CN115225432A - 一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信、信道估计及干扰抑制技术领域，涉及一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法。所述方法，包括：对基带信号进行OTFS调制及上变频后得到射频信号并发射；标签吸收环境信号的能量根据自身携带的比特信息选择对接收的信号反射或不反射实现信号，读写器接收信号；读写器对接收信号进行LS信道估计直接和反射链路信道单位冲激响应；对射频源信号实现OTFS解调并进行MMSE检测；采用最大似然估计对标签信号进行检测；通过仿真分别计算直接和反射链路使用BEM拟合并进行LS估计的归一化均方误差和标签信号误码率。所述方法降低信道对多普勒的敏感性，具有更好的均衡性能，从而提升了信道估计的准确性。
Description
技术领域
本发明属于无线通信的信道估计技术领域，涉及一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术在4G中对于时不变的频率选择性信道实现了高频谱效率，但它对时变信道性能表现下降明显，为了克服OFDM的双选衰落，提出正交时频空间(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制技术。OTFS系统的时延-多普勒域的特性，使得信号对信道的敏感性减弱，提高抗干扰能力，在多普勒频移较大的衰落信道中仍能表现出良好的性能，可见在高速移动场景下，OTFS 远超OFDM技术。
环境反向散射(Ambient Backscatter Communication,AmBC)技术是指设备通过反射周围环境中的射频信号，以实现其与接收端的通信。AmBC技术的出现将会促进物联网技术发展和应用，极大降低了通信的成本和功耗，提高能量利用率。将AmBC技术与OTFS系统相结合，提升系统的误码率。
在无线通信系统中，系统的性能受传播路径制约，由于多径信道调制，接收端的接收信号会存在衰落，信道衰落会对接收端信号恢复产生严重的影响，因此，信道估计是否合理会会直接影响接收信号的调制结果。在检测传输数据之前，可以通过利用导频估计出的信道状态信息，在读写器处恢复出原始发送的信号。由于多径传播和多普勒效应，时延-多普勒域中的每个数据符号都受到来自其相邻符号的干扰。为了保证通信质量，进行基于导频辅助的最小二乘准则(least squares,LS)信道估计深入研究以优化系统性能，LS估计方法实现简单、复杂度低，确保AmBC-OTFS系统具有良好的误码性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有AmBC通信系统在高速移动场景中干扰大，误码率高等问题，提出了一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法。
为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：
所述AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法，依托的系统包括射频源、标签和读写器；所述射频源将OTFS调制后的信号发射出去，发射信号经直接链路和反射链路到达读写器；反射链路中的标签收集能量并根据自身携带的标签符号对环境射频信号进行调制后再决定是否反射射频源信号。
所述LS信道估计方法，包括如下步骤：
S1、射频源对基带信号进行星座映射、插入导频，进行OTFS调制及上变频得到环境射频信号，并把环境射频信号发射出去；
S2、环境射频信号分别经过直接链路信道和反射链路信道到达读写器，得到接收信号；
S3、读写器采用BEM模型拟合直接链路信道和反射链路信道的单位冲激响应，然后利用导频对直接链路信道和反射链路信道进行LS信道估计，得到直接链路估计向量Hd和反射链路估计向量Hr；
S4、对接收信号进行下变频得到基带接收信号再对基带接收信号进行 OTFS解调，得到频域接收信号X’；
S5、依据S3中得到的Hd和Hr，对频域接收信号X’进行MMSE均衡和星座图解映射，得到基带信号检测结果u；
S6、采用最大似然检测对标签符号进行检测，得到标签符号的检测结果，具体为：
S61、对基带信号检测结果u进行OTFS调制得到直接链路恢复信号
S62、分别计算Hd、Hr与
相乘后得到的结果与基带接收信号的欧几里得距离D0、D1，对标签符号进行判定：若D0小于D1，则标签符号检测结果为“0”；若D1小于D0，则检测标签符号检测结果为“1”。
S1、具体为：
S11、射频源的基带信号S先进行星座映射，得到向量A；
S12、在S11星座映射后得到的向量A，插入导频转换为向量Q，再进行离散辛傅里叶逆变换得到向量X，然后通过海森伯格变换得到向量x完成 OTFS调制；
S13、将经S12中OTFS调制得到的向量x进行上变频后得到环境射频信号，再将环境射频信号经发射天线发射出去。
S13所述上变频包括中频上变频以及射频上变频。
S2所述标签对环境射频信号的调制过程具体为：当标签选择发送符号“0”给读写器时，对环境射频信号不进行反射；当标签选择发送符号“1”给读写器时，对环境射频信号进行反射。
S2所述标签符号包括导频符号和数据符号。
S4中，下变频包括射频下变频和中频下变频。
S4所述OTFS解调具体为：先进行离散辛傅里叶变换和魏格纳变换实现OTFS解调，得到频域接收信号X’。
有益效果
本发明所述的一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、所述信道估计方法利用了时延-多普勒域信道的特性以及数据符号在时间和频率上的延展性，降低信道对多普勒影响的敏感性，具有更好的均衡性能，从而提升了信道估计的准确性；
2、OTFS在时频域复杂的特征转化成缓慢变化的时延多普勒域特性，避免了子载波间的干扰，同时有效抵抗多径衰落；
3、AmBC-OTFS在高移速场景下对比AmBC-OFDM系统抗干扰性能有一定的优势，更加适用于实际系统。
附图说明
图1是本发明一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法实施框图；
图2是本发明一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法的流程图；
图3是本发明一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法直射链路的估计误差对比图；
图4是本发明一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法反射链路的估计误差对比图；
图5是一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法具体实施时AmBC- OTFS的环境信号的误码率仿真结果；
图6是一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法具体实施时AmBC- OFDM的反向散射信号误码率仿真结果；
图7是本发明一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计平台的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种AmBC的正交时频空间调制LS 信道估计方法做进一步说明和详细描述。
实施例1
所述一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法依托的系统，包括射频源、标签和读写器；射频源发射信号，所发射的信号经过OTFS调制后分别通过直接链路和反射链路到达读写器；其中，反射链路信道中的标签对环境射频信号进行调制，具体实施时，组成框图如图1所示，主要包括直接链路和反射链路两部分。在OTFS系统发送端，在时延-多普勒矩阵中的信号通过ISFFT 变换转换到时间-频率维度，时间-频率域的符号通过海森伯格变换来到时间域，完成OTFS调制过程，信号再经历时域信道进行传输。在OTFS系统接收端，下变频得到的时域信号通过维格纳变换转换到时间-频率维度，然后SFFT 将信号转换为时延-多普勒域进而实现OTFS解调。对于OFDM来说高速移动强多普勒的影响在一定强度后将会是不可恢复的，但对于OTFS来说，后续的信道估计及均衡算法均在时延-多普勒域的二维矩阵内进行，发送端数据符号与信道之间的相互作用简单。所述信道估计方法利用了时延-多普勒域信道的特性时延-多普勒域信道的特性以及数据符号在时间和频率上的延展性，降低信道对多普勒影响的敏感性，具有更好的均衡性能，从而提升了信道估计的准确性。
具体实施时，流程如图2所示，包括如下步骤：
S1、射频源对基带信号进行星座映射、插入导频，进行OTFS调制及上变频后，将得到的环境射频信号发射出去，具体为：
S11，射频源的基带信号S先进行星座映射，得到向量A；
S12，在S11星座映射后得到的向量，插入导频转换为二维向量x[k,l]，再进行离散辛傅里叶逆变换得到X[n,m]，具体如公式(1)；
其中，x[k,l]表示待发送的N×M信息符号，k＝0,1,2,…,N-1；l＝0,1,2,…,M-1；X[n,m]为转换后的的时频域二维符号，n＝0,1,2,…N-1；m＝0,1,2,…,M-1；
然后通过海森伯格变换，利用发射脉冲将X[n,m]转换为时间连续的波形 x(t)完成OTFS调制过程，此步骤对应实现有益效果1，具体如公式(2)；
其中，gtx(t)表示发射脉冲；
S13、将经S12中OTFS调制得到的向量x进行上变频后得到环境射频信号，再将环境射频信号经发射天线发射出去；
其中，上变频包括中频上变频以及射频上变频；
S2、环境射频信号分别经过直接链路信道和反射链路信道到达读写器，得到接收信号；其中，反射链路信道中的标签根据自身携带的标签符号对环境射频信号进行调制；
所述标签对环境射频信号的调制过程，具体如下：
当标签选择发送符号“0”给读写器时，对环境射频信号不进行反射；当标签选择发送符号“1”给读写器时，对环境射频信号进行反射；
所述标签符号包括导频符号和数据符号；
S3、读写器采用BEM模型拟合直接链路信道和反射链路信道的单位冲激响应，然后利用导频对直接链路信道和反射链路信道进行LS信道估计，得到直接链路估计向量Hd和反射链路估计向量Hr；LS信道估计的如公式(3)所示：
其中，XP为已知的导频发送信号；YP为接收到的导频信号；
S4、在S30的信道估计的基础上对射频源信号实现OTFS解调，并进行 MMSE检测；具体为：
S41、对接收到的复合信号先进行SFFT变换和魏格纳变换实现OTFS解调，得到频域接收信号
S42、将反射链路信号视为干扰，对
进行MMSE均衡得到均衡后的结果
S43、对S42计算得到
进行星座图映射从而解调得到射频源信号检测结果
S5、采用最大似然检测对标签符号进行检测，得到标签符号的检测结果，具体如下：
S51、对基带信号检测结果
进行OTFS调制得到直接链路恢复信号
S52、分别计算Hd、Hr与
相乘后得到的结果与基带接收信号的欧几里得距D0、D1，对标签符号进行判定：若D0小于D1，则标签符号检测结果为“0”；若D1小于D0，则检测标签符号检测结果为“1”。
S6、计算直接链路与反射链路的信道估计均方误差值；在高速场景中，将 AmBC-OTFS与AmBC-OFDM系统信道估计均方误差做对比，可得到图3和图4的对比效果图，其中，图3是直接链路信号估计的NMSE性能结果；OTFS 与OFDM的两种情况对比；图4是反射链路信号估计的NMSE性能结果；OTFS 与OFDM的两种情况对比，对应有益效果2和3；从图3和图4可以看出， OTFS系统信道估计的NMSE更低；相较于OFDM系统，OTFS技术在时频域复杂的特征转化成缓慢变化的时延多普勒域特性，降低信道对多普勒影响的敏感性，具有更好的均衡性能，从而提升了信道估计的准确性；也减轻数据符号在高移动强多普勒条件下所受干扰，同时有效抵抗多径衰落。进一步将 AmBC-OTFS与AmBC-OFDM系统误码率性能做对比，可得到图5和图6的对比效果图，可见AmBC-OTFS系统优于AmBC-OFDM。
实施例2
如图7所示，本发明第2实施方式涉及一种AmBC的正交时频空间调制 LS信道估计平台，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法。
其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以通过接口将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的。接口在总线和收发机之间提供接口，例如通信接口、用户接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
实施例3
本发明第3实施例涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。
本领域技术人员通过上述说明可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括但不限于U盘、移动硬盘、磁性存储器、光学存储器等各种可以存储程序代码的介质。
通过上述说明可知，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法，依托的系统包括射频源、标签和读写器；所述射频源将OTFS调制后的信号发射出去，发射信号经直接链路和反射链路到达读写器；反射链路中的标签收集能量并根据自身携带的标签符号对环境射频信号进行调制后再决定是否反射射频源信号，其特征在于，所述LS信道估计方法，包括如下步骤：
S1、射频源对基带信号进行星座映射、插入导频，进行OTFS调制及上变频得到环境射频信号，并把环境射频信号发射出去；
S2、环境射频信号分别经过直接链路信道和反射链路信道到达读写器，得到接收信号；
S3、读写器采用BEM模型拟合直接链路信道和反射链路信道的单位冲激响应，然后利用导频对直接链路信道和反射链路信道进行LS信道估计，得到直接链路估计向量Hd和反射链路估计向量Hr；
S4、对接收信号进行下变频得到基带接收信号再对基带接收信号进行OTFS解调，得到频域接收信号X’；
S5、依据S3中得到的Hd和Hr，对频域接收信号X’进行MMSE均衡和星座图解映射，得到基带信号检测结果u；
S6、采用最大似然检测对标签符号进行检测，得到标签符号的检测结果，具体为：
S61、对基带信号检测结果u进行OTFS调制得到直接链路恢复信号
S62、分别计算Hd、Hr与
相乘后得到的结果与基带接收信号的欧几里得距离D0、D1，对标签符号进行判定：若D0小于D1，则标签符号检测结果为“0”；若D1小于D0，则检测标签符号检测结果为“1”。
2.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S1、具体为：
S11、射频源的基带信号S先进行星座映射，得到向量A；
S12、在S11星座映射后得到的向量A，插入导频转换为向量Q，再进行离散辛傅里叶逆变换得到向量X，然后通过海森伯格变换得到向量x完成OTFS调制；
S13、将经S12中OTFS调制得到的向量x进行上变频后得到环境射频信号，再将环境射频信号经发射天线发射出去。
3.根据权利要求2所述的信道估计方法，其特征在于，S13所述上变频包括中频上变频以及射频上变频。
4.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S2所述标签对环境射频信号的调制过程具体为：当标签选择发送符号“0”给读写器时，对环境射频信号不进行反射；当标签选择发送符号“1”给读写器时，对环境射频信号进行反射。
5.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S2所述标签符号包括导频符号和数据符号。
6.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S4中，下变频包括射频下变频和中频下变频。
7.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S4所述OTFS解调具体为：先进行离散辛傅里叶变换和魏格纳变换实现OTFS解调，得到频域接收信号X’。
8.一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计平台，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至7中任一项所述的一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的一种AmBC的正交时频空间调制LS信道估计方法。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 伍明江: "面向6G物联网的主动被惠传输关键技术", 《物联网学报》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115225432B (zh) | 2023-05-16 |
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