一种基于变换域的信号调制、传输方法以及通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体来说，涉及无线通信领域中的信号调制技术，更具体地说，涉及一种基于变换域的信号调制、传输方法以及通信系统。

背景技术

当前主流通信系统以时频域信号处理为基础，采用正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,OFDM)技术进行信号调制，通过将数据符号承载在时间频率域并采用快速傅里叶变换(fast fourier transform，FFT)及其逆变换技术实现信号的快速调制与解调。而由于无线环境的复杂性，OFDM技术在快速移动的无线环境中，由于子载波之间的正交性被破坏，传输性能受到了严重制约。

目前，业界提出的基于时延域-多普勒域的正交时频空间调制(Orthogonal TimeFrequency Space Modulation,OTFS)技术以其优于OFDM技术的性能备受关注。OTFS技术首先将数据符号映射到时延多普勒域(Delay Doppler domain，简称DD域)上，采用有限辛傅里叶逆变换(Inverse Symplectic Finite Fourier Transform,ISFFT)将数据符号从DD域映射到时频域(Time-Frequency domain，简称TF域)，并通过TF域的脉冲成形技术进行信号传输。与OFDM技术相比，OTFS技术实现了信号的二维调制，更好地实现了无线信号与无线环境的耦合。

然而，目前主要的信号调制技术均只能获得一维的信号增益。例如，参照附图1所示，OFDM调制将数据符号从时频空间变换到时间-时延域空间进行信号的传输，同一OFDM符号周期内分布在不同子载波上的独立数据符号扩展到了整个时延维度，因此采用OFDM调制可以获得时延维度上的分集增益，然而不同符号间的数据符号相互独立，即在时间上仅占据了符号周期的时间，而没有获得完整的时间增益；参照附图2所示，OTFS调制同样将数据符号从时间-多普勒域空间变换到了时间-时延域上进行信号传输，将同一时延维度符号分布在不同多普勒域上的独立数据符号扩展到了整个时间维度，因此采用OTFS调制可以获得时间维度上的分集增益，然而不同时延维度的数据符号仍然相互独立，即在时延上仅占据独立时延，而没有获得完整的时延增益。

综上所述，目前主流的信号调制方式均只获得了一维的传输增益，即仅在时间或时延维度上的增益，传输性能有待进一步提高。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种在无线通信中基于变换域的信号调制、传输方法以及通信系统。

根据本发明的第一方面，提供一种基于变换域的信号发射方法，所述方法包括：A1、将经过星座映射的数据符号映射到多普勒-频率域以获得第一符号矩阵；A2、通过二维信号变换将所述第一符号矩阵从多普勒-频率域变换到时间-时延域以生成第二符号矩阵；A3、对第二符号矩阵进行并/串转换，并插入循环前缀以生成第三符号矩阵；A4、基于所述第三符号矩阵生成发射信号。

在本发明的一些实施例中，所述步骤A1中的映射为将多个数据符号构成的符号序列按顺序填充到N行×M列的矩阵以形成第一符号矩阵，其中，M等于子载波总数，N等于数据符号总数。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤A2中通过二维离散傅里叶逆变换将多个数据符号从多普勒-频率域变换到时间-时延域以实现信号的全分集增益，其中，所述全分集增益是指对第一符号矩阵中的每个数据符号从多普勒-频率域变换到时间-时延域的整个资源平面以后进行叠加以生成第二符号矩阵。

优选的，所述二维离散傅里叶逆变换按照如下方式计算：

其中，X[·]表示发射端的时间-时延域上的数据符号，N表示数据符号总数，M表示子载波总数，x[·]表示发射端的多普勒-频率域上的数据符号，k表示第k个时延间隔，l表示第l个多普勒间隔，n表示第n个数据符号，m表示第m个子载波，j表示虚数。

根据本发明的第二方面，提供一种用于本发明的第一方面的信号接收方法，所述方法包括：B1、在接收端接收发射端发射的发射信号得到接收信号，并基于接收信号获得第三符号矩阵；B2、对第三符号矩阵移除循环前缀，并进行串/并转换以生成第二符号矩阵；B3、通过二维信号逆变换将所述第二符号矩阵从时间-时延域变换到多普勒-频率域以生成第一符号矩阵；B4、将第一符号矩阵逆映射得到数据符号并进行星座解映射。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤B3中通过二维离散傅里叶变换将多个数据符号从时间-时延域变换到多普勒-频率域以将全分集增益的信号恢复。

优选的，所述二维离散傅里叶变换按照如下方式计算：

其中，y[·]表示接收端的多普勒-频率域上的数据符号，k表示第k个时延间隔，l表示第l个多普勒间隔，Y[·]表示接收端的时间-时延域上的数据符号，N表示数据符号总数，M表示子载波总数，n表示第n个数据符号，m表示第m个子载波，j表示虚数。

在本发明的一些实施例中，所述步骤B4中的逆映射为将排布在多普勒-频率域中的N行×M列的第一符号矩阵中的每一个数据符号按照排布顺序逐一排布为序列，其中，M等于子载波总数，N等于数据符号总数。

根据本发明的第三方面，提供一种基于变换域的无线通信方法，所述方法包括：根据如本发明的第一方面所述的方法发射无线信号；根据如本发明的第二方面所述的方法接收所述无线信号。

根据本发明的第四方面，提供一种无线通信系统，其包括发射端和接收端，发射端根据本发明的第一方面的方法将待发送的信息比特进行发射；接收端根据本发明的第二方面的方法接收所述发射端发射的信号以获得所述信息比特。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、与目前主流的OFDM技术和OTFS技术相比，本发明可以获得更高的宽带传输性能与传输效率。

2、本发明通过二维信号变换实现了信号在全资源平面分集增益的获取，在有效提高传输效率的同时还能提高接收端性能。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为现有技术中的OFDM调制技术的变换示意图；

图2为现有技术中的OTFS调制技术的变换示意图；

图3为根据本发明实施例的一种基于变换域的信号发射方法的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的一种二维信号变换示意图；

图5为根据本发明实施例的一种基于变换域的信号接收方法的流程示意图；

图6为根据本发明实施例的一种二维信号逆变换示意图；

图7为根据本发明实施例的一种多普勒-频率域与时间-时延域的变换示意图；

图8为根据本发明实施例的一种无线通信系统结构示意图；

图9为根据本发明实施例的一种采用多种方法进行测试的误块率性能对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如在背景技术中提到的，现有的无线通信领域中主流的信号调制方法中在基带部分的调制(例如采用OFDM技术以及采用OTFS技术)均只能获得一维的传输增益，即仅在时间或时延维度上的增益，传输性能有待进一步提高，其中，现有技术中采用OFDM技术的方案将数据符号承载在时间-频率域上，采用快速傅里叶变换及其逆变换并在时间-时延域进行信号的传输以实现信号的快速调制与解调；而采用OTFS技术的方案将数据承载在多普勒-时延域上，采用有限辛傅里叶变换及其逆变换并在时间-时延域上进行信号的传输。对此，发明人提出一种基于变换域的信号增益传输方案，通过将信号进行域的变换实现信号扩展以获得更多的信号增益。相比OFDM技术只能实现时延维度上的增益、OTFS技术只能实现时间维度上的增益，本发明的提供的方案旨在实现信号在变换后的全资源平面上的分集增益(即信号在两个维度上均获得增益)，以达到在提高传输效率的同时提高接收端的性能的目的。以时频空间信号为例，通过在无线通信系统的发射端将无线信号映射到多普勒-频率域，并通过二维信号变换将其变换到时间-时延域上进行信号的发射；对应的，由于调制方式(基带部分的调制)的改变，在接收端将接收到的信号经过相应的二维信号逆变换将时间-时延域上的信号变换到多普勒-频率域，再通过逆映射将多普勒-频率域上的信号复原。这样的传输方式使得无线信号不仅能够获得时间和时延维度的传输增益，并能够获得更高的宽带传输性能与传输效率。应当理解，本发明主要针对现有无线通信领域中基带部分的调制进行改进(即将OFDM调制或OTFS调制更换为本发明提供的方案)，而至于其他部分的内容(例如编解码、星座映射、并/串转换、数/模转换以及上变频和下变频等)属于无线通信领域内的已有技术，因此不再进行赘述。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例以及附图，分别从发射端、接收端以及应用场景的角度对本发明进行说明。需要说明的是，本发明实施例中仅以时频空间信号举例进行说明，但并不限定无线信号的种类。

一、发射端

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种基于变换域的信号发射方法(或者也可称一种基于变换域的信号增益发射方法)，参见附图3，所述方法用于无线通信系统的发射端，所述方法包括A1、A2、A3和A4四个步骤，下面分别对各个步骤进行说明。

在步骤A1中，将经过星座映射的数据符号映射到多普勒-频率域以获得第一符号矩阵。

根据本发明的一个实施例，在发射端将待发送的信息比特进行编码生成信息序列，并对信息序列进行星座映射以获得多个数据符号构成的符号序列，再将符号序列映射到多普勒-频率域以获得第一符号矩阵。例如，在发射端，获取待发送的信息比特(通常由发射端上的信源产生)，对信息比特进行编码生成信息序列并对信息序列进行星座映射生成多个数据符号构成的符号序列，再将符号序列映射到多普勒-频率上以生成第一符号矩阵。信息比特是指由0、1比特构成的待发送的数据。对信息比特进行编码所采用的编码规则可以是Polar码、LDPC码和/或Turbo码对应的编码规则，或者现有可用的其他编码规则，以及本申请之后新出现的编码规则，只要不与本发明的原理相冲突仍可使用，本发明对此不作任何限制。待发送的信息比特通过编码生成信息序列后，通过星座映射将信息序列映射为星座图形式的多个数据符号构成的符号序列。这里同样的，可采用的星座映射方法可以是QAM、PSK、APSK等现有的星座映射方法，以及本申请之后新出现的星座映射方法，只要不与本发明的原理相冲突仍可使用，本发明对此不作任何限制。所述映射是指将多个(M×N个)数据符号构成的符号序列按顺序填充到N行×M列的矩阵以形成第一符号矩阵，其中，M等于子载波总数，N等于数据符号总数。

例如，设当前有一段待发送的信息比特，对其进行编码产生比特数为16的信息序列[0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1]，再采用星座映射方法中的QPSK映射对信息序列进行星座映射，得到符号数为8的数据符号组成的符号序列[-1+1i,-1+1i,1+1i,1-1i,-1-1i,-1+1i,-1-1i,1+1i]。设定M＝4,N＝2，将符号序列映射到多普勒-频率域上获得大小为2×4的第一符号矩阵：

在步骤A2中，通过二维信号变换将所述第一符号矩阵从多普勒-频率域变换到时间-时延域以生成第二符号矩阵。

根据本发明的一个实施例，通过二维信号变换将第一符号矩阵从多普勒-频率域变换到时间-时延域以生成第二符号矩阵。例如，本发明首先将符号序列映射到多普勒-频率域(DF域)中以获得第一符号矩阵，再通过二维信号变换将第一符号矩阵从多普勒-频率域变换到时间-时延域以生成第二符号矩阵(该过程示意可参加附图4所示)。通过上述过程将符号序列映射到多普勒-频率域(DF域)中。所述二维信号变换为二维离散傅里叶逆变换(Two-Dimensional In-verse Discrete Fourier Transform，2D-IDFT)，通过所述二维离散傅里叶逆变换将多个数据符号从多普勒-频率域变换到时间-时延域(TD域)以实现信号的全分集增益。所述全分集增益是指对第一符号矩阵中的每个数据符号从多普勒-频率域变换到时间-时延域的整个资源平面以后进行叠加以生成第二符号矩阵(最终生成一个M×N个数据符号叠加形成的第二符号矩阵)，在这个过程中，通过二维离散傅里叶逆变换实现变换与叠加，以实现资源的全部利用。总的来说，本发明通过将数据符号映射到多普勒-频率域中，再通过二维信号变换将多普勒-频率域中的数据符号变换到时间-时延域对应变换域的过程。

在本发明的无线通信系统中，设定带宽为B＝MΔf，单位为Hz，当前待发送的信息比特经过编码与星座映射后得到M×N个数据符号映射到多普勒-频率域资源平面上表示为N行×M列的符号矩阵，其中，M表示子载波总数，m表示第m个子载波，N表示数据符号总数，n表示第n个数据符号，Δf表示子载波频率间隔，单位为Hz。

在发射端，假设多普勒-频率域(DF域)资源平面表示为：Γ＝{(kv,lΔf),k∈[0,N-1],l∈[0,M-1]}，多普勒间隔

多普勒-频率域数据符号：发送信号表示为x[k,l],k∈[0,N-1],l∈[0,M-1]；接收信号表示为y[k,l],k∈[0,N-1],l∈[0,M-1]。

根据本发明的一个实施例，发射端通过在多普勒-频率域上的数据符号x[k,l]采用二维离散傅里叶逆变换变换到时间-时延域上生成全分集增益信号，其中，所述二维离散傅里叶逆变换按照如下方式计算：

其中，X[·]表示发射端的时间-时延域上的数据符号，N表示数据符号总数，M表示子载波总数，x[·]表示发射端的多普勒-频率域上的数据符号，k表示第k个时延间隔，l表示第l个多普勒间隔，n表示第n个数据符号，m表示第m个子载波，j表示虚数。

例如，在多普勒-频率域对第一符号矩阵进行二维离散傅里叶逆变换，将其变换到时间-时延域，获得第二符号矩阵：

在步骤A3中，对第二符号矩阵进行并/串转换，并插入循环前缀以生成第三符号矩阵。

根据本发明的一个实施例，在时间-时延域对步骤A2获得的第二符号矩阵进行并/串转换，并插入循环前缀以生成第三符号矩阵。例如，通过并/串转换将时间-时延域上的二维平面上的矩阵形式的第二符号矩阵逐列读出转换成串行的数据流，并通过插入循环前缀(也称为插入CP)将串行数据流末尾的一部分数据复制到数据流前端，以使数据长度与信道的最大时延相等，生成第三符号矩阵。由于所述并/串转换以及插入循环前缀的过程属于无线通信领域的公知技术，因此所涉及到的具体过程在此不做赘述。

在步骤A4中，基于所述第三符号矩阵生成发射信号。

根据本发明的一个实施例，将步骤A3获得的第三符号矩阵经过数/模转换和上变频生成发射信号并将信号发射。例如，通过数/模转换(DAC)将数字信号形式的第三符号矩阵转换为模拟信号，再通过上变频将模拟信号加到载波，组成待发射的信号以便将信号发射(通过天线发出无线信号)。由于数/模转换以及上变频的具体过程属于无线通信领域的公知技术，此处不进行具体展开说明。

二、接收端

根据本发明的一个实施例，本发明提供一种基于变换域的信号接收方法(或者也可称一种基于变换域的信号增益接收方法)，参见附图5，所述方法用于无线通信系统的接收端，所述方法包括B1、B2、B3和B4四个步骤，下面分别对各个步骤进行说明。

在步骤B1中，在接收端接收发射端发射的发射信号得到接收信号，并基于接收信号获得第三符号矩阵。

根据本发明的一个实施例，在接收端接收发射端发射的信号，得到接收信号，并对接收信号经过下变频和模/数转换后得到第三符号矩阵。例如，在接收端接收发射端发射的信号，得到接收信号，通过下变频从接收信号载波中提取出模拟信号，将模拟信号通过模/数转换获得数字信号形式的第三符号矩阵。

在步骤B2中，对第三符号矩阵移除循环前缀，并进行串/并转换以生成第二符号矩阵。

根据本发明的一个实施例，在时间-时延域对步骤B1获得的第三符号矩阵移除循环前缀，并进行串/并转换以生成第二符号矩阵。例如，本发明在时间-时延域上对第三符号矩阵执行移除循环前缀(移除CP)，并通过串/并转换将串行数据恢复为二维平面上的矩阵形式的第二符号矩阵。

例如，此时的第二符号矩阵为(应当理解，此为理想状态)：

在步骤B3中，通过二维信号逆变换将所述第二符号矩阵从时间-时延域变换到多普勒-频率域以生成第一符号矩阵。

根据本发明的一个实施例，本发明将时间-时延域上的第二符号矩阵进行二维信号逆变换，以变换到多普勒频率域上生成第一符号矩阵(该过程示意可参加附图6所示)。所述二维信号逆变换为二维离散傅里叶变换(Two-Dimensional Discrete FourierTransform，2D-DFT)，通过所述二维离散傅里叶变换将全分集增益状态的数据符号从时间-时延域变换到多普勒-频率域恢复至全分集增益前的状态。

对应的，在接收端，假设时间-时延域(TD域)资源平面表示为Λ＝{(nT,mτ),n∈[0,N-1],m∈[0,M-1]},N,M＞0；时延间隔

时间-时延域数据符号：发送信号为X[n,m],n∈[0,N-1],m∈[0,M-1]；接收信号为Y[n,m],n∈[0,N-1],m∈[0,M-1]。

根据本发明的一个实施例，接收端接收信号后将信号映射到时间-时延域上得到Y[n,m]，采用二维离散傅里叶变换将全分集增益的信号变换为多普勒-频率域上的数据符号：

其中，y[·]表示接收端的多普勒-频率域上的数据符号，k表示第k个时延间隔，l表示第l个多普勒间隔，Y[·]表示接收端的时间-时延域上的数据符号，N表示数据符号总数，M表示子载波总数，n表示第n个数据符号，m表示第m个子载波，j表示虚数。

例如，在时间-时延域对第二符号矩阵进行二维离散傅里叶变换，将其变换到多普勒-频率域，获得第一符号矩阵(应当理解，此为理想状态)：

在步骤B4中，将第一符号矩阵逆映射得到数据符号并进行星座解映射。

根据本发明的一个实施例，在接收端，在多普勒-频率域对第一符号矩阵进行逆映射以生成符号序列，将符号序列进行星座解映射生成信息序列，对信息序列进行解码，得到接收信号所对应的信息比特，并将其传递给信宿。所述逆映射为将排布在多普勒-频率域中的N行×M列的第一符号矩阵中的每一个数据符号按照排布顺序逐一排布为序列并恢复为符号序列，其中，M等于子载波总数，N等于数据符号总数。总的来说，对应于发射端变换域的过程，接收端通过相应的变换域的逆过程将时间-时延域中的数据符号通过二维信号逆变换恢复至多普勒-频率域。对信息比特进行解码所采用的解码规则为Polar码、LDPC码和/或Turbo码编码规则各自对应的解码规则，或者现有可用的其他解码规则，以及本申请之后新出现的解码规则，只要不与本发明的原理相冲突仍可使用，本发明对此不作任何限制。星座解映射为星座映射的逆过程，用于将星座图形式的多个数据符号构成的符号序列恢复为信息序列。这里同样的，可采用的星座解映射方法可以是QAM、PSK、APSK等现有的星座映射方法各自对应的星座解映射方法，以及本申请之后新出现的星座解映射方法，只要不与本发明的原理相冲突仍可使用，本发明对此不作任何限制。

例如，对第一符号矩阵逆映射后恢复为符号数为8的数据符号组成的符号序列[-1+1i,-1+1i,1+1i,1-1i,-1-1i,-1+1i,-1-1i,1+1i]，并对符号序列采用星座映射方法中的QPSK映射对应的解映射进行星座解映射恢复为比特数为16的信息序列[0 0 0 0 0 1 1 11 0 0 0 1 0 0 1]，再对其进行解码，并最终恢复为发射端所发射的信息比特。

对于整个发射端和接收端所对应的多普勒-频率域与时间-时延域的变换关系参见附图7所示。

三、应用场景

根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种基于变换域的无线通信方法，所述方法用于包括发射端和接收端的无线通信系统，所述方法包括在无线通信系统的发射端采用上述基于变换域的信号发射方法发射无线信号，并在无线通信系统的接收端采用上述基于变换域的信号接收方法接收所述无线信号。

根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种无线通信系统，如附图8所示，其包括发射端和接收端，发射端采用基于变换域的信号发射方法将待发送信号进行发射，接收端采用基于变换域的信号接收方法接收所述发射端发射的信号。

具体来说，由发射端将待发送的信息比特(待发送的信息比特通常由信源产生)进行编码生成信息序列，并对信息序列进行星座映射以获得多个数据符号构成的符号序列；由发射端将获得的符号序列映射到多普勒-频率域以获得第一符号矩阵，并通过二维离散傅里叶逆变换将第一符号矩阵从多普勒-频率域变换到时间-时延域以生成第二符号矩阵；由发射端在时间-时延域对第二符号矩阵进行并/串转换，并插入循环前缀以生成第三符号矩阵；由发射端将第三符号矩阵经过数/模转换和上变频生成信号并将信号发射。由接收端接收发射端发射的信号，并经过下变频后和模/数转换获得第三符号矩阵；由接收端在时间-时延域对获得的第三符号矩阵移除循环前缀，并进行串/并转换以生成第二符号矩阵；由接收端通过二维离散傅里叶变换将获得的第二符号矩阵从时间-时延域变换到多普勒-频率域以生成第一符号矩阵，并在多普勒-频率域对第一符号矩阵进行逆映射以获得符号序列；由接收端将获得的符号序列进行星座解映射生成信息序列，并基于信息序列进行解码以生成信息比特并将其传递给信宿。

为了验证本发明的技术效果，发明人基于5G物理下行共享信道(PDSCH)进行了仿真性能测试，具体测试例参数如表1所示，并将采用本发明方案与采用现有的OFDM方案和OTFS方案的系统误块率进行对比，获得如图9所示的误块率性能对比，可以看出，在相同的系统误块率(Block Error Rate,BLER)情况下，本发明的方案所需的功率更低，也即信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)更低，因此本发明的方案性能明显优于当前主流的传输方案OFDM与OTFS，可以显著提升宽带传输能力。

表1

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、与目前主流的OFDM技术和OTFS技术相比，本发明可以获得更高的宽带传输性能与传输效率。

2、本发明通过二维信号变换实现了信号在全资源平面分集增益的获取，在有效提高传输效率的同时还能提高接收端性能。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。