基于有限域的OTFS下行多址接入系统

本发明属于通信领域中的多址接入技术，具体涉及一种otfs下行多址接入系统。

背景技术：

1、未来的移动通信技术面临具有高移动性的多址接入场景，如无人机自组网通信、车间通信等。在这种场景下存在显著的多普勒效应，信道会具有时频双选衰落特性，从而在第四代移动通信技术的正交频分多址(orthogonal frequency division multipleaccess,ofdma)技术中引起严重的子载波间串扰，使得系统的性能严重恶化。因此，设计适用于时频双选衰落信道的多址接入系统是一个非常重要的方向。

2、正交时频空间调制(orthogonal time frequency space,otfs)是潜在能克服时频双选衰落信道的一种技术。该技术将信道建模在时延多普勒域上，这样的好处在于时延多普勒域信道具有稀疏性，且随时间变化速度要更慢，因此便于进行信道估计。不同于ofdm在时频域进行符号调制，otfs将调制后的符号映射在时延多普勒域上。经过信号变换，单个信息符号就能跨越整个时频域，即经历了整个传输时间和带宽，因此可以经历所有的信道状态。然而，当系统中存在多用户时，除了时频双选衰落信道引起的干扰之外，还存在用户之间的干扰，从而使得用户通信的误比特率显著降低，因此设计适用于时频双选衰落信道的下行多址方案具有重要的实际意义。

技术实现思路

1、本发明为了解决针对时频双选衰落信道下的下行多址接入场景中由于信道和多用户干扰引起的误比特率性能较差的问题。

2、一种基于有限域的otfs下行多址接入系统，所述系统进行通信的过程包括以下步骤：

3、设第j个用户发送的二元域信息比特序列为其中，j＝1,2,...,j，j为系统所需容纳的用户数；bj,k为二元域信息比特，k为每个用户的信息比特数；

4、将每个用户的二元域信息比特映射到素数域gf(q)上的唯一可译码，即ud码；gf(q)上序列uj＝(uj,0,uj,1,...,uj,k,...,uj,k-1)，将信息比特从二元域映射到素数域上，所有用户对应位置的uj,k组成一个j元组，即(u1,k,u2,k,...,uj,k)，其中0≤k＜k；此时ud码作为通信资源，用于承载用户的信息；

5、j个元素的模q求和记作将其称为这个元组的和；(q-u1,q-u2,...,q-uj)是笛卡尔积c1×c2×...×cj中的一个元组，且该元组的和为若任意两个j元组(u1,u2,...,uj)和(u′1,u′2,...,u′j)的和满足则该元组和该元组的和一一对应，此时中能够唯一地译出其相应的元组(u1,u2,...,uj)，称这样的笛卡尔积c1×c2×...×cj满足唯一和映射性质；发射机通过对每个j元组进行模p求和，从而来复用j个用户的发送信息，即令且uk∈gf(q)\0，由此得到元组和序列u＝(u0,u1,...,uk,...,uk-1)；

6、再通过线性码编码器编码得编码序列其中，为该线性码的生成矩阵，kc为编码后的编码序列长度；

7、然后通过调制器将信息比特转换为信息符号，从而将信息从有限域映射到时延多普勒域上，调制后获得的符号序列为其中，为调制阶数；再将x逐列排为一个m×n的矩阵xdd；

8、最后，通过otfs调制将时延多普勒域信号映射到时域上，得到时域的发送信号xt，经过数模转换，得到连续的时域信号xt(t)，并发送到无线信道中；

9、在接收机端，针对时域的接收信号为yj,t，进行otfs解调，得到时延多普勒域的接收信号yj,dd，相应地得到时延多普勒域的收发信号的关系yj＝hj,ddx+zj；其中，zj表示时延多普勒域的噪声向量，hj,dd为时延多普勒域的等效信道矩阵；

10、采用检测器或均衡器消除干扰得到每个用户的估计信号

11、然后，接收机中的解调器将复数域信号变换到有限域上，从而可得比特序列v′；再通过译码器得到序列u′＝(u′1,u′2,...,u′k)；

12、根据唯一和映射性质将每个uk′唯一地映射为(uk,1′,uk,2′,...,uk,j′)；最后，该第j个用户的接收机能够获得其元素对序列(u1,j′,u2,j′,...,uk,j′)；

13、接着，每个用户再根据其各自的加法逆元素对cj能够恢复出其相应的信息比特。

14、进一步地，系统所需容纳的用户数表示向下取整。

15、进一步地，将每个用户的二元域信息比特映射到素数域gf(q)上的唯一可译码的过程如下：

16、将所有加法逆元素对组成的集合定义为在集合中选取j个加法逆元素对，并分给每个用户，分别将其表示为c1,c2,...,cj，1≤j≤(q-1)/2；将这j个加法逆元素对组成的集合记作集合的第j个加法逆元素对能够表示为cj＝(tj,q-tj)，其中tj∈gf(q)\0；

17、根据每个用户各自的加法逆元素对cj，分别将每个信息比特bj,k映射为uj,k＝{tj,q-tj}。

18、进一步地，通过调制器将信息比特转换为信息符号的过程如下：

19、先将每个vn转换为一个二进制s元组，即vn＝(vn,0,vn,1,...,vn,m-1)，0≤n＜kc；基于二进制序列进行信号调制，调制后获得的符号序列为

20、进一步地，otfs调制包括isfft变换和海森堡变换的步骤，具体处理过程如下：

21、先通过isfft将时延多普勒域信号xdd变换为时频域信号xtf，即：分别对时延和多普勒维度做m点的dft和n点idft

22、

23、其中，fm表示m点dft矩阵，表示n点idft矩阵，上角标h表示共轭转置；

24、再通过海森堡变换将时频域信号变换到时域上，即：先对xtf每列做一次m点的idft，再通过持续时间为t的发送波形gtx(t)，从而得到时域发送信号

25、

26、其中，gtx是对角矩阵，且其对角元素是按t/m间隔对gtx(t)的采样，即

27、进一步地，发送信号xt的发送脉冲波形设计过程包括以下步骤：

28、基于矩形波形将gtx简化为m×m单位阵im，并将其逐列向量化为xt。

29、进一步地，时域的接收信号为yj,t如下：

30、根据下行场景，假设第j个用户接收信号经历的信道状态为

31、

32、其中，τ和v表示信道中的时延和多普勒频偏，δ(·)表示冲激函数，pj表示第j个用户信道中的散射体个数，且每个散射体的索引为p，hj,p表示第p个散射体的信道参数，τj,p和vj,p分别表示第p个散射体的时延和多普勒频偏；

33、此时，第j个用户接收机收到的信号为

34、yj,t(t)＝∫∫hj(τ,v)ej2πv(t-τ)xt(t-τ)dτdv+zj,t(t)

35、其中，zj,t(t)表示第j个用户的时域加性高斯白噪声；

36、对该连续接收信号用间隔t/m来采样，得到离散接收信号

37、

38、用矩阵的形式来表示时域矩阵

39、

40、其中，为π的lj,p次方，是置换矩阵；为δ的kj,p次方，δ＝diag[ω0,ω1,…,ωmn-1]是mn×mn的对角矩阵，

41、第j个用户的离散接收信号为

42、yj,t＝hj,txt+zj,t

43、其中，zj,t表示第j个用户的时域加性高斯白噪声向量。

44、进一步地，表示第p个散射体的时延和多普勒频偏τj,p和vj,p如下：

45、

46、其中，lj,p和kj,p分别为离散后相应的时延和多普勒抽头索引；nt和mδf分别表示一个otfs帧的持续时间和传输带宽，且子载波间隔为δf，每个时隙为t。

47、进一步地，针对时域的接收信号为yj,t进行otfs解调的过程包括以下步骤：

48、首先进行魏格纳变换，即对每列进行m点的dft运算，得到时频域接收信号

49、yj,tf＝fmgrxyj,t＝fmimyj,t

50、然后再经过sfft变换，即：分别对每列做一次m点的idft变换，再对每行做一次n点的dft变换，得到时延多普勒域的接收信号ydd为

51、

52、进一步地，时延多普勒域的收发信号的关系中，所述时延多普勒域的等效信道矩阵时延多普勒域的噪声向量

53、有益效果：

54、本发明通过构造的有限域唯一可译码，实现有限域上区分用户，本发明利用有限域的正交资源区分用户，结合otfs技术，可以保证多用户通过叠加信号来经历全部的信道状态，在提供更高的频谱效率的同时，还能获得更大的分集增益，具有更好的误比特率性能，从而能使每个用户在时频双选衰落信道下都有可靠的误码性能。