一种正交时频码域的波形设计与接收方法

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种正交时频码域的波形设计与接收方法。

背景技术：

1、2017年，有学者在电气和电子工程师协会(institute of electrical andelectronics engineers，ieee)2017无线通信与网络(wireless communication andnetwork)会议上提出了正交时频空间(orthogonal time frequency space，otfs)调制技术。从通信原理上看，otfs技术可以被视为预编码的正交频分复用(orthogonal frequencydivision multiplexing,ofdm)调制技术。

2、otfs通过辛傅里叶变换的操作，将时频(time frequency，tf)域数据转化至时延多普勒(delay doppler，dd)域，并考虑时延多普勒域的系统输入输出关系。注意到在高速移动场景下，时延多普勒域的信道与时频域信道相比具有潜在的稀疏性和稳定性，故与ofdm调制相比otfs系统遭遇深衰落的可能性大大降低。为此，otfs技术成为了高速移动场景下可靠传输的备选方案。

3、目前，现有技术中的一种otfs系统的多波形正交传输方案包括：考虑dd域中系统的输入输出关系。由otfs系统的输入输出关系得到传输数据与接收数据间存在着二维循环移位。每个波形仅利用部分dd域资源进行数据传输，并通过其余数据处理手段如交织等，减轻多波形的干扰。

4、上述目前，现有技术中的一种otfs系统的多波形正交传输方案的缺点包括：当前otfs多波形的方案对于信道的稀疏性假设强，其在实际信道下的性能有待验证；此外，这类方案中每个波形仅利用了部分dd域资源，在并发传输较少的情况下将造成dd域资源的浪费。

技术实现思路

1、本发明的实施例提供了一种正交时频码域的波形设计与接收方法，以实现利用相同dd域资源下的多波形正交传输。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

3、一种正交时频码域的波形设计与接收方法，包括：

4、利用正交扩频序列池为波形组中的每个波形分配正交扩频组合；

5、各个波形按照所分配的正交扩频组合在正交时频码域中携带传输数据；

6、接收机在收到各波形后，根据各波形的正交扩频组合估计多个波形所经历的多径时延、多径衰落与多径多普勒；

7、所述接收机利用所估计出的各波形的多径时延、多径衰落与多径多普勒，利用最小均方误差mmse准则和正交扩频组合结构，检测出各个波形所携带的传输数据。

8、优选地，所述的利用正交扩频序列池为波形组中的每个波形分配正交扩频组合，包括：

9、设定波形组传输数据时所占据的带宽为mδf，时间为nt，其中m表示子载波间隔δf的数目，n表示时隙t的数目，设波形组中共有γ个波形，每个波形的序号为γ，γ＝1,2,…,γ；

10、取离散富里叶变换dft矩阵的各列形成正交扩频序列池其中q表示扩频因子，e表示为：

11、

12、e＝[e1 … eq] (2)

13、其中向量表示矩阵e的第i列，为第i个正交扩频序列；

14、在正交扩频序列池e中依次选取q个正交扩频序列，以组成不同波形的正交扩频组合，设定每个波形被分配到两个不同的正交扩频组合，并且每个波形所分配到的正交扩频组合在时频码域中是正交的；

15、第γ个波形的正交扩频组合表示为：

16、

17、优选地，所述的各个波形按照所分配的正交扩频组合在正交时频码域中携带传输数据，包括：

18、各波形利用给其分配的正交扩频组合sγ携带正交时频码域中的数据利用正交扩频组合sγ中用于导频符号的序列携带导频符号，利用正交扩频组合sγ中用于数据符号的序列携带数据符号，得到dγ的第i列表示为：

19、

20、其中iqb表示qb行qb列的单位矩阵，diag[sγ(:,i),sγ(:,i),…,sγ(:,i)]表示以ｓγ(:,i)为对角元素的qb行b列的块对角阵。

21、各波形通过二维dft变换的操作，从时延多普勒域转换到时频域进行数据传输。

22、优选地，所述的接收机在收到各波形后，根据各波形的正交扩频组合估计多个波形所经历的多径时延、多径衰落与多径多普勒，包括：

23、当接收机接收到来自多个波形的信号后，通过二维dft变换将各波形从时频域转换至时延多普勒域；

24、设定接收机接收到的波形组在ｎt时间长度，mδf带宽上携带的信号为

25、接收机根据公式(3)所规定的正交扩频组合和公式(4)的逆过程分离出各波形所携带的数据计算过程如公式(5)和(6)所示：

26、

27、其中的第i列由如下操作得到：

28、

29、根据公式(3)所规定的正交扩频组合，每个波形用于携带导频符号的扩频序列完全正交，将每个波形所携带的导频数据剥离出来，记做基于收发波形间双正交的假设与dγ(:,1)的关系为：

30、

31、在公式(7)中，表示一个复高斯噪声矩阵，噪声服从均值为0方差为σ2的复高斯分布，表示一个指标矩阵，它的第α行第列元素为其余元素均为0，表示时延域采样矩阵，表示信道衰落矩阵，表示多普勒域采样矩阵，m0表示接收机时延域过采样点数，m0>m；

32、

33、

34、

35、其中和表示某一径的时延和多普勒，表示估计出的波形的多径时延、多径衰落,n0＝1,…,n,n＝1,…,n,m0＝1,…,m0,m＝1,…,m；

36、表示时延采样矩阵第m行，第m0列的元素；

37、表示多普勒域采样函数第n0行，第n列的元素；

38、指信道衰落矩阵第m0行，第n0列的元素；

39、表示多径时延的序号，

40、指多径多普勒的序号，

41、利用多径在时延多普勒域的稀疏性对进行估计，得到其中p＜＜m0表示真实的多径数，将中与p个所估多径相对应的行抽取出来，得到ωγ是中与p个所估多径相对应的行，将式(7)中除与vγ以外的部分记做利用mmse准则估计ωγ，进而完成信道估计，其公式表达为：

42、

43、其中ηpilot表示各波形所携带的数据中，噪声与导频符号的功率比值。ip×p表示p行p列的单位阵。

44、优选地，所述的接收机利用所估计出的各波形的多径时延、多径衰落与多径多普勒，利用最小均方误差mmse准则和正交扩频组合结构，检测出各个波形所携带的传输数据，包括：

45、系统波形数γ是已知的，波形的序号γ根据公式(3)中为每个用户设计的正交扩频组合得到，基于公式(7)中含dγ矩阵的循环结构，将公式(7)改写为：

46、

47、表示的是与dγ(:,1)之间，公式(7)中相偏指标矩阵时延域采样矩阵信道衰落矩阵多普勒域采样矩阵联合的信道衰落；

48、将所估计得到的多径时延多径多普勒和多径衰落的联合影响代入中，得到了接收信号与发送信号间的输入输出关系，是接收信号中导频符号的部分，接收信号中数据符号对应的形如

49、的信道衰落通过(7)得到，将与数据符号和导频符号相对应的形如

50、的信道衰落形矩阵放置于一个矩阵中，得到接收数据符号与发送数据符号的关系如下：

51、

52、公式(10)左边表示的是将接受信号整形为向量的形式，表示的是接收信号和发送信号间的信道衰落，等式右边的数据项表示的是将发送信号整形为向量的形式，表示高斯噪声项。

53、利用mmse均衡的方式实现基于正交扩频组合的波形组的数据恢复，具体公式表达为：

54、

55、其中ηpilot表示各波形所携带的数据中噪声与数据符号的功率比值，ibn×bn表示bn行bn列的单位阵，表示的转置共轭，表示对所接收信号整形为一个列向量的操作；

56、公式(11)中所得到的发送信号的向量形式即为第γ个波形所携带的传输数据，对其它波形执行以上的相同操作，完成所有γ个波形所携带传输数据的检测。

57、由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种正交时频码域的波形设计与接收方法，该方法为同一波形组中的不同波形设计了独一无二的正交扩频组合，实现了利用相同dd域资源下的多波形正交传输，为高速移动条件下的多用户数据传输提供了备选方案。

58、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。