广和变形，二者的主要区别在于SM在发送端通过索引比特选择一根发送天线进行激活传输一个调制符号，而对于QSM技术是通过将一个调制符号拆分成同相分量和正交分量两部分，通过两组索引比特分别选择发送实部的激活天线和发送虚部的激活天线，然后将信号的同相分量和正交分量分别搭载在相互正交的载波上从两根激活天线发送，这样做有效避免了信道间干扰，而且能够获得更多的分集增益，从而提高通信传输的可靠性。

Y.Yang等(参见Y.Yang et al.,"Design and analysis of spatial modulationbased orthogonal time frequency space system,"in China Communications,vol.18,no.8,pp.209-223,Aug.2021,doi:10.23919/JCC.2021.08.015.)提出了一种SM-OTFS调制的联合设计，并求得系统在时延-多普勒信道上的平均符号误码率和平均比特误码率的闭式解，仿真证明在高移动性通信下所提出的SM-OTFS系统相比于典型的SM-OFDM能够获得更好的误比特率性能。上述方案在发送信号时只激活一根天线，获得的空间分集增益十分有限，而且接收端采用的最大似然(ML)检测复杂度较大。

发明内容

基于现有的技术和方案设计，本发明提出一种基于正交空间调制的正交时频空间调制系统的工作方法，并在接收端提出一种增强型最小均方误差检测器，提高了系统的频谱效率和空间分集，保证了传输可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种基于正交空间调制和正交时频空间调制系统的工作方法，该系统主要包括发射机和接收机，其中发射机包括正交空间调制模块和正交时频空间调制模块；接收机包括正交时频空间解调模块、信号检测与解映射模块；发射机配置N_t根发射天线，N_t≥2，接收机配置N_r根接收天线，满足N_r≥N_t，其通信过程为：首先，发射机产生时延-多普勒域的信息比特序列，经串并转换将比特序列分为MN组，其中M为正交时频空间子载波数，N为每组发送符号数，各组分别进行正交空间调制，每组信息比特可分为三部分，第一部分用来进行M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制，得到调制符号x＝x_R+ix_I，其中M_mod≥4，x_R和x_I分别为星座符号的同相分量和正交分量，第二部分和第三部分以自然映射规则分别选择发送星座符号实部x_R和虚部ix_I对应的激活天线索引l_R和l_I，每组比特序列确定一个N_t维的列向量，考虑到共有MN组比特序列，数据经过正交空间调制模块，可得到N_t×MN维的时延-多普勒域的传输符号矩阵X；其次，X进入正交时频空间调制模块，通过逆辛傅里叶变换和海森堡变换，将时延-多普勒域信号转化为时域信号S(t)，发射机将S(t)通过激活的发射天线经时变多输入多输出信道发送至接收机；最后，接收机收到时域接收信号R(t)，对其进行正交时频空间解调，经过维格纳变换和辛傅里叶变换得到时延-多普勒域的接收信号Y，并在信号检测与解映射模块对Y进行增强型最小均方误差(EMMSE)检测和解映射，对时延-多普勒域信息比特进行解调恢复，其具体步骤如下：

1)发射机产生长度为的时延-多普勒域随机比特序列b＝[b₁ b₂...b_K]，其中/>表示向下取整操作，b经串并转换分为MN组，形成一个/>的二进制矩阵Q，对于矩阵Q的第z列数据比特进行正交空间调制，其中第一部分log₂M_mod比特用于进行M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制，得到调制符号x＝x_R+ix_I，第二及第三部分的/>比特分别用于选择调制发送符号实部及虚部对应的激活天线索引l_R和l_I，发送向量可表示为/> x_z为N_t×1维的矢量，[.]^T表示矢量转置，当l_R≠l_I时，x_z中存在两个非零元素，即第l_R个元素x_R以及第l_I个元素ix_I；当l_R＝l_I时，x_z中存在一个非零元素，即第l_R＝l_I个元素x_R+ix_I，矩阵Q经过正交空间调制模块转换为N_t×MN维的时延-多普勒域传输符号矩阵X＝[x₁...x_z...x_MN]；

2)正交时频空间调制模块中，X经过逆辛傅里叶变换和海森堡变换，转化为时域传输符号矩阵S(t)＝[s₁...s_z...s_MN]，其中的元素是由x_z中的元素进行并行正交时频空间调制得到的，/>表示复数集，/>表示由N_t个复数组成的列向量，S(t)通过时变多径瑞利衰落信道H(t)进行传输，接收机收到的时域传输符号矩阵/>其中H(t)为N_r×N_t个向量组成的分块信道矩阵，其元素/>表示第p根发送天线到第q根接收天线间的时变信道响应，L为信道多径数，对第i(i＝1,2,...L)条路径/>δ(.)为冲激函数，e为自然对数，/>τ_i和v_i分别表示第i条路径中的信道系数、时延和多普勒频移，/>服从均值为0，方差为1/L的复高斯随机分布，/>表示克罗内克乘积操作，V(t)表示时域加性高斯白噪声向量；

3)接收机收到的时域信号矩阵R(t)在正交时频空间解调模块经维格纳变换转换到时频域，再经辛傅里叶变换转换到时延-多普勒域，得到时延-多普勒域接收信号矩阵 表示由复数组成的N_r×MN维矩阵，其第l(l＝0,1,...,M-1)个延时和第k(k＝0,1,...,N-1)个多普勒处延迟-多普勒域接受信号的表达式为y[k,l]＝H^DD[k,l]x[k,l]+v[k,l]，其中/> 表示对应的时延-多普勒域等效信道矩阵，/>表示由复数组成的N_r×N_t维矩阵，v[k,l]表示时延-多普勒域加性高斯白噪声向量；

4)最后时延-多普勒域接收信号矩阵Y进入信号检测与解映射模块，针对信号检测，提出了一种高准确率低复杂度的EMMSE检测算法，其具体步骤如下：

第一步：判断发送天线N_t是否等于2，是则跳转至第四步，如大于2，进入第二步；

第二步：执行最小均方误差检测操作，得到估计的发送信号其中H为等效信道矩阵，[.]^H表示矩阵的共轭转置，σ²为噪声方差，I表示维数为N_t的单位矩阵，(.)^-1表示矩阵取逆操作，y表示接收信号向量，/>中模值最小的元素索引即对应最不可能被激活的天线索引，将其设为/>且/>其中||.||表示计算向量的Frobenius-范数的操作，arg min表示取最小值时对应的变量索引；

第三步：设定一个可能激活的天线索引集合从该集合中删去元素/>得到/>并去除等效信道矩阵H的第/>列，以消除第/>根发送天线对信号检测的影响，更新数据后跳转至第二步；

第四步：经过多次循环，TA中的元素个数变为2，即TA＝[p₁,p₂]，此时p₁和p₂为最可能激活的天线索引，对应正交空间调制的发送天线组合矩阵为其第一列表示发送实部信号的天线索引，第二列表示发送虚部信号的天线索引；

第五步：基于最大似然准则检测出激活天线索引和调制符号其中/>表示M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制对应的调制符号集；

完成信号检测后，根据激活天线索引和调制符号进行正交空间解映射，经并串转换，恢复出发送的二进制比特序列。

本发明将QSM和OTFS调制技术相结合，利用QSM的空间分集增益提高信号传输的有效性，利用OTFS调制技术保证了系统在高移动性场景下的传输可靠性，并提出了一种基于最小均方误差准则的高准确率的线性检测算法，仿真证明相较于传统的迫零(ZF)检测和最小均方误差(MMSE)检测，所提检测算法在高信噪比条件下具有明显的平均误比特率性能的提高。

附图说明

图1是本发明方法的通信流程示意图。

图2是在发送天线N_t＝4，接收天线N_t＝4，M＝N＝4，QSM-OTFS系统调制方式为4QAM，SM-OTFS系统调制方式为16QAM，频谱效率为6bit/s/Hz，接收端采用ML检测的条件下，QSM-OTFS与SM-OTFS的系统误比特性能仿真对比图。由图2可以看在相同的频谱效率条件下，本发明提出的QSM-OTFS工作方法的误比特率性能要优于传统的SM-OTFS工作方法。

图3是在发射天线N_t＝8，接收天线N_t＝8，M＝N＝4，调制方式为4QAM的条件下，本发明提出的增强型最小均方误差(EMMSE)检测与迫零(ZF)、最小均方误差(MMSE)等传统线性检测算法的系统误比特率性能仿真对比图。由图3可以看出，本发明所提检测算法在中高信噪比下的误比特率性能要明显优于ZF和MMSE检测算法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

一种基于正交空间调制和正交时频空间调制系统的工作方法，如图1所示，该系统主要包括发射机和接收机，其中发射机包括正交空间调制模块和正交时频空间调制模块；接收机包括正交时频空间解调模块、信号检测与解映射模块；发射机配置N_t根发射天线，N_t≥2，接收机配置N_r根接收天线，满足N_r≥N_t，其通信过程为：首先，发射机产生时延-多普勒域的信息比特序列，经串并转换将比特序列分为MN组，其中M为正交时频空间子载波数，N为每组发送符号数，各组分别进行正交空间调制，每组信息比特可分为三部分，第一部分用来进行M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制，得到调制符号x＝x_R+ix_I，其中M_mod≥4，x_R和x_I分别为星座符号的同相分量和正交分量，第二部分和第三部分以自然映射规则分别选择发送星座符号实部x_R和虚部ix_I对应的激活天线索引l_R和l_I，每组比特序列确定一个N_t维的列向量，考虑到共有MN组比特序列，数据经过正交空间调制模块，可得到N_t×MN维的时延-多普勒域的传输符号矩阵X；其次，X进入正交时频空间调制模块，通过逆辛傅里叶变换和海森堡变换，将时延-多普勒域信号转化为时域信号S(t)，发射机将S(t)通过激活的发射天线经时变多输入多输出信道发送至接收机；最后，接收机收到时域接收信号R(t)，对其进行正交时频空间解调，经过维格纳变换和辛傅里叶变换得到时延-多普勒域的接收信号Y，并在信号检测与解映射模块对Y进行增强型最小均方误差(EMMSE)检测和解映射，对时延-多普勒域信息比特进行解调恢复，其具体步骤如下：

1)发射机产生长度为的时延-多普勒域随机比特序列b＝[b₁ b₂...b_K]，其中/>表示向下取整操作，b经串并转换分为MN组，形成一个/>的二进制矩阵Q，对于矩阵Q的第z列数据比特进行正交空间调制，其中第一部分log₂M_mod比特用于进行M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制，得到调制符号x＝x_R+ix_I，第二及第三部分的/>比特分别用于选择调制发送符号实部及虚部对应的激活天线索引l_R和l_I，发送向量可表示为/> x_z为N_t×1维的矢量，[.]^T表示矢量转置，当l_R≠l_I时，x_z中存在两个非零元素，即第l_R个元素x_R以及第l_I个元素ix_I；当l_R＝l_I时，x_z中存在一个非零元素，即第l_R＝l_I个元素x_R+ix_I，矩阵Q经过正交空间调制模块转换为N_t×MN维的时延-多普勒域传输符号矩阵X＝[x₁...x_z...x_MN]；

2)正交时频空间调制模块中，X经过逆辛傅里叶变换和海森堡变换，转化为时域传输符号矩阵S(t)＝[s₁...s_z...s_MN]，其中的元素是由x_z中的元素进行并行正交时频空间调制得到的，/>表示复数集，/>表示由N_t个复数组成的列向量，S(t)通过时变多径瑞利衰落信道H(t)进行传输，接收机收到的时域传输符号矩阵/>其中H(t)为N_r×N_t个向量组成的分块信道矩阵，其元素/>表示第p根发送天线到第q根接收天线间的时变信道响应，L为信道多径数，对第i(i＝1,2,...L)条路径/>δ(.)为冲激函数，e为自然对数，/>τ_i和v_i分别表示第i条路径中的信道系数、时延和多普勒频移，/>服从均值为0，方差为1/L的复高斯随机分布，/>表示克罗内克乘积操作，V(t)表示时域加性高斯白噪声向量；

3)接收机收到的时域信号矩阵R(t)在正交时频空间解调模块经维格纳变换转换到时频域，再经辛傅里叶变换转换到时延-多普勒域，得到时延-多普勒域接收信号矩阵 表示由复数组成的N_r×MN维矩阵，其第l(l＝0,1,...,M-1)个延时和第k(k＝0,1,...,N-1)个多普勒处延迟-多普勒域接受信号的表达式为y[k,l]＝H^DD[k,l]x[k,l]+v[k,l]，其中/> 表示对应的时延-多普勒域等效信道矩阵，/>表示由复数组成的N_r×N_t维矩阵，v[k,l]表示时延-多普勒域加性高斯白噪声向量；

4)最后时延-多普勒域接收信号矩阵Y进入信号检测与解映射模块，针对信号检测，提出了一种高准确率低复杂度的EMMSE检测算法，其具体步骤如下：

第一步：判断发送天线N_t是否等于2，是则跳转至第四步，如大于2，进入第二步；

第二步：执行最小均方误差检测操作，得到估计的发送信号其中H为等效信道矩阵，[.]^H表示矩阵的共轭转置，σ²为噪声方差，I表示维数为N_t的单位矩阵，(.)^-1表示矩阵取逆操作，y表示接收信号向量，/>中模值最小的元素索引即对应最不可能被激活的天线索引，将其设为/>且/>其中||.||表示计算向量的Frobenius-范数的操作，arg min表示取最小值时对应的变量索引；

第三步：设定一个可能激活的天线索引集合从该集合中删去元素/>得到/>并去除等效信道矩阵H的第/>列，以消除第/>根发送天线对信号检测的影响，更新数据后跳转至第二步；

第四步：经过多次循环，TA中的元素个数变为2，即TA＝[p₁,p₂]，此时p₁和p₂为最可能激活的天线索引，对应正交空间调制的发送天线组合矩阵为其第一列表示发送实部信号的天线索引，第二列表示发送虚部信号的天线索引；

第五步：基于最大似然准则检测出激活天线索引和调制符号其中/>表示M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制对应的调制符号集；

完成信号检测后，根据激活天线索引和调制符号进行正交空间解映射，经并串转换，恢复出发送的二进制比特序列。

Claims (1)

1.一种基于正交空间调制和正交时频空间调制系统的工作方法，该系统包括发射机和接收机，其中发射机包括正交空间调制模块和正交时频空间调制模块；接收机包括正交时频空间解调模块、信号检测与解映射模块；发射机配置N_t根发射天线，N_t≥2，接收机配置N_r根接收天线，满足N_r≥N_t，其通信过程为：首先，发射机产生时延-多普勒域的信息比特序列，经串并转换将比特序列分为MN组，其中M为正交时频空间子载波数，N为每组发送符号数，各组分别进行正交空间调制，每组信息比特可分为三部分，第一部分用来进行M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制，得到调制符号x＝x_R+ix_I，其中M_mod≥4，x_R和x_I分别为星座符号的同相分量和正交分量，第二部分和第三部分以自然映射规则分别选择发送星座符号实部x_R和虚部ix_I对应的激活天线索引l_R和l_I，每组比特序列确定一个N_t维的列向量，考虑到共有MN组比特序列，数据经过正交空间调制模块，可得到N_t×MN维的时延-多普勒域的传输符号矩阵X；其次，X进入正交时频空间调制模块，通过逆辛傅里叶变换和海森堡变换，将时延-多普勒域信号转化为时域信号S(t)，发射机将S(t)通过激活的发射天线经时变多输入多输出信道发送至接收机；最后，接收机收到时域接收信号R(t)，对其进行正交时频空间解调，经过维格纳变换和辛傅里叶变换得到时延-多普勒域的接收信号Y，并在信号检测与解映射模块对Y进行增强型最小均方误差检测和解映射，对时延-多普勒域信息比特进行解调恢复，其具体步骤如下：

1)发射机产生长度为的时延-多普勒域随机比特序列b＝[b₁ b₂...b_K]，其中/>表示向下取整操作，b经串并转换分为MN组，形成一个/>的二进制矩阵Q，对于矩阵Q的第z列数据比特进行正交空间调制，其中第一部分log₂M_mod比特用于进行M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制，得到调制符号x＝x_R+ix_I，第二及第三部分的/>比特分别用于选择调制发送符号实部及虚部对应的激活天线索引l_R和l_I，发送向量可表示为/> x_z为N_t×1维的矢量，[.]^T表示矢量转置，当l_R≠l_I时，x_z中存在两个非零元素，即第l_R个元素x_R以及第l_I个元素ix_I；当l_R＝l_I时，x_z中存在一个非零元素，即第l_R＝l_I个元素x_R+ix_I，矩阵Q经过正交空间调制模块转换为N_t×MN维的时延-多普勒域传输符号矩阵X＝[x₁...x_z...x_MN]；

2)正交时频空间调制模块中，X经过逆辛傅里叶变换和海森堡变换，转化为时域传输符号矩阵S(t)＝[s₁...s_z...s_MN]，其中的元素是由x_z中的元素进行并行正交时频空间调制得到的，/>表示复数集，/>表示由N_t个复数组成的列向量，S(t)通过时变多径瑞利衰落信道H(t)进行传输，接收机收到的时域传输符号矩阵/>其中H(t)为N_r×N_t个向量组成的分块信道矩阵，其元素/>表示第p根发送天线到第q根接收天线间的时变信道响应，L为信道多径数，对第i条路径δ(.)为冲激函数，e为自然对数，/>τ_i和v_i分别表示第i条路径中的信道系数、时延和多普勒频移，/>服从均值为0，方差为1/L的复高斯随机分布，/>表示克罗内克乘积操作，V(t)表示时域加性高斯白噪声向量；

3)接收机收到的时域信号矩阵R(t)在正交时频空间解调模块经维格纳变换转换到时频域，再经辛傅里叶变换转换到时延-多普勒域，得到时延-多普勒域接收信号矩阵 表示由复数组成的N_r×MN维矩阵，其第l个延时和第k个多普勒处延迟-多普勒域接受信号的表达式为y[k,l]＝H^DD[k,l]x[k,l]+v[k,l]，其中l＝0,1,...,M-1，k＝0,1,...,N-1，/> 表示对应的时延-多普勒域等效信道矩阵，/>表示由复数组成的N_r×N_t维矩阵，v[k,l]表示时延-多普勒域加性高斯白噪声向量；

4)最后时延-多普勒域接收信号矩阵Y进入信号检测与解映射模块，针对信号检测，提出了一种高准确率低复杂度的EMMSE检测算法，其具体步骤如下：

第一步：判断发送天线N_t是否等于2，是则跳转至第四步，如大于2，进入第二步；

第二步：执行最小均方误差检测操作，得到估计的发送信号其中H为等效信道矩阵，[.]^H表示矩阵的共轭转置，σ²为噪声方差，I表示维数为N_t的单位矩阵，(.)^-1表示矩阵取逆操作，y表示接收信号向量，/>中模值最小的元素索引即对应最不可能被激活的天线索引，将其设为/>且/>其中||.||表示计算向量的Frobenius-范数的操作，arg min表示取最小值时对应的变量索引；

第三步：设定一个可能激活的天线索引集合从该集合中删去元素/>得到/>并去除等效信道矩阵H的第/>列，以消除第/>根发送天线对信号检测的影响，更新数据后跳转至第二步；

第四步：经过多次循环，TA中的元素个数变为2，即TA＝[p₁,p₂]，此时p₁和p₂为最可能激活的天线索引，对应正交空间调制的发送天线组合矩阵为其第一列表示发送实部信号的天线索引，第二列表示发送虚部信号的天线索引；

第五步：基于最大似然准则检测出激活天线索引和调制符号其中/>表示M_mod阶正交振幅调制或相移键控调制对应的调制符号集；

完成信号检测后，根据激活天线索引和调制符号进行正交空间解映射，经并串转换，恢复出发送的二进制比特序列。