一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法

技术领域

本发明涉及一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，属于无线通讯领域。

背景技术

未来的第六代移动通信技术(6th-Generation，6G)有望满足更复杂多样的应用场景和更高的性能要求，例如移动速度超过500km/h的高移动性通信场景，包括无人机和近地轨道卫星。此外，第四代和第五代移动通信技术的蓬勃发展所造成的频谱拥塞也对新一代移动通信系统的设计提出了挑战。对超高数据传输速率的需求还要求新一代移动通信系统使用更高的频带，例如毫米波频带。在这种情况下，高移动速率和高载波频率带来的高多普勒频移会破坏多载波通信系统中子载波的正交性，传统的正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统会受到载波间干扰的影响，导致误码率提高，通信性能下降。正交时频空技术(Orthogonal Time Frequency Space，OTFS)是一种新型的二维调制技术，该技术利用时变信道的基展开模型，将时变信道转换为时不变的时延-多普勒域信道。通过在时延-多普勒域传输信号，实现高速移动场景下的稳定通信，即OTFS符号经历的信道增益几乎不随时间变化，这将大大提升高移动性系统的通信性能。将多输入多输出技术与OTFS技术相结合可以进一步提高多用户无线通信系统的频谱和能量效率，有效提升高移动性系统的性能。预编码设计是OTFS-MIMO系统的重要组成部分。通过设计合适的预编码矩阵，可以使信号匹配信道特征，充分挖掘OTFS-MIMO系统的潜在性能增益。

在具有多根天线的MIMO系统中，由于天线之间的距离带来额外的时延，每一根天线发射出的信号会有不同的频率相关的相位偏差，这被称为波束斜视效应。现有的MIMO系统中，天线阵列对信号的影响被表示为与频率无关的阵列响应矢量，每根天线上的信号通过一个移相器来抵消天线阵列的影响。但事实上，OTFS作为一个宽带系统，天线阵列对信号的不同频率分量有不同的影响，这将导致严重的阵列增益损失。此外，现有的MIMO-OTFS系统中采用了单个预编码的OTFS系统架构，导致发射的N

发明内容

本发明的目的是提供一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，构建主要由多天线发射机和多天线接收机构成的OTFS-MIMO通信系统，根据的OTFS-MIMO通信系统得到波束倾斜效应影响下的无线时变信道模型；能够实现抵消波束倾斜效应的OTFS-MIMO系统的预编码，抵消波束倾斜效应影响，提高OTFS-MIMO系统的准确率和传输速率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，构建主要由多天线发射机和多天线接收机构成的OTFS-MIMO通信系统，多天线发射机主要由预编码模块、波束倾斜补偿模块、OTFS调制模块、射频链路和均匀阵列天线构成。多天线接收机由组合模块、波束倾斜补偿模块、OTFS解调模块、射频链路和均匀阵列天线构成。预编码模块和组合模块分别由多个预编码器和多个组合器构成；构建发射机和接收机之间的无线时变信道模型，根据的OTFS-MIMO通信系统得到波束倾斜效应影响下的无线时变信道模型；在此基础上TFS-MIMO系统的时域的输入输出关系，根据时变信道下时域、时频域的相互转换，得到OTFS-MIMO系统的时频域下的输入输出关系，并将其离散化，得到包含波束倾斜效应影响的OTFS-MIMO系统的时域输入输出关系的矩阵形式；利用克罗内科积的交换性质，将波束倾斜效应的影响在时延多普勒域进行分离，通过逆变换消除波束倾斜效应的影响，得到不含波束倾斜影响的OTFS-MIMO的时延多普勒域输入输出关系；根据克罗内科积的重排特性，将输入输出关系进行重排，通过香农公式和琴生不等式得到系统的合速率，根据注水算法进行功率分配，根据分配的结果设计预编码矩阵，实现抵消波束倾斜效应的OTFS-MIMO系统的预编码，抵消波束倾斜效应影响，提高OTFS-MIMO系统的准确率和传输速率。

本发明公开的一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，包括如下步骤：

步骤一，构建主要由多天线发射机和多天线接收机构成的OTFS-MIMO通信系统，多天线发射机主要由预编码模块、波束倾斜补偿模块、OTFS调制模块、射频链路和均匀阵列天线构成。多天线接收机由组合模块、波束倾斜补偿模块、OTFS解调模块、射频链路和均匀阵列天线构成。在发射端，基带的时延-多普勒域符号通过预编码器和补偿器作用后，经过OTFS调制模块转换为时域信号，经过射频链路后通过发射天线发往接收端。

构建一个OTFS-MIMO系统，在该系统中采用相邻天线距离为d的均匀天线阵列，且发射天线数为N

在发送端生成N

将N

其中每行代表一路OTFS数据流。

在发射端有MN个预编码器，其总功率为P

对应的有

其中

其中

在OTFS调制模块中，先将时延多普勒域信号

其中F

时间频率频域信号X

通过射频链路连接到天线上进行发射。在在接收端，第q根接收天线收到来自第p根发射天线的信号r

R

通过OTFS解调模块将其变换到时频域再变换到时延多普勒域

Y

将

将接收到的信号叠加，并与接收端的波束倾斜补偿模块的补偿矩阵C

对应的接收端接收的数据块为

在接收端有MN个组合器，其总功率为P

其中Y

y

步骤二，构建发射机和接收机之间的无线时变信道模型，并结合步骤一构建OTFS-MIMO通信系统在波束倾斜效应影响下的无线时变信道模型。

建立一个有L条路径，第i条路径的时延、多普勒频移和复信道增益为则其信道为τ

其中c代表光速，

波束倾斜效应影响下的无线时变信道模型表示为

步骤三，推导得到包含波束倾斜效应影响的OTFS-MIMO系统的时域输入输出关系的矩阵形式。首先利用步骤二中推导的无线时变信道模型，推导得到OTFS-MIMO系统的时域的输入输出关系，根据时变信道下时域、时频域的相互转换，得到OTFS-MIMO系统的时频域下的输入输出关系。接着将其离散化，得到包含波束倾斜效应影响的OTFS-MIMO系统的时域输入输出关系的矩阵形式。

对于发射信号

根据时变信道下时频域的输入输出关系

其中S(f)为s(t)的傅里叶变换，时频域的信道响应H

其中

其中

进而得到时频域的信道矩阵

H

H

其中H

其中

G

G

根据时域信道和时频域信道的转换关系，(30)中时域信道H

将式(22)写为离散形式，得到时域输入输出关系的矩阵形式为

步骤四，根据推导的输入输出关系，利用克罗内科积的交换性质，将波束倾斜效应的影响在时延多普勒域进行分离，通过逆变换消除波束倾斜效应的影响，得到不含波束倾斜影响的OTFS-MIMO的时延多普勒域输入输出关系。将步骤一中的时域信号表达式带入到步骤三中时域输入输出关系中，并利用克罗内科积的交换性质，将波束倾斜效应的影响分离。通过对波束倾斜效应影响的矩阵形式进行逆变换，得到波束倾斜补偿模块中补偿矩阵的表达式。根据补偿矩阵，消除波束倾斜效应的影响得到不含波束倾斜影响的OTFS-MIMO的时延多普勒域输入输出关系。

将(5)和(8)带入到(31)中，得到

利用克罗内科积的性质

以及离散傅里叶变换矩阵的性质

则有

将(35)带入到(32)中，得到将波束倾斜效应影响分离的表达式

通过对波束倾斜效应影响矩阵

通过应用波束倾斜矩阵，发射端的波束倾斜效应被抵消。由于发射端和接收端完全对称，接收端的波束倾斜补偿矩阵与发射端的波束倾斜补偿矩阵采用相同方法得到。

结合(12)(13)和(36)，抵消波束倾斜效应的OTFS-MIMO的时延-多普勒域的输入输出关系写为

对于所有天线为一个整体，结合(3)和(15)，将(38)堆叠，得到抵消波束倾斜效应的OTFS-MIMO的时延-多普勒域的输入输出关系

步骤五，根据克罗内科积的重排特性，将步骤四中的输入输出关系进行重排，得到重排后的输入输出关系表达式。通过香农公式和琴生不等式得到系统的合速率，根据注水算法进行功率分配，根据分配的结果设计预编码矩阵，实现抵消波束倾斜效应的OTFS-MIMO系统的预编码，将该预编码矩阵应用到对应的预编码器上，提高OTFS-MIMO系统的合速率，从而提高信息传输速率。

根据克罗内科积的重排特性，对于

将其应用到(39)中交换克罗内科积的顺序，有

其中

在所述情况下，重排矩阵之后的等效输入输出关系写为

将(41)中的表达式变换为如下形式

记为

y＝Gx+z

则所构建的OTFS-MIMO系统的合速率为

构建等效矩阵

则OTFS-MIMO系统合速率为

根据Jensen不等式得

通过对等效矩阵进行奇异值分解，并按照其奇异值大小进行功率分配，得到预编码矩阵为

其中U

其中

将该预编码矩阵应用到对应的预编码器上，提高OTFS-MIMO系统的合速率，从而提高信息传输速率。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，在OTFS-MIMO系统中设置了一个补偿模块，通过推导波束倾斜效应影响下OTFS-MIMO的输入输出关系，利用克罗内科积的交换性质，将波束倾斜效应的影响在时延多普勒域进行分离，利用逆变换对补偿模块进行设计。在宽带OTFS-MIMO系统下，所提出的补偿模块能消除波束倾斜效应的影响，提高OTFS-MIMO系统的通信准确率和信息传输速率。

2、本发明公开的一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，在OTFS-MIMO系统中设计了预编码模块，该预编码模块在时延-多普勒域通过多个预编码器对输入的信息流进行预编码。通过导OTFS-MIMO的输入输出关系，根据克罗内科积的重排性质，将输入输出进行重排，并利用注水算法对预编码器进行功率分配，根据功率分配的结果设计预编码器，使得OTFS MIMO系统的合速率最大，提高OTFS-MIMO系统的频谱效率和信息传输速率。

附图说明

图1是本发明“一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法”的总体流程图；

图2是波束倾斜效应产生的示意图；

图3是传统方法中OTFS-MIMO系统的发送端结构图；

图4是本发明“一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法”的发送端结构框图；

图5是本发明“一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法”的接收端结构框图；

图6是不同方法下的信噪比与OTFS-MIMO的合速率性能关系曲线。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法，具体实现步骤如下：

步骤一，构建主要由多天线发射机和多天线接收机构成的OTFS-MIMO通信系统。在该OTFS-MIMO系统中，发送的信息流长度为N

所构建的多天线发射机如图4所示，主要由预编码模块、波束倾斜补偿模块、OTFS调制模块、射频链路和均匀阵列天线构成，其中发射天线数目为N

在发射端，基带的时延-多普勒域符号通过预编码器和补偿器作用后，经过OTFS调制模块转换为时域信号，经过射频链路后通过发射天线发往接收端。在接收端，时域信号经过OTFS解调模块后经过组合器和补偿器作用得到接收的时延-多普勒域符号。

步骤二，建立一个有L＝4条路径，第i条路径的时延、多普勒频移和复信道增益为则其信道为τ

步骤三，根据无线时变信道模型h

步骤四，利用克罗内科积的交换性质，按照(36)将波束倾斜效应的影响进行提取计算，并按照(37)将提取的波束倾斜效应影响矩阵进行逆变换，得到波束倾斜补偿矩阵C

步骤五，根据克罗内科积的重排特性，利用重排矩阵

至此，从步骤一到步骤五完成了本实施例一种用于抵消波束倾斜效应的正交时频空通信方法的流程。该方法在抵消波束倾斜影响的同时提高OTFS-MIMO系统的合速率，从实现提高OTFS-MIMO系统的信息传输速率。

图6是根据实施例1中所提出发明方案和不进行波束倾斜补偿的发明方案在信噪比下的系统合速率性能仿真结果图。由图6可以看出本发明提出方法可以抵消波束倾斜的影响，获得更高的系统合速率，使OTFS-MIMO系统的通信更有效、快速。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。