CN115225433B - 基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法，属于无线通信信道估计领域。所述方法，包括：环境射频源在移动的同时对环境射频源基带符号进行OTFS调制及上变频后得到环境信号并发射；反向散射设备吸收环境信号的能量达到阈值后，根据自身携带的比特信息选择对环境信号反射或不反射实现发射信号发送；读写器对直接链路信道及反射链路信道进行基于BEM模型的LMMSE信道估计；对射频源信号实现MMSE均衡并进行OTFS检测；采用ML方法对反射信号进行检测；通过仿真分别计算使用所述方法估计直接和反射链路的归一化均方误差和反射信号误码率。所述方法降低算法复杂度的同时，提升了信道估计的准确性及鲁棒性。

Description

基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法
技术领域
本发明属于无线通信的信道估计技术领域，涉及基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法。
背景技术
环境反向散射(Ambient Backscatter Communication,AmBC)，是一项绿色通信技术。利用环境中的信号来发送给接收端，支持设备到设备的通信。环境反向散射系统与原通信系统共用相同的频段且通过接收射频源信号从中获取能量，来作为自身发射信号的能源。在AmBC系统中，接收端不仅接收到发送端的直接链路信号，也会接收到来自标签的环境反射信号。将AmBC与OTFS系统相结合，提升系统的误码率。在5G应用中，由于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)调制对时变信道性能表现下降明显，多普勒效应带来的频偏将比目前的通信系统中的频偏大一个数量级。因此，正交时频空间(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制被提出来解决这一问题。OTFS技术将时域时变信道转换为具有时不变特性的时延-多普勒信道，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，OTFS在OFDM的基础上，实现了提升系统在高动态环境下，保持信道估计及检测鲁棒。
信道估计的本质是根据接收端接收到的信号与发送端发射的信号估算信道的频域或时域传输特性，也可看作是物理信道对输入信号造成影响的定性研究。信号在传输过程中，主要受无线信道环境的干扰，尤其高速移动场景下，发射信号经多径信道传输，会引起衰落现象。为了提升抗衰落特性，降低通信误码率，可采用基于导频辅助的线性最小均方误差(Linear Minimum Mean Square Error,LMMSE)信道估计以提升系统性能，确保AmBC-OTFS系统具有良好的误码性能。由于插入的导频序列会降低信道的利用率，信道估计精确度相对会较高。LMMSE信道估计方法基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)算法的进一步优化，该方法依靠信道传输的先验统计信息来估计信道的频域响应，其估计性能与LS算法相比有显著的提高。
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，提出了基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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：
基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法，依托的系统包括环境射频源、反向散射设备和接收器；所述环境射频源将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接收器和反向散射设备，所述反向散射设备包含天线、能量收集电路和检测电路，天线用于接收经反射链路传输到反向散射设备的信号，能量收集电路在反射链路上收集能量，检测电路用于解调信号；
基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法，包括如下步骤：
S1、环境射频源在空间中移动并向外发射环境信号；
S1所述环境信号通过对环境射频源基带符号进行OTFS调制及上变频得到，具体为：
S11、环境射频源对基带符号进行星座映射和导频插入，得到向量S；
S12、对S11得到的向量S依次进行离散辛傅里叶逆变换和海森伯格变换得到向量X；
S13、将S12得到的向量X上变频后得到环境信号，然后环境射频源并向外发射环境信号；
S2、环境信号经过两路信道进行传输，分别到达接收器和反向散射设备；
所述接收器的功能是接收环境信号经过直接链路信道传输来的直接链路信号，记为yd；所述反向散射设备的功能是接收环境信号经反射链路信道传输来的反射链路信号，记为yr；
S3、反向散射设备通过能量收集电路将周边设备及反射链路信号中包含的能量转换为电能并存储；
S4、当S3中存储的电能到达工作阈值E时，反向散射设备进入工作模式，依据存储的比特调制环境信号，得到反射信号并发射，再经信道到达接收器得到反射链路信号yr；
S4、具体为：
S41所述反向散射设备根据存储的比特调制环境信号，具体通过调节天线阻抗对环境信号进行反射或吸收，从而完成反射信号的发送；
S41中，对环境信号进行反射表示发送符号“1”；对环境信号进行吸收表示发送符号“0”。
S42、所述反射信号经过信道到达接收器，得到反射链路信号yr。
S5、接收器将经直接链路信道传输来的直接链路信号yd和反射链路信号yr进行下变频，得到基带总接收信号y；
S6、对直接链路信道和反射链路信道待估计参数采用BEM模型进行降维，再对基带总接收信号y采用LMMSE信道估计得到BEM基系数，最后将BEM基系数恢复为直接链路估计信道Hd和反射链路估计信道Hr；
S7、对基带总接收信号y根据S6得到的直接链路估计信道Hd，采用MMSE均衡，得到均衡结果；
S8、对均衡结果进行OTFS解调和星座图解映射，得到环境射频源基带符号的检测结果ú；
S8所述OTFS解调，具体为：先进行离散辛傅里叶变换后，再进行魏格纳变换。
S9、依据S8得到的检测结果ú和S6的Hd和Hr，采用最大似然估计，得到反射信号的检测结果。
一种基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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的基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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；总线还通过接口将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路连接在一起；接口在总线和收发机之间提供接口；收发机是一个元件或多个元件形成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，还提供包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能；而存储器被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
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基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法中的全部或部分步骤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一个设备或处理器执行本方法的全部或部分步骤；而前述的存储介质包括U盘、移动硬盘、磁性存储器或光学存储器。
有益效果
本发明所述的基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法，与现有AmBC信道估计方法相比，具有如下有益效果：
1、所述信道估计方法利用了OTFS环境信号在时间域上的延展性，提升了环境信号及反射信号对时变信道多普勒影响的鲁棒性，提升了信道估计的准确性，降低了信号检测的误码率；
2、所述信道估计方法利用了OTFS环境信号在频率域上的延展性，提升了环境信号及反射信号对多径信道的鲁棒性，提升了信道估计的准确性，降低了信号检测的误码率；
3、所述信道估计方法采用基于BEM模型的LMMSE信道估计，在几乎不损失估计准确度的情况下，降低了算法的复杂度。
附图说明
图1是本发明基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法依托系统的组成示意图；
图2是本发明基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法的流程图；
图3是本发明基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法的误差对比图；
图4是本发明基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法误差对比图；
图5是本发明AmBC与OTFS与AmBC与OFDM的反射信号误码率仿真结果；
图6是发明基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法做进一步说明和详细描述。
实施例1
所述基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法，依托系统包括一个移动的环境射频源、一个反向散射设备和一个接收器；所述移动环境射频源将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接收器和反向散射设备，所述反向散射设备包含天线、能量收集电路和检测电路，天线用于接收经反射链路传输到反向散射设备的信号，能量收集电路在反射链路上收集能量，检测电路用于解调信号。
具体的系统组成和方法流程如图1和图2所示，包括如下步骤：
S1、环境射频源在空间中移动并向外发射环境信号，具体为：环境射频源在空间中移动，同时源源不断向外发射对环境射频源基带符号进行OTFS调制及上变频得到的环境信号；
S1所述环境信号通过对环境射频源基带符号进行OTFS调制及上变频得到；
S1、包括如下子步骤：
S11、环境射频源对基带符号进行星座映射和导频插入，得到向量S；
S12、对S11得到的向量S依次进行离散辛傅里叶逆变换和海森伯格变换得到向量X；
S13、将S12得到的向量X上变频后得到环境信号，然后环境射频源并向外发射环境信号；
S2、环境信号经过两路信道进行传输，分别到达接收器和反向散射设备；
所述接收器的功能是接收环境信号经过直接链路信道传输来的直接链路信号，记为yd；所述反向散射设备的功能是接收环境信号经反射链路信道传输来的反射链路信号，记为yr；
S3、S2中的一路环境信号到达反向散射设备，反向散射设备通过能量收集电路将周边设备及反射链路信号中包含的能量转换为电能并存储；
S4、当S3中存储的电能到达工作阈值E时，反向散射设备进入工作模式，依据存储的比特调制环境信号，得到反射信号并发射，再经信道到达接收器得到反射链路信号yr，具体为：
S41所述反向散射设备根据存储的比特调制环境信号，具体通过调节天线阻抗对环境信号进行反射或吸收，从而完成反射信号的发送；
S41中，对环境信号进行反射表示发送符号“1”；对环境信号进行吸收表示发送符号“0”。
S42、所述反射信号经过信道到达接收器，得到反射链路信号yr。
S5、接收器将经直接链路信道传输来的直接链路信号yd和反射链路信号yr进行下变频，得到基带总接收信号y；
S6、对直接链路信道和反射链路信道待估计参数采用BEM模型进行降维，再对基带总接收信号y采用LMMSE信道估计得到BEM基系数，最后将BEM基系数恢复为直接链路估计信道Hd和反射链路估计信道Hr；
S7、对基带总接收信号y根据S6得到的直接链路估计信道Hd，采用MMSE均衡，得到均衡结果；
S8、对均衡结果进行OTFS解调和星座图解映射，得到环境射频源基带符号的检测结果ú；
S8所述OTFS解调，具体为：先进行离散辛傅里叶变换后，再进行魏格纳变换；
S9、依据S8得到的检测结果ú和S6的Hd和Hr，采用最大似然估计，得到反射信号的检测结果。
一种基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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的基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法；
在环境射频源移动场景中，将AmBC-OTFS与AmBC-OFDM系统的直接链路和反射链路信道估计均方误差能做对比，分别可得到图3和图4的对比效果图，对应有益效果1和2；从图5可以看出，AmBC-OTFS系统的反射信号检测的误码率更低；AmBC-OTFS在环境射频源移动场景下对比AmBC-OFDM系统，鲁棒性更高，更加适用于实际系统。
如图6所示，本发明第2实施方式涉及基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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基于AmBC与OTFS调制的LMMSE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2
本发明实施例2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 (8)

1.基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法，依托的系统包括环境射频源、反向散射设备和接收器；所述环境射频源将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接收器和反向散射设备，所述反向散射设备包含天线、能量收集电路和检测电路，天线用于接收经反射链路传输到反向散射设备的信号，能量收集电路在反射链路上收集能量，检测电路用于解调信号，其特征在于，包括如下步骤：
S1、环境射频源在空间中移动并向外发射环境信号；
S2、环境信号经过两路信道进行传输，分别到达接收器和反向散射设备；
所述接收器接收环境信号经过直接链路信道传输来的直接链路信号，记为yd；所述反向散射设备接收环境信号经反射链路信道传输来的反射链路信号，记为yr；
S3、反向散射设备通过能量收集电路将周边设备及反射链路信号中包含的能量转换为电能并存储；
S4、当S3中存储的电能到达工作阈值E时，反向散射设备进入工作模式，依据存储的比特调制环境信号，得到反射信号并发射，再经信道到达接收器得到反射链路信号yr；
S5、接收器将经直接链路信道传输来的直接链路信号yd和反射链路信号yr进行下变频，得到基带总接收信号y；
S6、对直接链路信道和反射链路信道待估计参数采用BEM模型进行降维，再对基带总接收信号y采用LMMSE信道估计得到BEM基系数，最后将BEM基系数恢复为直接链路估计信道Hd和反射链路估计信道Hr；
S7、对基带总接收信号y根据S6得到的直接链路估计信道Hd，采用MMSE均衡，得到均衡结果；
S8、对均衡结果进行OTFS解调和星座图解映射，得到环境射频源基带符号的检测结果；
S9、依据S8得到的检测结果和S6的Hd和Hr，采用最大似然估计，得到反射信号的检测结果。
2.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S1所述环境信号通过对环境射频源基带符号进行OTFS调制及上变频得到。
3.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、环境射频源对基带符号进行星座映射和导频插入，得到向量S；
S12、对S11得到的向量S依次进行离散辛傅里叶逆变换和海森伯格变换得到向量X；
S13、将S12得到的向量X上变频后得到环境信号，然后环境射频源向外发射环境信号。
4.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S4、具体为：
S41所述反向散射设备根据存储的比特调制环境信号，具体通过调节天线阻抗对环境信号进行反射或吸收，从而完成反射信号的发送；
S42、所述反射信号经过信道到达接收器，得到反射链路信号yr。
5.根据权利要求4所述的信道估计方法，其特征在于，S41中，对环境信号进行反射表示发送符号“1”；对环境信号进行吸收表示发送符号“0”。
6.根据权利要求1所述的信道估计方法，其特征在于，S8所述OTFS解调，具体为：先进行离散辛傅里叶变换后，再进行魏格纳变换。
7.一种基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计平台，其特征在于，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权利要求1至6任一项所述的基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法。
8.一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6任一项所述的基于AmBC与OTFS调制的LMMSE信道估计方法。
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