基于串行干扰消除的OTFS系统符号检测方法与流程

基于串行干扰消除的otfs系统符号检测方法
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串行干扰消除的正交时频空otfs(orthogonal time frequency space)系统符号检测方法。本发明可用于从otfs系统接收信号中检测出与发送符号相符的对应符号。


背景技术：

2.目前，在4g、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来自两个方面：一个是如何精确的估计时延多普勒信道状态信息(csi)，另一个是在获得csi后，需要一种低复杂度和高效的算法进行接收信号检测。接收信号检测就是从接收信号中检测出与发送符号相符的对应符号，如果otfs系统的检测算法复杂度较高则会造成整个系统功耗较高以及导致较高的时延，不利于实际系统的实用性。
3.yu liang,lingjun li等人在其发表的论文“doppler resilient orthogonal time-frequency space(otfs)systems based on index modulation”(ieee 91st vehicular technology conference,2020)中提到了一种索引调制otfs系统的集成mmse-ml的检测方法。该方法通过延迟多普勒域的索引位和星座符号一起传达信息，然后使用mmse检测方法检测星座符号和索引位，再用ml检测方法检测索引信息的功率。此检测方法比普通otfs系统有着更好的误码率性能。该方法虽然降低了索引位检测的时间复杂度，但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于需要先采用mmse检测器检测星座符号，再用ml检测方法检测索引信息的功率，而mmse检测器的计算复杂度较高，导致otfs通信系统中接收符号检测占用过高的系统功耗，造成通信系统接收机的总体功率较大。
4.北京邮电大学在其申请的专利文献“一种otfs系统的信号检测方法及装置”(专利申请号202010158335.1，公布号cn111478868b)中公开了一种基于神经网络和因子图的otfs系统接收符号检测方法。该方法利用神经网络进行训练，得到优化的信号检测性能参数，从而提升信号检测性能。该方法存在的不足之处是，该检测方法的复杂度与神经网络和专利所使用的迭代amp算法有关，当每帧传输的符号数目较多时则迭代次数较大，相应的检测的复杂度也会大幅增加，因此不适用于传输帧符号总数较多的场景。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于串行干扰消除的otfs系统符号检测方法，旨在解决otfs通信系统中接收符号检测占用过高的系统功耗和不适用于传输帧符号总数较多的场景的问题。
6.实现本发明目的的思路是，本发明针对嵌入导频方案中无符号间干扰的接收符
号，对其执行串行干扰消除的过程，串行干扰消除检测的复杂度为线性复杂度，对于目前otfs系统已有的符号检测算法的复杂度大都与传输符号总数呈非线性关系的情况下，可以显著降低符号检测的复杂度，相应的降低检测接收符号所使用的计算次数，以此降低对应占用的otfs系统功耗。同理，使用线性复杂度的检测方法，在传输帧符号总数较多的场景下，也能使otfs系统的符号检测复杂度与接收符号的数目呈线性关系，不会随着传输帧符号数目的增加而快速增长，增强了传输帧符号总数较多场景的适用性。
7.实现本发明目的的方案包括如下步骤：
8.步骤1，otfs系统接收端接收到发射端发送的时域信号；
9.步骤2，对时域信号进行维格纳wigner变换，得到时间-频率域的信号；
10.步骤3，对时间-频率域的信号进行辛傅里叶变换sfft，得到时延-多普勒域中的接收符号矩阵；
11.步骤4，采用串行干扰消除检测算法对接收符号进行检测：
12.步骤4.1，从接收符号矩阵中得到只由一个发送符号组成的接收符号，并将其中与最大路径增益有关的符号添加到一个用于存取符号的临时容器的队列中；
13.步骤4.2，从队列中取出一个符号，采用迫零准则检测出所选符号对应的发送符号值，在调制符号集合中选出距离发送符号值最近的发送符号，生成选出的发送符号在其余信道路径上的信号值；
14.步骤4.3，在接收符号矩阵中找到含有生成的信号值的接收符号，在找到的接收符号中减去其所包含的信号值，如果减去信号值后的接收符号只由一个发送符号组成，则将此接收符号加入到临时容器的队列中；
15.步骤4.4，判断临时容器的队列中是否还有符号，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤4.2；
16.步骤5，获得所有决策后的发送符号。
17.本发明与现有的技术相比具有以下优点：
18.第一，本发明根据接收符号的组成发送符号数目是否只有一个的原则，将接收符号进行分类，针对组成发送符号只有一个的接收符号，即无符号间干扰的接收符号，提出了“决策-重建-干扰消除”的线性复杂度的检测方法，克服了现有技术中符号检测复杂度较高的缺点，使得本发明中符号检测的复杂度大幅度降低，提高了otfs系统的检测速度。
19.第二，本发明利用串行干扰消除的排序优化特性，实施单个方向进行干扰消除检测的策略，消除了弱路径的不可靠决策，克服了普通的串行干扰消除的误码性能不佳的缺陷，使得本发明提高了串行干扰消除检测方法在otfs系统中的误码性能。
附图说明
20.图1是本发明的流程图；
21.图2是本发明的仿真结果图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的描述。
23.参照图1和实施例，对本发明实现的具体步骤做进一步的描述。
24.步骤1，otfs系统接收端接收到发射端发送的时域信号。
25.接收端天线接收发射端发送的时域信号y(t)，其中，t表示时间变量。
26.步骤2，对时域信号进行维格纳wigner变换，得到时间-频率域的信号。
27.将时域信号y(t)进行维格纳wigner变换得到时间-频率域的信号y[n,m]，其中，n＝0...n-1,m＝0,...m-1，n和m分别表示时间-频率域网格的行索引和列索引。
[0028]
步骤3，对时间-频率域的信号进行辛傅里叶变换sfft，得到时延-多普勒域中的接收符号矩阵y[k,l]，其中，k＝0,...n-1，l＝0,...m-1。
[0029]
步骤4，采用串行干扰消除检测算法对接收符号进行检测。
[0030]
步骤4.1，生成一个用于标志接收符号组成情况的三维标志矩阵，标志矩阵的尺度为m
×n×
p，其中，m和n分别表示otfs系统的子载波的总数和载波符号的总数，p表示无线信道的路径总数。将标志矩阵中的每个元素均初始化为0，标志矩阵位于[k,l,i]的元素为0代表处于[k,l]处的接收符号没有来自第i条信道路径上的组成元素，其中i＝0,...p-1。本发明的实施例中，子载波的总数m＝12，载波符号的总数n＝6，无线信道的路径总数p＝2，且第一条路径的增益大于第二条路径的增益。
[0031]
步骤4.2，遍历所有的发送符号，此发送符号经过第j条信道路径作用之后组成了接收符号矩阵中处于[e,f]的接收符号，则将标志矩阵处于[e,f,j]处的元素置为1，标志矩阵中其他元素仍为0。
[0032]
步骤4.3，遍历三维标志矩阵，如果标志矩阵位于[a,b]的页向量中只有一个非零元素且该非零元素位于[a,b,0]，即该非零元素处于最大路径增益所在的位置，将处于[a,b]的接收符号添加到queue队列中，queue队列是一个用于存取符号的临时容器。
[0033]
步骤4.4，从queue队列按序取出一个符号y，其中y＝x*h+n，x是发送符号，h是信道路径的增益，n是噪声，采用迫零zf(zero forcing)准则检测出符号y所对应的发送符号值其中在调制符号集合中选出距离发送符号值最近的发送符号依次生成该发送符号在其余信道路径上的信号值，在接收符号矩阵中找到含有该信号值的接收符号，在找到的每一个接收符号中减去该信号值，如果减去信号值之后的接收符号只由一个发送符号组成，那么将此接收符号加入队列queue。
[0034]
步骤4.5，判断queue队列中是否选完所有符号，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤4.4。
[0035]
步骤5，获得所有决策后的发送符号。
[0036]
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。
[0037]
1.仿真条件：
[0038]
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为intel i3 8100 cpu，主频为3.6ghz，内存为8gb。
[0039]
本发明的仿真实验的软件平台为：windows 10操作系统和matlab r2020b。
[0040]
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16和载波符号总数n等于16的系统，数据矢量的调制方式为qpsk，信道类型为复高斯信道，信道路径数选取为2的情况，接收端使用串行干扰消除符号检测器进行符号检测。
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2.仿真内容及仿真结果分析：
[0042]
本发明的仿真实验是采用本发明和一个现有技术(sic符号检测方法)，分别对otfs系统的接收符号数目为16*16*100000进行符号检测，获得相应的符号检测误码率结果，如图2所示。
[0043]
在本发明的仿真实验中，采用的一个现有技术sic符号检测方法是指，
[0044]
pulin pate1等人在“analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a ds/cdma system,1994,12(5):796-807.”中提出的sic检测器在通信系统中的检测方法。
[0045]
下面结合图2中的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
[0046]
图2中的横坐标代表发送符号的信噪比，单位为db；纵坐标代表符号检测的误码率。
[0047]
图2中以圆圈标示的曲线表示对otfs系统的接收符号直接使用本发明提出的sic检测器进行符号检测，得到的符号检测误码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两条路径时，对otfs系统的接收符号直接使用sic检测器进行符号检测，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以符号检测的误码率为纵坐标绘制的曲线。
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图2中以米字号标示的曲线表示对otfs系统的接收符号使用本发明提出的优化后的sic检测器进行符号检测，得到的符号检测误码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两条路径时，对otfs系统的接收符号使用单向优化的sic检测器进行符号检测，得到的以发送符号的信噪比为横坐标，以符号检测的误码率为纵坐标绘制的曲线。
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由图2中可见，以米字号标示的误码率折线明显低于以圆圈标示的折线，表明原始的串行干扰消除检测算法在otfs系统中的误码率性能较差，本发明方法改进后的单向串行干扰消除检测算法大大提高了otfs系统的性能。