基于联合式放置正交时频空OTFS导频的信道估计方法

基于联合式放置正交时频空otfs导频的信道估计方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于联合式放置正交时频空otfs(orthogonal time frequency space)导频的信道估计方法。本发明可用于从otfs系统接收的导频信号中估计相应的信道信息。


背景技术：

2.目前，在5g以及wifi无线网络中广泛使用的正交频分ofdm(orthogonal frequency division multiplexing)调制技术容易受到多普勒效应的影响。otfs在高移动性无线通信场景下相较于ofdm有着更好的性能表现。正交时频空otfs是一种在时延多普勒域进行调制的二维调制方案，通过一系列二维变换，将双色散信道转换为在时延多普勒域近似非衰落的信道。otfs系统面临的挑战主要之一就是如何精确的估计时延多普勒信道状态信息(csi)。对于otfs系统的信道估计，面临的主要挑战就是如何放置导频，如果导频放置方案不好则会造成整个系统信道估计的精度，也会造成发送端硬件设备要求过高，不利于实际系统的实用性。
3.weijie yuan，shuangyang li等人在其发表的论文“data
‑
aided channel estimation for otfs systems with a superimposed pilot and data transmission scheme”(ieee wireless communications letters，2021)中提到了一种叠加式导频的放置方式。该方法通过在发送端叠加放置数据符号和导频符号，再经过信道噪声，然后在otfs系统的接受端，通过阈值判断，找到相应的信道信息，利用接收信号估计出信道信息。该技术方案能够有效提升帧数据的利用率，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于数据符号和噪声对于叠加式导频的放置时都是干扰，所以导频需要很大的信噪比，信道估计才能比较准确。
4.科希尔技术股份有限公司在其申请的专利文献“数据信道表征的otfs方法及其用途”(专利申请号2015800492013，授权公告号cn 106716824 b)中公开了一种在一帧数据中放置多个导频，数据符号围绕着导频放置的信号放置方式。该方式对于每一个无线天线和每一流可识别的多个otfs导频符号波形，使用接收器确定所述天线出的2d信道状态。该方法可同时放置多个正交导频信号，导频信号互相不干扰，能独立分开估计信道信息。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该导频放置方式由于数据符号围绕着导频符号放置，数据符号干扰非常大，信道信息估计得不太准确。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于联合式放置正交时频空otfs导频的信道估计方法，旨在解决otfs通信系统中精确的估计时延多普勒信道状态信息(csi)的问题和导频能量需求过高的问题。
6.实现本发明目的的思路是，在发送端的每一帧数据里的中心位置放置一个导频符号，根据otfs系统的最大时延扩展和最大多普勒扩展，在导频符号周围的最大时延扩展和
最大多普勒扩展一半以内的位置放置保护间隔，在保护间隔外放置数据符号。该接收端的数据块中的导频符号，会受到发送端的otfs数据块中心的导频周围所放置的符号干扰，而在发送端otfs数据块中心导频周围放置的保护间隔不会对导频符号造成干扰，该保护间隔有效降低接收端收到的导频符号所受到的来自于数据符号的干扰，使天线的信道系数估计得更准确。放置在otfs数据块中导频信号和数据信号之间的保护间隔，通过天线传输到接收端，对导频符号的干扰只存在天线信道噪声，使接收端接收到的导频符号得更为准确，能得到更好好的信道估计性能，由此可以降低发送端的导频符号的能量，使得otfs系统能在更低的导频信噪比的情况下，获得相近的信道估计性能。
7.实现本发明目的的方案包括如下步骤：
8.步骤1，按照下式，放置后的正交时频空otfs数据块中的导频：
[0009][0010]
其中，x[k,l]表示正交时频空otfs数据块中第l个子载波上的第k个数据符号；k＝1,...,m
‑
1和l＝1,...,n
‑
1，m和n分别表示由发射机天线数确定的otfs系统子载波的总数和符号的总数，x
p
表示正交时频空otfs数据块矩阵中第k
p
行第l
p
列导频符号，0表示一个正交时频空otfs数据块矩阵中第k
p
‑
k
max
行到k
p
+k
max
行，第l
p
‑
l
max
/2列到l
p
+l
max
/2列设置的保护间隔，即在x
p
的周围放置0；k
max
表示由正交时频空otfs通信系统移动速度所确定的最大多普勒偏移，l
max
表示由正交时频空otfs通信系统发送端和接受端的距离所确定的最大时延，x
d
表示正交时频空otfs数据帧中其他位置的数据符号；
[0011]
步骤2，发送时域信号：
[0012]
对每个正交时频空otfs数据块进行逆辛傅利叶变换isfft，得到该时频域的信号块，再对该信号块进行海森堡heisenberg变换，得到该数据块的时域信号，通过天线发送时域信号；
[0013]
步骤3，提取接收到的正交时频空otfs数据块信号：
[0014]
(3a)接收端将接收到的时域信号进行与步骤2相反的操作，得到时延
‑
多普勒域中的数据块；
[0015]
(3b)将数据块中超过阈值的每个坐标位置的数据符号保留数据块矩阵中，其余的数据符号舍弃。
[0016]
步骤4，按照下式，估计天线信道系数：
[0017][0018]
其中，表示多普勒偏移为k
‑
k
p
，时延为l
‑
l
p
的天线信道系数，y[k,l]表示接受端的正交时频空otfs数据块矩阵中第k行第l列数据符号。
[0019]
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
[0020]
第一，由于本发明根据otfs系统的最大时延扩展和最大多普勒扩展，在导频符号周围的最大时延扩展和最大多普勒扩展一半以内的位置放置保护间隔，克服了现有技术中导频符号受到干扰过大的缺点，使得本发明中接受端的导频符号所受到的干扰大幅降低，也相应提升了估计的信道信息的准确度。
[0021]
第二，由于本发明根据otfs系统的最大时延扩展和最大多普勒扩展，在导频符号周围的最大时延扩展和最大多普勒扩展一半以内的位置放置保护间隔，克服了现有技术中导频信噪比需求过高的问题，使得本发明能有效降低导频的能量的需求。
附图说明
[0022]
图1是本发明的otfs系统调制的流程框图；
[0023]
图2是本发明的otfs发送帧中导频放置方案图；
[0024]
图3是本发明otfs系统信道估计的仿真结果图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
[0026]
参照图1，对实现本发明的具体步骤描述如下。
[0027]
在发送端发送的每一帧数据如步骤1所示的：
[0028]
步骤1，按照下式，放置后的正交时频空otfs数据块中的导频：
[0029][0030]
其中，x[k,l]表示正交时频空otfs数据块中第l个子载波上的第k个数据符号；k＝1,...,m
‑
1和l＝1,...,n
‑
1，m和n分别表示由发射机天线数确定的otfs系统子载波的总数和符号的总数，x
p
表示正交时频空otfs数据块矩阵中第k
p
行第l
p
列导频符号，0表示一个正交时频空otfs数据块矩阵中第k
p
‑
k
max
行到k
p
+k
max
行，第l
p
‑
l
max
/2列到l
p
+l
max
/2列设置的保护间隔，即在x
p
的周围放置0；k
max
表示由正交时频空otfs通信系统移动速度所确定的最大多普勒偏移，l
max
表示由正交时频空otfs通信系统发送端和接受端的距离所确定的最大时延，x
d
表示正交时频空otfs数据帧中其他位置的数据符号。
[0031]
步骤2，发送时域信号。
[0032]
对每个正交时频空otfs数据块进行逆辛傅利叶变换isfft，得到该时频域的信号块，再对该信号块进行海森堡heisenberg变换，得到该数据块的时域信号，通过无线信道发送时域信号。
[0033]
步骤3，提取接收到的正交时频空otfs数据块信号。
[0034]
接收端将接收到的时域信号进行与步骤2相反的操作，得到时延
‑
多普勒域中的数据块。
[0035]
将数据块中超过阈值的每个坐标位置的数据符号保留数据块矩阵中，其余的数据符号舍弃。
[0036]
所述的阈值如下：
[0037][0038]
其中，γ表示阈值，*表示相乘，coef表示由最大时域和最大多普勒所确定的系数因子，n0表示发射信道的噪声能量，e
s
表示发送端的一个正交时频空otfs数据块中所有数据符号能量的平均值。
[0039]
参照图2，对本发明的otfs发送帧中的符号通过无线信道传输之后的对应关系做进一步的描述。
[0040]
图2(a)为步骤1的一个otfs数据帧中导频放置的示意图，图2(a)中心部分标示“p”的位置表示放置后的导频符号，图2(a)中以“x”标示的部分表示数据符号，图2(a)中以“o”标示的部分表示保护间隔。
[0041]
图2(b)为步骤3的接受端的一个otfs数据帧中导频放置的示意图，图2(b)中标示
“⊕”
形状的位置表示经过无线信道传输之后的四个导频符号，该四个导频符号均与图2(a)中的一个导频符号对应，这种对应关系与无线信道的数量有关，本发明的实施例中的无线信道数为四，所以导频符号在无线信道传输前后一对四的关系。同理，图2(b)中以
“◇”
形状标示的部分表示经过无线信道传输之后的数据符号，该数据符号是图2(a)中的每一个数据符号经过无线传输对应成四个数据符号，每一个位置上的对应的数据符号相互叠加，得到整个数据帧数上的数据符号。
[0042]
步骤4，按照下式，估计天线信道系数：
[0043][0044]
其中，表示多普勒偏移为k
‑
k
p
，时延为l
‑
l
p
的天线信道系数，y[k,l]表示接受端的正交时频空otfs数据块矩阵中第k行第l列数据符号。
[0045]
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。
[0046]
1.仿真条件：
[0047]
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为intel i5 7300cpu，主频为2.5ghz，内存为8gb。
[0048]
本发明的仿真实验的软件平台为：windows 10操作系统和matlab r2021a。
[0049]
本发明仿真实验所使用的otfs系统为采用子载波的总数m等于64和载波符号总数n等于64的系统，数据矢量的调制方式为qpsk，信道类型为复高斯信道，信道路径数分别选取4的情况，接收端通过阈值检测，估计信道信息，统计信道估计误差的循环次数为10000次。
[0050]
2.仿真的内容及其结果分析：
[0051]
本发明的仿真实验是发送端分别采用本发明的导频放置方案(联合式放置方案)和一个现有技术的放置方案(叠加式导频放置方案)，在发送端发送两种导频放置方案的数据块，接收端进行阈值检测，估计天线信道系数，计算信道的估计值的误差率。otfs系统的发送数据帧为10000帧，符号数目为64*64，获得相应的信道估计nmse
h
结果如图3所示。
[0052]
在本发明的仿真实验中，采用的叠加式导频放置方案是指，
[0053]
weijie yuan，shuangyang li等人在“data
‑
aided channel estimation for otfs systems with a superimposed pilot and data transmission scheme”(ieee wireless communications letters，2021)中提到了一种叠加式导频的放置方式。
[0054]
本发明的仿真实验中所指的nmse
h
指标如下：
[0055]
[0056]
其中nmse
h
表示信道估计误差率，表示估计的信道系数，h
w
表示实际的信道系数，||
·
||2表示求绝对值的平方。
[0057]
下面结合仿真图3对本发明的效果做进一步的描述。
[0058]
图3中的横坐标代表发送符号的信噪比，单位为db；纵坐标代表信道估计的误差率。
[0059]
图3中以三角形标示的曲线表示otfs系统发送端使用叠加式放置导频的方式，在接收端进行信道估计，得到的在导频信噪比在40db的情况下，信道估计的误差率随着发送符号信噪比的变化曲线。该曲线是在物理信道存在4条路径时，对otfs通信系统的信道进行估计，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以信道估计的误差率为纵坐标绘制的曲线。
[0060]
图3中以圆点标示的曲线表示对otfs系统使用本发明的联合式导频放置方案，然后接收符号块进行阈值检测，得到的在导频信噪比为38db的情况下，信道估计误差率随着发送符号信噪比的变化曲线。该曲线是在物理信道存在4条路径时，对otfs系统的信道进行估计，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以信道估计的误差率为纵坐标绘制的曲线。
[0061]
以上仿真实验表明：本发明方法在发送端的每一帧数据里的中心位置放置一个导频符号，根据otfs系统的最大时延扩展和最大多普勒扩展，在导频符号周围的最大时延扩展和最大多普勒扩展一半以内的位置放置保护间隔，在保护间隔外放置数据符号，该联合式放置导频方式，降低了导频所受到的干扰；本发明方法中，导频在38db的信噪比的情况下，得到了叠加式导频方案中导频在40db的信噪比的情况下的信道估计误差率，联合式导频放置方式比叠加式导频放置方式有2db的信噪比增益，克服了导频能量需求高的缺点，使得本发明降低了发送端导频所需的能量，提升了信道估计的准确度，是一种很实用的otfs系统导频的放置方法。