用于OTFS导频干扰检测的差分功率分析的制作方法

用于otfs导频干扰检测的差分功率分析
1.本发明涉及对在无线通信线路上传送的信息进行编码的领域。尤其是，本公开涉及结合在延迟多普勒域中的嵌入式导频辅助信道估计的新建议的正交时频空间（otfs）调制的处理。具体地，本发明涉及一种用于检测otfs导频干扰，即接收的otfs延迟多普勒域帧中的导频符号与数据符号的干扰的方法和装置。
2.相比于当前在4g标准长期演进（lte）移动系统中使用的ofdm调制，新提出的otfs调制在多路径延迟多普勒信道中展现出显著优点，其中每个路径展现出不同的延迟和多普勒偏移。延迟多普勒域提供了由于场景中的移动对象（例如，传送器、接收器或反射器）而引起的时变信道几何的备选表示。利用这种呈现，otfs在二维（2d）正交基函数上复用每个信息符号，正交基函数被专门指定来对抗时变多路径信道的动态。然后，放置在延迟多普勒坐标系或网格中的信息符号可以被转换到由传统调制方案（诸如ofdm）使用的标准时频域。时频域和延迟多普勒域之间的这种转换是通过二维辛傅里叶变换执行的。例如，在调制中使用逆辛有限傅里叶变换（isfft）。因此，辛有限傅里叶变换（sfft）用于解调，即将时频网格变换为延迟多普勒网格。
3.在使用otfs调制的通信中，符号被布置在二维网格中。在这个延迟多普勒域网格中，一个维度与由于不同传输路径而引起的信号延迟（延迟域）关联，并且另一个维度与传输期间出现的多普勒偏移（多普勒域）关联。从而，延迟域维度是延迟多普勒域中的类时间维度，并且多普勒域维度是延迟多普勒域中的类频率维度。与要传送的信息关联的符号被布置在这个延迟多普勒网格中。每个网格与帧关联，所述帧被顺序传送。实际传输发生在我们在实际生活中习惯的时频域中。为了清楚起见，在本说明书中，分别地，延迟多普勒域中的类时间维度总是被称为延迟维度，并且延迟多普勒域中的类频率维度为多普勒维度。从而，术语“时间维度”和“频率维度”仅用于描述实际的生活环境，其中帧被顺序传送，每个帧在某个传输时间内使用不同的频率载波。从而，时间维度是我们在其中测量时间的维度，而频率维度是我们在其中区分传输载波频率的那个维度。
4.在多路径延迟多普勒场景中，有必要知道信道脉冲响应（cir）以便能够执行otfs信道检测或信道均衡。从而，在延迟多普勒域网格中，与导频符号关联的单个导频信号被放置在网格中，并且被保护符号围绕。保护符号不携带任何能量。根据在任何一个通信路径中出现的预期最大延迟以及由于传送器和接收器和/或反射器的相对移动而出现的预期多普勒频移来选择保护符号的数量。
5.在延迟域中，导频符号在每个方向上受到保护，直到最大延迟的绝对量。
6.多普勒频移（也简称为多普勒偏移）可以是正的也可以是负的，这取决于接收器和/或传送器和/或反射器是彼此靠近还是彼此分离。因此，导频符号必须在平行于多普勒维度的每一侧通过保护符号来保护，以跨越在路径之一中出现的最大多普勒频移绝对值的两倍。从而，在具有n个多普勒网格位置和m个延迟网格位置的延迟多普勒网格中，导频周围的被用于保护符号。导频符号被放置在（k
p
，l
p
）处，其中k与多普勒维度位置关联，以及l与延迟域位置关联。从而，保护符号被放置在（kg，lg）处，其中并且，其中k
ν
对应于最大（预期）多普勒偏移，以及l
τ
对应于在任何传输路径
中出现的最大（预期）延迟。保护符号不携带任何强度，即是空符号。
7.数据符号被放置在由围绕导频符号的保护符号所占据的保护间隔之外。在理想条件下，这种布置使得能够检测信道脉冲响应。由于在不同路径中出现的多普勒频移以及不同路径的不同延迟，导频符号的能量或强度的部分被“转移”或“移动”到延迟多普勒域网格中的保护符号位置。从而，通过评估接收的延迟多普勒域网格中的导频符号位置和保护符号位置的部分的符号强度，可以导出信道脉冲响应。然后，该信道脉冲响应能被用于均衡在不同的延迟多普勒域网格位置中检测到的强度。这是基于公认的假设：延迟多普勒域网格中的所有符号都以相同的方式被不同的路径影响，即示出相同的信道脉冲响应。从而，针对一个传送符号（其是导频符号）确定信道脉冲响应就足够了。p.ravieteja、khao t.phan和yi hong在“embedded pilot-aided channel estimation for otfs in delay-doppler channels”（arxiv预印本arxiv:1808.08360（2018）中更详细地描述了这一点。
8.保护间隔必须具有这样的大小：使得没有导频符号强度将被转移到数据符号网格空间，并且同时，没有数据符号强度将被转移到在传输期间导频符号强度可能被转移到的保护空间位置。从而，保护间隔的尺寸，即所需保护符号的数量，取决于在任何一个路径中出现的最大延迟和在任何一个路径中出现的最大多普勒频移。
9.这些最后的要求在实际环境中并不总是得到满足。导频符号的一些强度可以被转移到数据网格位置。当这种情况出现时，导频符号与数据符号发生干扰。为了避免错误的信息传输，期望检测这种导频干扰。尤其是，如果使用自适应保护符号布置，则检测这种违反以便能够适应保护符号布置（例如增加保护间隔）是有益的。本发明的一个目的是使得能够动态检测ofts导频干扰。在此上下文中，动态意味着应该/可以利用接收的数据，即对于每个传送的otfs帧，连续检测干扰。
10.这个目的是通过根据权利要求1的方法和根据权利要求6的装置实现的。
11.从属权利要求中公开了进一步优选的实施例。
12.本发明公开了一种用于检测otfs导频干扰的方法，包括：接收与延迟多普勒网格关联的接收的otfs延迟多普勒帧的延迟多普勒域样本y[k，l]，其中，所述网格具有与以量化的多普勒维度关联的n个网格空间和以量化的延迟维度中的m个网格空间，其中m和n是整数，其中所述延迟多普勒域样本y[k，l]是通过对时频域样本y[n，m]的二维傅立叶变换导出的，所述时频域样本是通过以采样时间t、并且对于m个频率子载波以δf的带宽分辨率对时变接收的ofts编码信号进行n次采样得到的；对针对信道估计进行评估的延迟多普勒网格位置的延迟多普勒域样本y[k，l]的幅度的平方求和，以建立接收的非干扰导频功率p
pilot
；对完整延迟多普勒网格的所有延迟多普勒域样本y[k，l]的幅度的平方求和，以建立总接收帧功率p
frame
；将通过将非干扰导频功率p
pilot
除以总接收帧功率p
frame
导出的导频功率比r
pilot_power
与通过将传送的otfs帧中的保护和导频网格空间的数量的总和除以传送的otfs帧的网格空间的总数导出的保护空间比r
guard_space
进行比较；当该比较指示高于可容忍偏差阈值的偏差时，产生干扰信号。
[0013]
另外，公开了用于检测的装置。
[0014]
另外，本发明提供了一种用于检测otfs导频干扰的装置，包括：信号输入端，用于接收与延迟多普勒网格关联的接收的otfs延迟多普勒帧的延迟多普勒域样本y[k，l]，其中0≤k≤n-1以及0≤l≤m-1，并且其中，所述网格具有与以量化的多普勒维度关联的n个网格空间和以量化的延迟维度中的m个网格空间，其中m和n是整数，其中所述延迟多普勒域样本y[k，l]是通过对时频域样本y[n，m]的二维辛傅立叶变换导出的，所述时频域样本是通过以采样时间t、并且对于m个频率子载波，各以δf的带宽分辨率对时变接收的ofts编码信号进行n次采样得到的，并且其中0≤n≤n-1以及0≤m≤m-1；以及积分单元，用于对也针对信道估计进行评估的接收的延迟多普勒域样本y[k，l]的幅度的平方求和，以建立接收的非干扰导频功率p
pilot
，并且用于对完整延迟多普勒网格的所有样本y[k，l]的幅度的平方求和，以建立总接收帧功率p
frame
；计算单元，被配置成检索ofts传输参数，所述参数包括关于ofts传输帧中的保护和导频符号空间的数量的信息，并且被配置成检索接收的非干扰导频功率以及总接收帧功率，并且被配置成通过将接收的非干扰导频功率除以总接收帧功率来计算导频功率比，以及通过将传送的ofts帧中的保护和导频符号空间的数量除以传送的ofts帧中的网格空间的总数来计算保护空间比；以及比较器单元，用于将导频功率比与保护空间比进行比较；以及评估单元，用于当导频功率比和保护空间比偏差超过接受阈值时，提供干扰信号。
[0015]
优点是，简单的功率测量和计算导致是否存在干扰的良好度量。
[0016]
尽管如此，当例如由于传输条件恶化而存在干扰时，结果是准确的，并且是干扰的良好指示。可以立即识别接收的信息中的可能错误。
[0017]
otfs帧的功率分散在用于在时频域信号中传送该帧的整个时间跨度和带宽上。从而，期望具有考虑到所使用的保护和导频符号的数量的导频强度。平均符号强度将是一除以otfs网格中网格空间总数的平方根。这假设传送的总功率被归一化为一。否则，符号的平均强度将是总帧功率除以网格空间的数量的分数的平方根。在这种情形下，导频功率优选被选择为保护和导频网格空间的数量乘以平均符号强度的平方根。从而，导频符号强度“补偿”了保护符号的丢失强度。。
[0018]
为了易于计算，优选地，选择用于测量传送或接收功率的功率标度，使得传送或接收的总功率分别等于一。
[0019]
一旦检测到导频干扰，就将其传递到传送器是有利的。从而，帧参数，尤其是保护间隔参数，可以适应于这些随后传送的帧，以使误位率保持低。在一个优选实施例中，关于检测到的干扰的信息被中继到otfs编码信号的传送器。
[0020]
从而，实施例优选的是，当产生干扰信号时，通过增加保护间隔来适应用于传送otfs编码帧的otfs参数。例如，这也是通过空间耦合到被评估的ofts帧的接收器的传送器来完成的，以便保证传送的响应的低误位率。
[0021]
该装置优选地还包括采样单元，用于对时频域信号进行采样，以捕获时频域样本y[n，m]用作变换的基础，以导出otfs符号[k，l]。
[0022]
该装置的不同单元可以通过硬连线电子电路来实现，或者完全或部分地通过一个或几个执行程序代码的处理单元来实现。
[0023]
将结合附图公开本发明的进一步细节。
[0024]
图1a：延迟多普勒域网格形式的otfs传输帧的示意性示例；图1b：对应于图1a的传送的帧的延迟多普勒域网格形式的接收的otfs帧的示意性示例，指示用于信道估计和数据检测的网格位置；图1c：突出示出了otfs帧的不同区域的图1a的延迟多普勒域otfs传输帧的示意图；图2a：具有沿着完整多普勒维度延伸的保护符号的延迟多普勒域网格形式的otfs传输帧的示意性示例；图2b：对应于图2a的传送的帧的延迟多普勒域网格形式的接收的otfs帧的示意性示例，指示用于信道估计和数据检测的网格位置；图2c：突出示出了otfs帧的不同区域的图2a和图2b的延迟多普勒域otfs传输帧的示意图；图3a：多普勒保护间隔维度为
±
16（总共32）和延迟间隔维度为
±
10（总共20）的64
×
64 otfs传输帧中的符号强度的图形；图3b：对应于图3a的传送帧的接收的64
×
64 otfs帧的强度的图形，其中图3a的传送的ofts帧的保护间隔大小对于传输环境是不够的；图4a：多普勒保护间隔维度为
±
24（总共48）和延迟间隔维度为
±
20（总共40）的64
×
64 otfs传输帧中的强度的图形；图4b：对应于图4a的ofts传输帧的接收的64
×
64 otfs帧的强度的图形，其中图4a的ofts传输帧的保护间隔大小对于传输环境是足够的；以及图5：用于动态检测导频干扰的装置的示意图。
[0025]
图1示出了包括要传送的符号20的otfs传输帧10的图形表示。otfs传输帧10描绘了延迟多普勒域中的二维网格30。一个维度（横坐标）与延迟基准31关联。这个维度也与传输期间出现的延迟关联。另一个维度（纵坐标）与多普勒（频移）基准35关联。这个维度也与传输期间出现的多普勒频移关联。
[0026]
沿着延迟维度，延迟多普勒网格30被划分成m个离散的延迟间隔33。因此，沿着多普勒维度36，延迟多普勒网格30被划分成n个多普勒间隔37。
[0027]
布置在延迟多普勒域网格30中的传送器符号20包括由正方形描绘的导频符号21。在传输期间，导频符号21的能量通常部分被转移到接收的延迟多普勒帧10’的网格30中的其它网格位置（参见图1b）。通常，传送的信号经由多个不同的路径到达接收器。这导致传送的导频符号的不同延迟。此外，由于在不同的路径中的接收器和/或传送器和/或反射器的相对运动，会出现不同的多普勒偏移。对去往接收的otfs网格（帧）中不同网格位置的能量转移的信道分析产生了所谓的信道脉冲响应（cir）。建立这个cir的过程被称为信道估计。
[0028]
一个非常好的假设是，接收的延迟多普勒帧（或对应的网格）中的所有符号都以类似的方式被传输影响。从而，对于所有传送的符号，信道脉冲响应应该是相等的，而不管符号被布置于其中的网格位置如何。从而，只需要针对一个符号（导频符号）评估信道脉冲响应，以使得能够均衡接收的帧中的所有符号或网格位置的接收强度。
[0029]
为了使得能够正确分析信道脉冲响应，必须确保没有发生从携带强度的其它符号（即数据符号）到导频符号21的能量（即强度）被转移到的那些网格位置的能量转移。此外，导频符号的强度不得被转移到用于数据符号的网格位置。这是通过在导频符号21周围放置由圆圈描绘的没有任何强度的保护符号25以形成二维保护间隔40来保障的。保护间隔40具有矩形形状。
[0030]
二维保护间隔40之外的网格30的剩余网格空间可用于放置由十字描绘的数据符号27。可以被放置在延迟多普勒域网格30中的数据符号27的数量越大，为信息传输预留的带宽就越大。
[0031]
为了进一步讨论，假设导频符号21位于网格位置（l
p
，k
p
）。l
p
指代沿着延迟维度32的网格位置，以及k
p
指代沿着多普勒维度37的网格位置。
[0032]
l
τ
对应于需要的网格位置的数量，以确保由于延迟效应，导频符号21的能量即不会被转移到保护间隔40之外的任何网格位置，数据符号的任何能量也不会被转移到导频符号的强度可能被转移到其中的保护符号位置。二维保护间隔40沿着延迟轴从l
p-l
τ
延伸到l
p
+l
τ
。
[0033]kv
表示对应于最大预期多普勒频移的多普勒间隔37的数量。多普勒频移能将导频符号21的强度朝向更高频率以及朝向更低频率转移。数据符号27的强度也能被转移到更高频率和更低频率。因此，沿着多普勒维度32的保护间隔从k
p-2kv延伸到k
p
+2kv。
[0034]
延迟多普勒域网格30描绘了用于正交时频和空间（otfs）调制方案的一个ofts帧。本领域技术人员将领会，如图1a中描绘的延迟多普勒域网格30首先将经受二维（逆）辛有限傅里叶变换。这种变换的结果将被用于利用gabor滤波器组或也称为weyl-heisenberg信令滤波器组实际创建时间信号，并从传送器传送到接收器。对于这些步骤，也可使用传统的调制方案，诸如正交频分复用（ofdm）调制。在接收时，反向实行这个过程。
[0035]
图1b描绘了接收的otfs帧10’。网格30与图1a的otfs传输帧10的网格是同样的。在所有图中，相同的技术特征由相同的附图标记表示。在图1b中，由于延迟和/或多普勒偏移，导频符号的信号强度可能在传输期间被转移到的信道估计网格空间51各由填充有十字的正方形标记。这些构成了二维信道估计区域50，也称为保护导频空间。此二维信道估计区域50包括接收的otfs样本y[k，l]，其中k
p-k
ν
≤ k ≤ k
p
+k
ν
，并且l
p ≤ l ≤ l
p
+l
τ
。从而，二维信道估计区域50沿着多普勒维度从k
p-kv延伸到k
p
+kv，并且沿着延迟维度从l
p
延伸到l
p
+l
τ
。kv表示预期最大多普勒偏移。l
τ
表示预期最大延迟。
[0036]“前”二维保护间隔40中的其余网格空间被用于数据符号分析，并被称为数据保护网格空间52。从而，最初指配给数据符号的数据网格空间53以及保护数据网格空间52被用于检索在cir已经被评估之后接收到的数据。
[0037]
在用例中，延迟和多普勒偏移有时超过用于确定图1a中描绘的otfs传输帧10中的保护间隔的最大延迟和/或最大多普勒偏移。从而，有必要检测这些情形。
[0038]
为了这个目的，信道估计区域的接收的otfs样本y[k，l]的幅度的平方被求和，并除以该帧的所有接收的ofts样本y[k，l]的幅度的平方和。这个比被称为导频功率比（rnipp = p
pilot
）。在导频符号和数据符号之间实际上没有干扰的情况下，被归一化为总接收帧功率的导频功率，即分布到信道估计区域50的网格空间的导频功率，应该等于包括用于导频符号的网格空间的保护间隔中的网格空间的数量与otfs传输帧10中的网格空间的总数之比。
这个后一个比被称为保护空间比。r
gaurd_space
= n
guard_interval_spaces / n
total_grid_spaces
，其中n
guard_interval_spaces
是保护间隔网格空间（包括导频符号网格空间（k
p
，l
p
））的数量，以及n
total_grid_spaces
是otfs传送器帧10中网格空间的总数。
[0039]
该保护空间比等于通过将保护间隔的面积a
guard_interval_space
除以ofts传输帧的总面积a
total_grid_space
而形成的比，即r
gaurd_space
= a
guard_interval_space / a
total_grid_space
，其中a
guard_interval_space
是保护间隔网格空间（包括导频符号网格空间（k
p
，l
p
））的面积，以及a
total_grid_space
是otfs传输帧10中所有网格空间的总面积。在图1c中，通过仅示出总帧的面积60、保护间隔面积70和信道估计面积80来描绘otfs传输帧10。
[0040]
在没有导频干扰的情况下，导频功率比在可容忍裕度或阈值内应该等于保护空间比。
[0041]
因此，将两个比（导频功率比r
pilot_power
和保护空间比r
guard_space
进行比较。如果它们相差超过可接受裕度或阈值，则检测到干扰，并产生干扰信号。
[0042]
优选地，这可以反过来用于调整用于在顺序使用的otfs传输帧中放置符号的参数。一方面，与执行导致产生干扰信号的分析的接收器空间耦合的传送器将通过扩大保护空间间隔40来适应其otfs帧。
[0043]
为了实现原始传送器对所评估帧的适应，将关于干扰信号的信息中继到传送器。优选地，这是通过经由返回otfs帧等发送回信息来完成的。
[0044]
导频功率比和保护空间比之间的比较可以通过计算误差比r
error
来达成。这是通过将导频功率比r
pilot_power
除以保护空间比r
guard_space
来达成的：r
error = r
pilot_power
/r
guard_space
。在没有干扰的情况下，误差比r
error
将接近于1。存在干扰的情况下，误差比增加。
[0045]
在图2a、2b和2c中，分别描绘了otfs传输帧10、接收的otfs帧10’和otfs传输帧10。图2c示出了保护间隔40跨越完整多普勒维度的情形下的信道估计面积50和保护间隔40。同样通过建立导频功率比和保护空间比并将它们相互比较，来实行干扰的检测。
[0046]
图3a示出了描绘otfs传输帧10中不同符号20的信号强度91的图形。帧10由64
×
64网格组成。导频符号21位于（0，0）处。保护间隔跨越多普勒维度中的
±
16网格空间和延迟域中的
±
10网格空间。由于延迟和/或多普勒偏移引起的强度分布是循环的。从而，即使保护间隔看起来被拆分成四部分，它也是一个相接的保护间隔40。
[0047]
图3b描绘了接收的otfs帧10’的接收强度92的图形。传输场景是这样的：otfs传输帧10中的保护间隔40（图3a中描绘的）不足以防止与数据符号的导频干扰。在图3b中，几乎所有或至少许多“前”保护间隔网格空间示出了与其中放置数据符号的原始“数据”网格空间接收的强度相当的显著接收强度。不存在与原始保护间隔边界一致的明显可见的边界。
[0048]
误差比为1.4952，即大约1.5。这指示通常不可接受的导致高误位率的导频干扰。
[0049]
图4a示出了类似于图3a的otfs传输帧10中不同符号20的强度91的图形，但具有扩大的保护间隔40。它跨越多普勒维度中的
±
24网格空间和延迟域中的
±
20网格空间。图4b示出了与图3a和3b的情形相同的传输环境下的相应接收的otfs帧10’。在具有扩大的保护间隔40的第二种情况下，原始保护间隔的边界95清晰可见。这种情况下的误差比是1.1713，即接近于一。
[0050]
这示出误差比是检测导频与数据符号的干扰的良好度量。换句话说，导频功率比与保护空间比的比较是检测otfs传输中导频干扰的合适方法。
[0051]
图5示意性地示出了用于动态检测ofts传输中的导频干扰的装置1000。装置1000例如被集成在交通工具1100的移动通信装置1010中。
[0052]
通信装置1010包括用于移动通信的耦合到天线1030的收发器1020。收发器耦合到采样单元，用于对时频域信号进行采样，以捕获otfs编码信号的时频域样本y[n，m]。对于n
×
m的ofts帧，0 ≤ n ≤ n-1且0 ≤ m ≤ m-1。采样单元以采样时间t和频率分辨率δf进行采样。从而，otfs帧在长度n
·
t的时间跨度中以m
·
δf的带宽传送。变换单元1040将时频域样本y[n，m]变换为接收的延迟多普勒域样本y[k，l]，其中0≤k≤n-1以及0≤l≤m-1。接收的延迟多普勒域样本y[k，l]被转移到装置1000的输入端1045。
[0053]
积分单元1050对针对信道估计进行评估的接收的延迟多普勒域样本的幅度的平方求和。这建立了接收的非干扰导频功率p
pilot_power
：另外，积分单元1050对在完整接收的延迟多普勒帧上的所有样本y[k，l]的幅度的平方求和，以建立总接收帧功率p
frame
：。
[0054]
计算单元1060接收非干扰导频功率以及总接收帧功率，并通过将接收的非干扰导频功率p
pilot_power
除以总接收帧功率p
frame
来计算导频功率比。计算单元1060还被配置成检索ofts帧参数，包括关于保护间隔的信息。计算单元进一步通过将用于保护符号和导频符号的网格空间的数量除以ofts传输帧中的总网格空间的数量来计算保护空间比r
guard_space
。
[0055]
比较器单元1070将导频功率比r
pilot_pwer
与保护空间比r
guard_space
进行比较。这可以通过将导频功率比r
pilot_pwer
除以保护空间比r
guard_space
所建立的误差比r
error
与一进行比较来降低。
[0056]
比较器单元1070可以例如向评估单元1080提供误差比r
error
与一的差，该评估单元评估该差是否大于可容忍偏差阈值。由于噪声等，预期会有一些偏差。在差值大于可容忍偏差阈值的情况下，产生并提供干扰信号1090。该信号能触发应答ofts帧的编码使用关于保护间隔的不同参数，以确保没有干扰出现。从而，保护间隔被扩大。由干扰信号1090指示的关于检测到的干扰的信息也被中继到原始ofts编码信号的传送器，以确保对于随后发送的ofts帧使用适应的保护间隔。
[0057]
附图标记10otfs传输帧10’接收的otfs帧20要传送的符号21导频符号25保护符号27数据符号30延迟多普勒域网格31延迟基准32延迟维度33延迟间隔35多普勒基准36多普勒维度37多普勒间隔40二维保护间隔50信道估计面积/保护导频面积51信道估计网格空间52数据保护网格空间53数据网格空间60网格空间/帧的面积70保护间隔面积80信道估计面积91otfs传输帧中的符号强度92接收的otfs帧中的符号强度95保护间隔的边界1000动态检测导频干扰的装置1010通信装置1020收发器1030天线1035采样单元1040变换单元1045输入端1050积分单元1060计算单元1070比较器单元1080评估单元1090干扰信号1100交通工具