一种计算复杂度低的正交时频空调制的均衡方法技术

一种计算复杂度低的正交时频空OTFS调制的均衡方法，是基于线性最小均方误差的迭代并行干扰消除，对正交时频空调制在时频双选信道下的二维码间干扰进行均衡的方法。该方法能够有效利用重构符号的协方差矩阵缓解残余二维码间干扰对OTFS系统性能的影响，以便更好地利用时频二维增益，提高系统可靠性；还利用时频二维分解和辛傅里叶变换的性质对LMMSE‑PIC中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，降低该均衡方法的计算复杂度，使之仅与传输符号总数呈准线性关系，与信道稀疏程度无关而提高系统有效性。本发明专利技术的上述性能优势能使正交时频空调制在时频双选信道下显著地提高时频二维分集增益，提高非理想信道译码器反馈时的接收机性能，推广应用前景看好。

【技术实现步骤摘要】
一种计算复杂度低的正交时频空调制的均衡方法
本专利技术涉及一种正交时频空调制的均衡方法，确切地说，涉及一种低复杂度正交时频空调制OTFS(OrthogonalTimeFrequencySpaceModulation)的均衡方法，用于在时频双选信道下延时-多普勒平面的二维码间干扰对正交时频空调制系统的影响进行均衡处理，以使接收端能够获得更多的时频二维增益，实现可靠通信；属于无线通信的波形调制均衡方法的

技术介绍
正交时频空调制OTFS(OrthogonalTimeFrequencySpaceModulation)是由cohere公司的R.Hadani在2017年WCNC会议上提出的第五代移动通信系统5G(thefifthGenerationCommunicationSystem)物理层的新型调制系统。OTFS是正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)和码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)的二维扩展。在OTFS中，数据在延时-多普勒平面上传输，每个符号经历相同的衰落。因此，设计的均衡方法能够使得OTFS获得更多的时频二维分集增益。该技术特点使得OTFS成为5G增强型移动宽带emBB(enhancedMobileBroadband)和高可靠低延时通信URLLC(UrtralReliableandLowLatencyCommunications)在中高速移动场景中成为极具竞争力的候选波形。为了更清楚地介绍本
技术实现思路
，首先介绍OTFS的系统模型：在一个单用户OTFS系统中，设置子载波数量和OTFS符号数量分别为K和M。发送的比特流经过比特编码交织调制BICM(Bit-interleavedCodedModulation)映射后，编码比特向量表示为式中，log2(·)是以2为底的对数运算符号，F2表示二元伽罗华域，[·]T是转置操作运算符号，cn是向量c中的第n个元素，Q为正交振幅调制星座QAM(QuadratureAmplitudeModulation)星座集合Ξ的调制阶数。该星座集合Ξ平均能量为1，即|·|是对复数取模值运算符号。编码后的比特向量c由星座点映射操作被映射至延时-多普勒平面的传输星座点向量d＝[d1,...,dMK]T，式中，自然数下标n表示传输星座点向量d的序列号，其最大值为MK，[d(m-1)K+1,...,dmK]T被称为一个OTFS符号，d由M个OTFS符号组成。OTFS在发端通过Zak逆变换，将延时-多普勒平面上传输的向量d映射至时域，又经过发端滤波器后发送；在收端OTFS经过匹配滤波器后，通过Zak变换，再将接收到的时域信号转换至延时-多普勒平面进行均衡，以获取更多的时频二维增益。OTFS收发端滤波器均为矩形滤波器，且循环前缀是以逐OTFS符号形式插入的，该配置的发端复杂度较低，峰平比PAPR(peak-to-averageratio)低，如果采用合适的均衡方法，能够更好地利用时频二维分集，是当前OTFS的主要配置架构。由于延时-多普勒平面上的二维码间干扰影响，使用线性均衡器的OTFS系统性能比较差。因此，为了消除二维码间干扰，并更好地利用时频二维分集，如何设计性能优良的非线性迭代均衡方法已经成为当前OTFS主要研究的技术之一。基于解扩和球形译码的迭代检测和基于消息传递的二维干扰消除算法是当前已有的两类均衡方法。然而，前者在进行球形译码时，假设了完美信道译码反馈，但其未考虑反馈符号的可靠度。后者未利用信道译码反馈，且计算复杂度受信道模型的影响显著。因此，如何进一步改进和提高非线性迭代均衡调制技术，就成为业内科技人员关注的焦点课题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种能够更好地利用时频二维增益的计算复杂度低的正交时频空OTFS迭代调制的均衡方法。相对于已有的OTFS迭代均衡方法，本专利技术方法能够利用信道译码反馈，有效对抗时频双选信道下的二维干扰(即由频率扩散导致的多普勒间干扰和由时间扩散导致的符号间干扰)对OTFS系统的影响，更好地利用时频二维分集增益，进一步提高OTFS接收端的可靠性和有效性。为了达到上述目的，本专利技术提出一种计算复杂度低的正交时频空调制OTFS(OrthogonalTimeFrequencySpaceModulation)的均衡方法，其特征在于：所述方法是基于线性最小均方误差迭代并行干扰消除LMMSE-PIC(LinearMinimumMeanSquaredErrorbasedParallelInterferenceCancellation)的OTFS均衡方法，该方法利用重构信号的协方差矩阵缓解残余二维码间干扰对OTFS系统性能的影响，以便更好地利用时频二维增益，提高系统可靠性；还利用时频二维分解和辛傅里叶变换SFT(SymplecticFourierTransform)的性质对LMMSE-PIC中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，以降低该均衡方法的计算复杂度，使之仅与传输符号总数呈准线性关系，与信道稀疏程度无关而提高系统有效性；所述方法包括以下操作步骤：步骤1，初始化设置相关参数：根据系统的时延要求，设置最大迭代次数Imax；首先设置初始化的迭代次数I＝1，因首次迭代时，没有可用的信道译码反馈信息，故初始化信道译码器反馈的、对于编码比特的先验对数似然比向量为零向量；式中，向量La中的上标(·)a表示先验，下标K和M分别是子载波数量和OTFS符号数量，Q为正交振幅调制星座QAM(QuadratureAmplitudeModulation)星座集合Ξ的调制阶数，上标[·]T表示矩阵转置；需要说明的是，信道译码器提供的对数似然比格式是编码比特为0的概率与其为1的概率比值的自然对数；步骤2，软调制重构传输向量：利用先验对数似然比向量La作为输入，重构OTFS在延时-多普勒平面的传输星座点向量d＝[d1,d2,...,dMK]T，输出关于d的大小为KM的软符号均值向量和大小为KM×KM的对角协方差矩阵其中，输出的软符号均值向量μa中的第k+(m-1)K个元素为：式中，的两个自然数下标k和m分别是子载波和OTFS符号的序列号，两者的最大值分别是K和M；Σ和Π分别是累加和连乘的运算符号，∈是“归属于”符号，是表示对星座集合中的全部元素使用括号内的公式，再对该公式返回的值进行求和的运算符号，p(·)是计算括号内事件发生概率的运算符号，编码比特向量z与星座点χ的对应公式是自然数下标q是星座点χ对应的编码比特向量z的序列号，其最大值为Q；zq是编码比特向量z的第q个元素，tanh是双曲正切函数运算符号，其是通过查表法或cordic算法对其进行低复杂度近似计算；输出的对角协方差矩阵的第k+(m-1)K个对角元素为：式中，|·|是对复数取模的运算符号；因第一次迭代的Σa＝IKM，即在I＝1时的步骤1，初始化设置La为零向量，根据和的两个计算公式，能够直接设置软符号均值向量μa＝0KM和对角协方差矩阵Σa＝IKM，都不需要消耗计算复杂度；上述两式中的0KM表示大小为KM×1的零向量，IKM表示大小为KM×KM的单位矩阵；步骤3，对延时-多普勒平面上的接收信号使用逐成分非偏的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算复杂度低的正交时频空调制OTFS(Orthogonal Time Frequency Space Modulation)的均衡方法，其特征在于：所述方法是基于线性最小均方误差迭代并行干扰消除LMMSE‑PIC(Linear Minimum Mean Squared Error based Parallel Interference Cancellation)的OTFS均衡方法，该方法利用重构信号的协方差矩阵缓解残余二维码间干扰对OTFS系统性能的影响，以便更好地利用时频二维增益，提高系统可靠性；还利用时频二维分解和辛傅里叶变换SFT(Symplectic Fourier Transform)的性质对LMMSE‑PIC中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，以降低该均衡方法的计算复杂度，使之仅与传输符号总数呈准线性关系，与信道稀疏程度无关而提高系统有效性；所述方法包括以下操作步骤：步骤1，初始化设置相关参数：根据系统的时延要求，设置最大迭代次数Imax；首先设置初始化的迭代次数I＝1，因首次迭代时，没有可用的信道译码反馈信息，故初始化信道译码器反馈的、对于编码比特

【技术特征摘要】
1.一种计算复杂度低的正交时频空调制OTFS(OrthogonalTimeFrequencySpaceModulation)的均衡方法，其特征在于：所述方法是基于线性最小均方误差迭代并行干扰消除LMMSE-PIC(LinearMinimumMeanSquaredErrorbasedParallelInterferenceCancellation)的OTFS均衡方法，该方法利用重构信号的协方差矩阵缓解残余二维码间干扰对OTFS系统性能的影响，以便更好地利用时频二维增益，提高系统可靠性；还利用时频二维分解和辛傅里叶变换SFT(SymplecticFourierTransform)的性质对LMMSE-PIC中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，以降低该均衡方法的计算复杂度，使之仅与传输符号总数呈准线性关系，与信道稀疏程度无关而提高系统有效性；所述方法包括以下操作步骤：步骤1，初始化设置相关参数：根据系统的时延要求，设置最大迭代次数Imax；首先设置初始化的迭代次数I＝1，因首次迭代时，没有可用的信道译码反馈信息，故初始化信道译码器反馈的、对于编码比特的先验对数似然比向量为零向量；式中，向量La中的上标(·)a表示先验，下标K和M分别是子载波数量和OTFS符号数量，Q为正交振幅调制星座QAM(QuadratureAmplitudeModulation)星座集合Ξ的调制阶数，上标[·]T表示矩阵转置；需要说明的是，信道译码器提供的对数似然比格式是编码比特为0的概率与其为1的概率比值的自然对数；步骤2，软调制重构传输向量：利用先验对数似然比向量La作为输入，重构OTFS在延时-多普勒平面的传输星座点向量d＝[d1,d2,...,dMK]T，输出关于d的大小为KM的软符号均值向量和大小为KM×KM的对角协方差矩阵其中，输出的软符号均值向量μa中的第k+(m-1)K个元素为：式中，的两个自然数下标k和m分别是子载波和OTFS符号的序列号，两者的最大值分别是K和M；Σ和Π分别是累加和连乘的运算符号，∈是“归属于”符号，是表示对星座集合中的全部元素使用括号内的公式，再对该公式返回的值进行求和的运算符号，p(·)是计算括号内事件发生概率的运算符号，编码比特向量z与星座点χ的对应公式是z:自然数下标q是星座点χ对应的编码比特向量z的序列号，其最大值为Q；zq是编码比特向量z的第q个元素，tanh是双曲正切函数运算符号，其是通过查表法或cordic算法对其进行低复杂度近似计算；输出的对角协方差矩阵的第k+(m-1)K个对角元素为：式中，|·|是对复数取模的运算符号；因第一次迭代的Σa＝IKM，即在I＝1时的步骤1，初始化设置La为零向量，根据和的两个计算公式，能够直接设置软符号均值向量μa＝0KM和对角协方差矩阵Σa＝IKM，都不需要消耗计算复杂度；上述两式中的0KM表示大小为KM×1的零向量，IKM表示大小为KM×KM的单位矩阵；步骤3，对延时-多普勒平面上的接收信号使用逐成分非偏的CWCU-LMMSE(component-wiseconditionallyunbiasedlinearminimummeansquaredestimator)估计器执行均衡处理：利用步骤2得到的软符号均值向量μa＝0和对角协方差矩阵Σa＝IKM，对输入的延时-多普勒平面的接收信号b使用CWCU-LMMSE估计器对二维码间干扰进行均衡处理后，输出关于d的大小为KM的外部均值向量和大小为KM×KM的外部对角协方差矩阵：式中，上标(·)e表示外部；根据CWCU-LMMSE的原理，输出的外部均值μe和外部对角协方差矩阵Σe分别为：式中，(·)-1是矩阵求逆的运算符号，偏移修正矩阵Θ的表达式为：Θ＝diag(UHΛH(ΛUΣaUHΛH+σ2IKM)-1ΛU)；其中，diag(·)表示输出一个对角矩阵，其对角元素由括号内矩阵的对角元素组成；因为CWCU-LMMSE估计器中的逆矩阵(ΛUΣaUHΛH+σ2IKM)-1的计算复杂度的阶数高达O((KM)3)，上述公式中的O表示复杂度阶数，故根据辛傅里叶变换性质：UUH＝UHU＝IKM，使用一阶纽曼Neumann级数对该逆矩阵运算进行近似：式中，(·)H和tr(·)分别是矩阵转置和矩阵求迹的运算符号，因使用上述低复杂度近似计算的替代，使得偏移修正矩阵Θ的表达式被简化为：式中，为先验协方差的样本均值，为标量，故藉由上式可知，Θ的计算转换为只需要计算标量θ，故输出的外部均值向量μe就相应地简化为：步骤4，逐符号高斯近似输出对数似然比：利用步骤3得到的外部均值μe和外部对角协方差矩阵Σe作为输入，与信道译码反馈先验对数似然比向量L...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛凯，董超，龙非，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11