操作和实施无线OTFS通信系统的方法与流程

本申请案主张2014年7月21日申请的第62/027,213号美国临时申请案“操作和实施无线OTFS通信系统的方法(METHODS OF OPERATING AND IMPLEMENTING WIRELESS OTFS COMMUNCIATIONS SYSTEMS)”的优先权权益；本申请案也是2014年12月29日申请的第15/853,911号美国专利申请案“数据信道表征的OTFS方法和其用途(OTFS METHODS OF DATA CHANNEL CHARACTERIZATION AND USES THEREOF)”的部分接续案；所有这些申请案的完整内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明是在电信的领域中，具体来说是利用新颖的调制技术的无线电信的领域。

背景技术：

现代的电子元件通信，例如光纤通信、基于电子线或电缆的通信以及无线通信，全部通过调制信号且在其相应光纤、线/电缆或者无线介质或通信信道上发送这些信号而操作。在光纤和线/电缆的情况下，这些数据通信信道常常由一个(或一个与两个之间)空间维度和一个时间维度组成。在无线通信的情况下，这些通信信道常常将由三个空间维度和一个时间维度组成。然而，对于许多基于地面的无线应用，高度或海拔的第三空间维度常常与另两个空间维度相比较不重要。

在各种信号行进通过通信信道时，一般以光速或接近光速行进的这些信号一般经受各种类型降级或信道减损。举例来说，每当信号遇到光纤或线/电缆中的接合处时光纤或线/电缆媒介可潜在地产生回声信号。当无线信号弹跳离开无线反射表面(例如建筑物的侧面)和其它结构时也可潜在地产生回声信号。当光纤或线/电缆通过光纤或电缆的具有稍微不同信号传播性质或不同环境温度的不同区时可类似地发生频率移位。对于无线信号，发射到移动反射器或从移动反射器发射或者发射到移动交通工具或从移动交通工具发射的信号经受多普勒移位，这也导致频率移位。另外，底层设备(即发射器和接收器)本身并不始终完美地操作，且还会产生频率移位。

这些回声效应和频率移位是不希望的，且如果这些移位变得太大则会导致信号发射的较低速率以及较高的错误率。因此减少这些回声效应和频率移位的方法在通信领域中具有高实用性。

在由申请人的美国专利申请案US 61/349,619、US 13/177,119、US 13/430,690以及第8,547,988号美国专利例示的先前工作中，申请人教示了无线信号调制的新颖方法，其通过在与现有技术方法先前所采用相比更大(例如，大于例如时分多址(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、正交频分多路复用(OFDM)或其它方法)的时间、频率和谱形状(波形)范围上扩展数据符号而操作。

在US 13/117,119中先前被称为“正规正交时间频率移位和频谱整形(OTFSSS)”(且随后在例如US 13/430,690等稍后专利申请中由更简单的“OTFS”缩写指代)的申请人的方法通过在与先前方法相比更大的“组块”或帧中发送数据而操作。即，虽然现有技术CDMA或OFDM方法可能在设定时间间隔中在通信链路上编码且发送“N”个符号的单元或帧，但申请人的OTFS方法将通常基于N²个符号或NxM个符号的最小单元或帧，且常常在较长时间周期上发射这些N²个符号或NxM个符号。在一些实施例中，这些数据符号可为复数。

根据此类型的方案，来自所述N²个符号或NxM个符号的每一数据符号将通常在多个不同时间和多个不同频率上跨越多个可识别的(例如，通常相互正交)波形以无损且可逆(例如，可反转)方式分布。这些不同时间和频率一般是根据无线信道的时间延迟和多普勒移位信道响应参数而选择。由于此无损扩展以及不同时间和频率的选择，来自每一数据符号的信息贯穿所述多个不同时间和不同频率而扩展，以使得帧中的所有数据符号受到信道的时间延迟和多普勒频移特性的相等影响。因此这些方法帮助使得通信信道更“静止”(例如，确定性的且非衰落)。即，在给定帧内，不存在相对于其它数据符号经受较大失真或衰落的数据符号。

在一些OTFS调制实施例中，发射的每一数据符号或元素也在比现有技术方法的情况大得多的时间、频率和谱形空间的范围上扩展。因此，在接收器端，常常花费较长时间来开始解析任何给定数据符号的值，因为在接收N²个符号的全帧时此符号已经逐渐建立或积聚。

因此申请人的先前工作的一些实施例教示了一种无线通信方法，其使用时间、频率和频谱整形的组合来在N·N(N²)(例如，NxN、N乘以N)个符号的卷积单位矩阵(数据帧)中发射数据。在一些实施例中，在N个扩展时间间隔(每一者包括N个时间切片)上接收所有N²个数据符号，或不接收任何数据符号。在其它实施例中，放松了此要求。

为了确定用于发射过程的时间、波形和数据符号分配，N²大小的数据帧矩阵可例如乘以第一N·N时间频率移位矩阵，经排列，并且然后乘以第二N·N频谱整形矩阵，进而跨越整个所得N·N矩阵混合每一数据符号。随后按每时间切片一个元素的基础选择、调制和发射此所得数据矩阵。在接收器处，重构且解卷积复制矩阵，从而显露原始所发射数据的副本。

举例来说，在由美国专利申请案13/117,119教示的一些实施例中，可在通信链路上以时间基础在一个数据帧([D])上发射和接收OTFS波形，通常为处理器和软件驱动的无线发射器和接收器。通常使用至少一个处理器自动完成所有随后的步骤。

此第一方法使用将通常包括多达N²个数据元素的矩阵的数据帧，N大于1。此方法是基于创建包括第一NxN矩阵([U₁])和第二NxN矩阵([U₂])的正规正交矩阵集合。所述通信链路和正规正交矩阵集合通常选择为能够在一个时间扩展间隔(例如，一个突发)上发射来自第一NxN矩阵([U₁)、数据帧([D])和第二NxN矩阵([U₂])的矩阵乘积的至少N个元素。此处，每一时间扩展间隔可由至少N个时间切片组成。所述方法通常通过以下方式操作：形成第一NxN矩阵([U₁])和数据帧([D])的第一矩阵乘积，并且然后通过可逆排列操作P而排列第一矩阵乘积，从而得到经排列第一矩阵乘积P([U₁][D])。所述方法随后形成此经排列第一矩阵乘积P([U₁][D])和第二NxN矩阵([U₂])的第二矩阵乘积，从而根据所述方法形成卷积数据矩阵，此卷积数据矩阵可通过以下方式在无线通信链路上发射和接收：

在发射器侧上，对于每一单个时间扩展间隔(例如，突发时间)，所述方法通过以下方式操作：选择卷积数据矩阵的N个不同元素，且在此时间扩展间隔中的不同所述时间切片上，使用处理器从所述卷积数据矩阵的N个不同元素选择一个元素，调制此元素，且无线地发射此元素以使得每一元素占据其自身的时间切片。

在接收器侧上，接收器将在各种时间扩展间隔(突发时间)中在不同时间切片上接收卷积数据矩阵的这些N个不同元素，且解调制此卷积数据矩阵的N个不同元素。将重复这些步骤多达总共N次，进而将卷积数据矩阵的复制品重组到接收器。

接收器将随后使用第一NxN矩阵([U₁])和第二NxN矩阵([U₂])来从卷积数据矩阵重构原始数据帧([D])。在此方法的一些实施例中，在卷积数据矩阵已经完全复原之前无法保证以完全准确性重构任意数据帧([D])的任意数据元素。

美国专利申请案13/117,119及其临时申请案61/359,619也教示了在无线通信链路上发射和接收至少一个数据帧([D])的替代方法，其中此数据帧再次一般包括多达N²个数据元素(N大于1)的矩阵。此替代的方法通过以下方式工作：卷积所述数据帧([D])的数据元素以使得每一数据元素的值当发射时将在多个无线波形上扩展，其中此多个无线波形中的每一个别波形将具有特征频率，且此多个无线波形中的每一个别波形将携带来自数据帧的多个这些数据元素的卷积结果。根据所述方法，发射器通过在多个时间间隔上移位此多个无线波形的频率而自动发射卷积结果，以使得每一数据元素的值将作为在多个时间间隔上发送的多个经频率移位无线波形而发射。在接收器侧，接收器将接收且使用处理器来解卷积在多个时间上发送的这多个经频率移位无线波形，且因此重构至少一个原始发射数据帧([D])的复制品。此处再次，在一些实施例中，可因此选择卷积和解卷积方案以使得在大体上所有所述多个经频率移位无线波形已经发射和接收之前无法以完全准确性重构任意数据帧([D])的任意数据元素。在帧之间，可重复时间移位和频率移位的相同模式，因此在帧之间，这些时间移位和频率移位可被视为循环时间移位和循环频率移位。

然而，在给定帧内，虽然时间移位和频率移位在一些实施例中也可为循环时间移位和循环频率移位，但不需要始终是这种情况。举例来说，考虑系统正在N个时间周期上使用M个频率发射MxN数据帧的情况。此处对于每一时间周期，系统可使用M个相互正交载波频率(例如，音调、副载波、窄带副载波、OFDM副载波及类似物)同时发射M个OTFS符号。OFTS载波频率(音调、副载波)全部是相互正交的，且考虑到N个时间周期也在每一时间周期再使用，但不需要是循环的。

在其它实施例中，美国专利申请13/927,091、13/927/086、13/927,095、13/927,089、13/927,092、13/927,087、13/927,088、13/927,091和/或临时申请61/664,020中先前公开的方法可以用于本文所揭示的一些OTFS调制方法。美国专利申请13/927,091、13/927/086、13/927,095、13/927,089、13/927,092、13/927,087、13/927,088、13/927,091、14/583,911、62/027,213和61/664,020的完整内容以全文引用的方式并入本文中。

技术实现要素：

在一些实施例中，本发明论述具体来说可用于多用户、点对点、一点到多点、网状、蜂窝式固定和/或移动通信的各种通信技术产品、过程和系统。为了做到这一点，本发明常常利用跨越多个调制维度(例如，两个或更多个调制维度，例如时间移位维度、频率移位维度、空间移位维度、极化旋转维度、比例维度及类似物)的离散信息符号的同时调制。在其它实施例中，本发明可利用从代表理论导出的新颖调制技术，有时通过与MIMO(例如，多输入和多输出天线)或其它无线波束成形技术的各种组合进行辅助。虽然在本说明书中，无线媒体最频繁地用作具体实例，但在替代实施例中，本文论述的概念也可以应用于其它类型的媒体，包含各种类型的非无线媒体。

本发明部分地基于以下观测和认识：例如无线系统等当今的通信系统极经常受到明显不可预测(例如，明显非确定性的)信号衰落和干扰的影响。考虑无线手机通信。这些是通过由三维空间和时间组成的“通信信道”发射无线信号(例如，无线电信号)而操作(此处我们将当前忽略空气、云、雨及类似物的影响。还应注意高度维度常常相对于其它维度最小，且因此常常通信信道的二维空间和时间模型是足够的)。设想这在城市环境中发生。在手机改变位置时，去往和来自手机和手机基站的信号可经受明显不可预测量的失真和干扰，因为无线信号反射离开各种对象(例如，建筑物、桥梁、移动交通工具)及类似物。我们可将这些各种对象的总和视为对通信信道强加“结构”。

每一反射产生各种经时间延迟的“回声”无线信号。取决于手机、基站和各种中间反射器(例如，移动交通工具)的相对移动，这些各种回声反射也可经频率移位(例如，多普勒移位)。在所有这些各种经时间延迟且经频率移位信号到达特定接收天线(假定其为手机天线或基站天线)的时候，所述各种信号将失真且常常将经受信号强度的明显不可预测(例如，明显非确定性的)改变，从而导致衰落和其它通信减损。

这些影响常常称为通信信道的“信道响应”。领域中的现有技术倾向于将这些类型的信号衰落和其它失真处理为固有非确定性的且基本上不可能求解。现有技术改为倾向于教示统计方法以仅描述这些衰落和其它问题发生的几率。因此现有技术方法倾向于使用统计参数(例如，典型衰落持续时间、信号将保持相干的典型时间长度、无线信号将保持相干的典型带宽及类似物)来尝试处理这些问题。

相比之下，本发明部分地基于现代电子元件(例如，处理能力和速度)现在使得替代方法成为可能的认识。确切地说，本发明是基于常常以短持续时间突发的形式发射数据的概念，所述突发是以新颖方式经调制，其既定暴露通信信道的底层结构(例如，反射器的分布、发射器、接收器、反射器及类似物的相对速度)，以及使得(实际上)求解在无线信号传播通过通信信道时这些对象的失真影响更为可行。本质上，此“求解”允许系统分选出许多反射和其它信号移位，且智能地校正(例如，解卷积)由数据信道结构对信号施加的各种失真(卷积)。

根据本发明，常常根据既定帮助暴露信号反射器在通信信道中可能安置的相对距离的一系列短突发和各种时间移位来调制无线信号。同时，本发明将常常还根据既定也帮助暴露在通信信道中操作的接收器、发射器和反射器的相对速度的一系列频率移位而调制无线信号。也可以使用其它类型的同时的信号调制，例如根据空间(例如，多个天线的使用)或其它信号参数(例如，极化)。

本发明也部分地基于以下认识：通信信道的底层结构可被表征得越好，总体性能越好。因此多个天线的使用可帮助表征通信信道的底层结构(例如，使用视差效应来较好地定位反射器)，以及辅助波束形成以在更有利的模式中引导无线能量发射器或接收器。因为并非所有反射器都以相同方式反射无线电波(一些反射器赋予极化改变)，所以极化无线信号的使用也可帮助较好地表征通信信道的底层结构，以及帮助在给定当前通信信道的特定结构的情况下选择可能更有用的特定无线信号极化模式。

也可以使用其它方法再进一步改善系统的性能。这些其它方法中的一些可包含通过还将数据符号封装为矩阵状的数据帧而发送和接收数据的方法。这些矩阵状数据帧可常常配置有导频信号以帮助系统较好地表征数据信道的结构，以及常常配置有可帮助系统检测问题且采取校正动作的各种错误码。除标准错误校正目的之外，这些错误码也可有助于告知系统其对数据信道的结构的底层理解何时可为次优的，以及进一步优化(例如，发送更多导频符号、配置各种时间频率极化、多个天线配置及类似物)何时将为有用的。还将论述交错数据帧、调整突发类型、优化例如等待时间(例如，发射给定数据集合所需要的时间延迟)等其它系统特性的各种方法。

附图说明

图1示出了至少一个无线发射器、接收器(其中的每一者可具有其自身的速度和位置)相对于数据信道(此处仅示出两个空间维度，且通过反射器的速度箭头示出时间维度)中的至少一个无线反射器(其可具有其自身的位置、各种反射系数和速度)操作的抽象模型。

图2示出了在特定OTFS时间和频率偏移区间发射且在一些实施例中由各种“清空”OTFS时间和频率区间包围的OTFS导频符号波形突发可如何用以帮助确定信道响应参数。

图3示出了混合OTFS数据帧的使用，其中所述数据帧的一些部分用于OTFS导频符号波形突发以用于信道响应参数目的，且其它部分用于OTFS“数据有效负载”。

图4示出了OTFS MIMO实施例，其中MIMO OTFS发射器形成朝向所关注的OTFS接收器引导的无线能量波束。图4还示出了OTFS导频符号波形突发的使用可如何帮助系统确定系统的信道响应参数，且因此帮助朝向OTFS接收器引导MIMO OTFS发射器波束。

图5示出了替代的OTFS MIMO情形，其中新反射器(反射器2)现在防止无线信号直接从MIMO OTFS发射器行进到OTFS接收器。OTFS系统可自动检测问题(此处通过使用OTFS导频符号，可能由本发明的错误检测方法辅助，以检测信道响应参数的改变)，并且然后引导发射器的MIMO天线以在有用反射器的方向上形成发射波束，因此使用间接反射信号与接收器接触。

图6示出了另一替代的OTFS MIMO情形，类似于以上图5中所示。然而此处，OTFS接收器是MIMO OTFS接收器，且所述接收器已使用信道响应参数的改变来引导接收器的MIMO天线以优先在有用反射器的方向上进行接收。

图7示出了本发明的各种实施例-OTFS发射器、OTFS接收器、修改OTFS时间移位、频率移位、极化、突发特性、错误码的使用、导频符号MIMO天线、信道响应参数的地图及类似物可如何全部组合或与实施的仅一些实施例全部一起工作，以产生统一的OTFS无线通信系统，其经设计以即使当在困难且恒定改变的环境中操作时也提供稳健且防衰落的通信。

具体实施方式

如先前论述，本发明部分地基于与由于仅可通过统计方法来处置一些情况的倾向于查看信号强度变化(例如，偶然的信号衰落、信号保持相干有多久、信号频率范围可预期相干的范围有多大)的现有技术方法相比，如果通信信道的底层结构暴露则可获得优良结果，且实际上挑选出或“求解”信号失真的各种原因(例如，各种反射、频率移位、其它移位及类似物)。

由于通信信道用以发射数据，因此贯穿本发明，一般通信信道将称为“数据信道”。本发明的主要焦点将是通过三个空间维度(常常在地球上，其中“空间”可填充有空气以及甚至例如云、雨滴、冰雹及类似物等其它自然空中对象)和一个时间维度发射数据(常常使用上至微波频率及更高的各种频率的无线电信号)的无线数据信道。

然而本文所揭示的至少若干概念也可用于在其它媒介(例如，水、导电金属、透明固体及类似物)中操作的其它数据信道。在一些实施例中，例如高度等一些空间维度可为较不重要的。因此为了概括，本发明将常常被称作使用包括至少两个空间维度和一个时间维度的多维数据信道而操作。然而应理解，虽然本发明常常将在三个空间维度和一个时间维度中操作，但仅在一个有效空间维度和一个时间维度中操作的实施例也是预期的。

本发明利用例如处理器(例如，微处理器，其可甚至为例如流行的因特尔x86系列处理器等常用处理器)和数字信号处理器等现代的电子组件；且常常将采用现代的软件配置无线发射器和接收器，其可例如通过各种现场可编程门阵列(FPGA)而实施。此处，Harris的方法《使用多相滤波器组用于无线通信的数字接收器和发射器(Digital Receivers and Transmitters Using Polyphase Filter Banks for Wireless Communications)》(IEEE学报卷51(4)，2003年4月，1395-1412页)。也可以使用专用集成电路(ASIC)以及其它类型的装置和方法。

虽然本发明具有许多实施例，本文将详细论述其中一些，但重要的是，这些实施例中的许多可被认为是基于通过至少一个无线发射器与至少一个无线接收器之间的多维数据信道(这些多个维度常常将为至少一个或两个，且常常是三个空间维度和一个时间维度)发射(通常无线地发射)多个符号(常常为OTFS符号，常常载运数据)的自动方法。

本发明的一个唯一方面是其常常以正交时间移位且频率移位的无线波形的形式无线发射数据符号，本说明书中常常称为OTFS符号和OTFS波形。OTFS符号和OTFS波形可通过各种方法实施，其中一些在母代申请案US 61/349,619、US 13/177,119、US 13/430,690以及美国专利8,547,988中先前公开；以上申请案全部以全文引用的方式并入本文中。请参考这些较早公开内容得到OTFS波形技术的各种方面的较详细论述，以及关于实施OTFS符号和数据帧的各种方法的较详细论述。

为了简要地概述这些较早公开内容的一些方面，在一些实施例中，既定用于作为OTFS符号发射的数据符号可在发射器侧上通常自动使用至少一个处理器和适当软件而分布在各种符号矩阵或“数据帧”上。这些可为N·N矩阵，或甚至N·M矩阵(其中M不同于N)。这些符号矩阵或数据帧随后用作输入以控制系统的无线发射器的调制。具体来说，既定用于发射的数据符号可用以加权或调制一系列经时间移位和频率移位的波形。

这可通过例如在发射器处使用数据符号控制一组无线信号调制器(例如，QAM调制器，其可使用Harris的先前论述方法或其它方法而实施)的操作而完成。所得输出可例如导致多个频率和时间移位上的经QAM调制波形的多个突发，这可稍后由接收器使用以帮助识别数据信道的结构(例如，各种反射器的位置和速度)。

虽然这些波形接着可在发射期间失真，但其基本时间和频率重复结构可连同适当的基于接收器的解卷积方法一起由系统的接收器使用，以通过利用重复模式以确定所需解卷积的类型而校正这些失真。

为了一般化，在本文所描述的方法中，可包括导频符号、空符号和通常数据符号中的任一者的符号被布置为至少一个且常常多个符号帧，有时也被称为平面。所述符号可为多种不同类型的符号，但常常可表示为复数，常常为复整数(例如，高斯整数)和/或QAM符号。这些符号帧因此通常是二维阵列，例如这些符号的NxN或NxM帧，其中N和M两者是大于1的整数。系统将通常基于每符号帧而操作。

通常，基于每符号帧，至少一个处理器(通常发射器处理器)将使用无损且可逆变换扩展至少每一数据符号中(给定符号帧中)的信息跨越所述符号帧中的至少所有数据符号。本文中描述各种特定类型的无损和可逆变换，但这些具体实例并不希望为限制性的。此变换过程的净结果是至少对于给定数据符号帧中的数据符号的每一集合或帧的数据符号部分，将产生包括多个OTFS符号的对应二维OTFS帧(数据平面)。虽然常常如果给定符号帧具有NxM个符号，则将产生包括N乘以M个符号的对应OTFS帧，但此实例也并不希望为限制性的。这些OTFS符号将随后以一方式发射，其中(再次基于每OTFS帧)从所述OTFS帧中的数据符号导出的每一OTFS符号将贯穿多个相互可识别的(通常因为它们相互正交)经时间移位和频率移位无线OTFS波形突发而扩展。这些OTFS波形突发随后横穿数据信道，如本发明中在别处论述。

再次为了一般化，无线接收器将通常随后基于每OTFS帧而接收现在经信道卷积的OTFS波形突发，且在解卷积之后导出原始发射的OTFS波形突发的至少近似，进而创建原始发射的OTFS帧的近似或复制(复制OTFS帧)。接收器可随后使用至少一个处理器(通常为接收器处理器)和变换的逆而从原始发射的OTFS帧的此近似(复制OTFS帧)提取复制符号。

由于此方法(例如，由于无损且可逆的扩展)，或作为对此方法的另一约束，通常至少对于数据符号，无法保证以完全准确性提取(即发射和接收)任意(数据)符号，除非来自OTFS符号的所述符号的特定帧的大体上所有OTFS符号已经发射和接收。此处“大体上所有”将在某种程度上取决于情形的特殊性(帧大小、导频符号的使用、错误检测/校正符号及类似物)，但常常将需要成功地发射和接收至少数据符号导出的OTFS符号的80％或更多。在其中不存在导频符号或错误检测/校正符号的使用且不存在数据符号中的冗余的一些限制情形中，给定OTFS帧中的所有OTFS符号将需要成功地发射和接收。然而这种稳健性缺乏是不合意的，且通常将避免此稍后的情形。

图1示出了数据信道(100)的结构的抽象模型，其中至少一个无线发射器(102)、接收器(104)(发射器和接收器两者具有其自身的相应速度和位置)相对于至少一个无线反射器(106)而操作。每一无线反射器(106)将通常具有其自身的位置、无线反射和速度的各种系数(108)。这些发射器、接收器和反射器在数据信道中操作，所述数据信道在无线通信的实例中可为两个或三个空间维度(此处我们忽略大气压问题)以及一个时间维度。所述时间维度由速度箭头(108)例示，其指示在此实例中反射器(106)在移动。为了保持图简单，发射器和接收器展示为静止的，但实际上它们各自也可具有其自身的速度。

在本发明的较基本方面中，本发明可因此为使用至少一个发射器(102)和至少一个基于发射器的处理器来无线地发射多个符号作为多个OTFS符号(110)的方法。如先前论述，这些多个OTFS符号中的每一OTFS符号一般贯穿多个相互正交的时间卷积(或移位)和频率卷积(或移位)无线OTFS波形突发而扩展，此处其将表示为“原始发射的无线OTFS波形突发”。词“突发”既定指定经调制波形将具有有限的持续时间，通常为一秒的小分数。这些小持续时间突发可理解为具有次级功能，其稍微类似于回声定位和雷达中使用的小突发或线性调频脉冲；所述突发帮助接收器较好地区分各种反射器的相对位置，且一般辅助接收器端处的稍后信号解卷积。

随着这些无线OTFS波形突发行进(传播)通过多维数据信道(100)(例如，发射器(102)与接收器(104)之间的也包含任何反射器(106)的空间，原始发射的无线OTFS波形突发(110)一般在至少一个路径上行进。此至少一个路径将一般包括直接路径(112)和/或一或多个反射路径(114a、114b)。

因此直接路径(112)将一般通过原始发射的无线OTFS波形突发(110)在从所述至少一个无线发射器(102)到所述至少一个无线接收器(104)的一般直线(112)中行进而产生。这些将被称为“直接无线OTFS波形突发”。

类似地反射路径(114a、114b)将一般在原始发射的OTFS波形突发(114a)反射(114b)离开至少一个无线反射器(106)(其可以给定速度(108)移动)然后到达无线接收器(104)时产生。这些反射波形(114b)在此实例中将相对于直接无线OTFS波形突发(112)经时间延迟且经多普勒频率移位。因此这些经时间延迟且经多普勒频率移位的波形当在无线接收器(104)处接收时将被称为“经时间延迟且经多普勒频率移位的反射无线OTFS波形突发”(114b)。还请注意由于发射器(102)和接收器(104)的相对位置和速度，甚至直接波形(112)也可经时间延迟且经频率移位，但本论述中现在忽略此效应，因为主要问题是在接收器处，直接(112)和间接(114b)波形会合。因为它们具有不同的时间延迟和频率移位，所以它们将随后彼此进行相长和相消干涉，且这是目前的主要问题。当然更一般化地，也必须考虑直接路径时间延迟和频率移位。

返回到本实例，在无线接收器(104)处，基本上任何直接无线OTFS波形突发(112)和任何反射无线OTFS波形突发(114b)的所得组合将产生相长和相消干涉的模式(其可导致信道衰落及其它问题)。此组合将被称为“信道卷积OTFS波形突发”。

相长和相消干涉的这些模式可产生问题和衰落，无论正发射的无线波形的调制方案如何。现有技术仅尝试(使用各种统计方法)确定这些问题的可能性以随后配置系统设定，以使得无线系统可继续通信，但以较小程度的功能性通信。相比之下本发明技术教示了替代的方法。

现有技术例如将教示，由于来自反射信号(114b)的反射能量常常低于直接信号(112)，则一个(次优)解决方案将是减少接收器(104)的灵敏度且继续以较低水平的效率接收直接信号(112)。

替代地，如针对一些OFDM系统常常完成的那样，可通过在大量窄带OFDM副载波上分裂信息而减轻回声效应，每一副载波由相互正交的音调载运，但以相对慢的速率在每一副载波上发射信息。但这并未真的“解决问题”，仅减轻问题，因为每一OFDM副载波仍受反射信号影响，且因此必须仍以比最佳速率慢的速率操作。一些OFDM系统还尝试通过使用循环前缀类型波形而避免回波效应问题，这再进一步减慢了每一OFDM副载波的数据载运速率。

相比之下，本发明所公开的技术教示的内容更类似于以几乎正常水平的功能性继续操作，不管相长和相消干涉的这些模式如何。这是通过例如发送能够让接收器(104)分析中间反射器(106)的存在和性质的波形而完成。这又让接收器适配其操作以同样利用来自反射信号(114b)的无线能量。本质上，本发明的方法可指示接收器不削弱其灵敏度，而是期望一些反射信号(114b)类似于直接信号(112)，但偏移某一时间延迟和频率。

因此并非削弱接收器(104)的灵敏度，本发明实际上引导接收器以处理所接收信号，以用适当经调整的时间和频率移位信号(114b)补充直接信号(112)。这允许系统以几乎完全效率操作，且以有效地非衰落的确定性方式操作，因为来自发射器(102)的信号几乎从不丢失，仅取决于反射器(106)的位置和速度而变换成不同形式(例如，更多地变换成波形(114b)。

因此根据本文所揭示的方法的许多实施例，接收器(104)将接收这些信道卷积的OTFS波形突发(例如，112he 114b的任何组合)，且将通常使用其至少一个基于接收器的处理器来解卷积这些信道卷积OTFS波形突发。即，接收器将通过分析这些信号且应用至少适当时间延迟和频率校正而校正由例如信号(112)和(114b)的相长干涉造成的失真，以便允许接收器正确地分析信号(112)和(114b)。OTFS接收器(104)理解(112)和(114b)仅是同一信号的不同形式。接收器因此以确定性且一般防衰落的方式恰当地接收这些符号，即使在例如(106)的反射器的位置和或速度改变时也是如此。

在一些实施例中，此解卷积过程可通过使用至少一个处理器(常常为基于接收器的处理器)表征信道(100)的结构而完成。此处，举例来说，此至少一个处理器可用以自动确定无线发射器(102)与无线接收器(104)之间的此多维数据信道(100)的信道响应参数。

此处当然，如先前描述，多维数据信道(100)的“信道响应参数”是通过无线发射器(102)、无线接收器(104)和各种无线反射器(106)的至少相对位置、相对速度和性质或者通过其它非反射信号衰减器对象(未图示)而产生。基本上，信道响应参数允许接收器(104)例如了解在接收器(104)处接收的信号的x％是由于反射器(106)的速度(108)和位置而已经频率移位因数“y”且经时间移位因数“z”的信号(114b)；以及进一步知道(在此实例中)由接收器(104)接收的信号的其余部分是未经时间移位或经频率移位的直接信号(112)，不然就是至少在不同范围上经时间移位且经频率移位。这允许接收器本质上产生解卷积模型以“求解”原始信号(110)真实是什么样的。

换句话说，无线接收器(104)将确定信道响应参数(常常通过不久将描述的方法)且使用这些信道响应参数(且常常至少一个基于接收器的处理器)解卷积所接收的信道卷积OTFS波形突发(112和114b的组合)，且进而导出原始发射的OTFS波形突发(110)的至少近似。

常常在此解卷积过程完成之后，接收器也可使用至少一个处理器以随后从原始发射的OTFS波形突发(110)的基于接收器的近似以数学方式提取(例如，求解、确定)所述多个OTFS符号。出于这些目的，常常可使用申请案61/349,619、13/177,119、13/430,690以及美国专利8,547,988的基于矩阵数学的方法；以上全部申请案以全文引用的方式并入本文中。包含模拟方法、数值近似方法及类似方法的其它方法也可用于这些目的。一旦已经在接收器处通过任何方法确定各种OTFS符号，系统就将随后在无线发射器(102)到无线接收器(104)之间发射原始OTFS符号的至少一些。

除上文所论述的矩阵数学方法之外，也可以实践这些方法的替代变化。在一些实施例中，先前表达的(例如，申请案61/349,619、13/177,119、13/430,690以及美国专利8,547,988)用于以由NxN个数据符号矩阵组成的OTFS数据帧或数据平面的形式发射OTFS数据符号的偏好以及随后在接收器处通过反转发射的NxN矩阵而检索所发射数据符号，可以放松和/或由替代的方法补充。

替代的OTFS数据帧方法

在替代过程中，上文所描述的方法可通过扩展每一OTFS符号经过一系列N个时间卷积(或移位)和M个频率卷积(或移位)的相互正交波形突发而发射多个OTFS符号来实施。在此实施例中，N和M两者将再次各自为大于1的整数，且N不必等于M。此替代的方法因此以一或多个(常常多个)OTFS数据平面(此处平面和帧将常常可互换地使用)的形式封装OTFS符号，每一数据平面包括相互正交的时间卷积(或移位)和频率卷积(或移位)波形突发的N·M矩阵。此过程因此能够每OTFS数据平面发射多达n·m个不同OTFS符号。此处主要约束是至少在没有噪声或其它形式的数据损坏的存在下，每一OTFS数据平面必须原则上能够由至少一个处理器(通常为接收器处理器)分析(例如，求解)。此分析过程的结果应当是可以重构(例如，确定)任何给定OTFS数据平面中的所述多个多达N·M个不同OTFS符号中的每一OFTS符号。

OTFS数据平面的此替代的N·M矩形矩阵制订因此不同于较早的N·N(或NxN)OTFS数据平面，因为如果例如M>N，那么将存在可使用与N·N数据矩阵中的情况相比更大范围的时间移位或更大范围的频率移位进行发射的额外OTFS符号。额外OTFS符号可用以发射更有用的数据(例如，发射较大数据有效负载)，或替代地可用于其它目的。这些其它目的中的一些包含帮助系统实现较好的时间同步、较好的错误校正。此方法也可有用于其中信道上的时间延迟的问题大于多普勒频率移位的问题或者多普勒频率移位的问题大于时间延迟的问题以及在一个维度(例如，时间延迟或频移)中与另一维度(例如，时间延迟或频移)相比需要更大分辨率的情形。如下文将论述，在一些实施例中，额外的行或列或这两者也可以用以发射导频信号以帮助确定信道响应参数/解卷积参数。

另外存在若干不同方式来重构或确定每一OTFS符号。如先前论述，除申请案61/349,619、13/177,119、13/430,690以及美国专利8,547,988中先前论述的矩阵数学方法之外，还可允许其它方法，包含数值近似方法以及甚至模拟计算方法，但可使用处理器或数字信号处理器执行的一般数字操作是优选的。

获取或初始地表征数据信道响应参数

如先前论述，系统使用经设计以帮助阐明数据信道(100)的底层结构且在短突发(110)中发射的OTFS波形操作。OTFS接收器(104)一般经设计以监听OTFS波形(110)的这些各种短突发，且实际上利用OTFS波形中存在重复回声模式(例如，回声114b)和重复时间延迟模式(例如，由直接路径(112和间接路径114a+114b)之间的信号行进时间差异所导致)以及重复频率移位(例如，由反射器速度108以及发射器(102)、接收器(104)和反射器(106)之间的可能的速度差异所导致)的事实来推断数据信道的结构。

接收器不必做出关于数据信道中可能存在的每一和每个反射器的无线反射的所有位置、速度和系数的完全确定，且甚至可以不必做出无线发射器和接收器的确切相对位置和速度的完全确定。然而为了良好工作，接收器应当至少获得关于至少主要反射来源的足够信息以及关于各种时间延迟和频率移位的主要来源的足够信息，以便确定信道的信道响应参数。这些信道响应参数可被视为算子，其以模仿接收器检测到的实际信号失真的方式使原始OTFS信号突发(110)失真。本质上，信道响应参数可被视为数学模型，其希望合理地密切复制所述信道结构对原始OTFS无线波形所做的处理(在这些波形沿着各种信道路径行进到接收器时)。

在图1的情况下，如果接收器和发射器都是静止的，那么信道响应参数将简单地为原始OTFS波形的x％被延迟时间因数[(距离114a+距离114b-距离112)]/c，其中c是光速，以及根据反射器速度108的因数经多普勒频率移位。此处x％部分地随着反射器106的无线反射的系数而变。其它因数将还包含反射器(106)的相对定向、反射器106与发射器102之间的距离，以及根据反平方定律公式的发射器102与接收器104之间的相对距离。

然而应注意，由于我们加入例如接收器和发射器的相对位置和速度等额外变量，以及具有其自身的反射系数、速度和相对位置的其它反射器，信道响应参数随即变为极复杂的。然而因为OTFS无线信号经构造为具有时间延迟和频率偏移的重复模式，所以OTFS系统的独特能力在于OTFS波形可经结构化而含有足够信息以允许接收器得到现实情形中至少主要信号失真因数的信道响应参数的合理良好的估计。

一旦已经获得信道响应参数，则获得解卷积参数(在母代申请案先前中先前论述且再次以引用的方式并入本文中)的下一步骤可被视为基本上确定逆算子，其实际上将失真(例如，信道响应参数卷积)的OTFS信号解卷积或均衡回到原始OTFS波形的至少近似版本。本质上，如果信道响应参数是对OTFS波形造成伤害的不良双生体，那么解卷积参数是撤销所述伤害的良好双生体。数学上，所述两者类似于同一硬币的两面，一者是另一者的逆，且知道一者也允许推导出另一者。

在工程化术语中，信号解卷积常常称为“均衡”，且执行此均衡功能的装置(它们为硬件或在处理器上运行的软件)常常称为均衡器。

虽然严格来说任选的步骤在一些实施例中，可有用于通过以短暂且通常已知(例如，对发射器和接收器两者已知)校准输入信号来呈现信道而帮助确定通信信道的信道响应参数，所述校准输入信号例如为尖锐脉冲(例如，类似于脉冲8的Diracδ函数)或其它经界定符号或符号集合。在本发明中，这些经界定校准符号和信号将被称作“导频符号”和“导频信号”。

用以帮助确定信道响应参数/解卷积参数的导频信号

在一些实施例中，系统将使用至少一个发射器(通常使用至少一个基于发射器的处理器)在至少一个经界定时间和频率下以至少一个无线导频符号波形突发的形式发射(通常使用OTFS波形)至少一个导频符号。

应注意根据本发明，存在可能的两个一般类型的导频符号。在本发明的一个形式或实施例中，导频符号虽然根据与OTFS数据符号相同的时序、频率范围和一般频谱时序发射，但仍不经受在发射器处在所有发射符号上且在多个时间和频率组合上散布或分布导频符号的一般OTFS数据符号要求。这是本文一般论述的实施例。这些OTFS导频符号(或当发射时的波形)可能在替代命名法中可称为“OTFS相关联导频符号”。

然而，本发明的第二形式或实施例也是可能的，其中系统以与所述系统处置数据符号的相同方式处置至少一些导频符号，其中发射器以与OTFS数据符号相同的方式在多个时间和频率上散布或分布至少一些导频符号。实际上可能甚至关于OTFS数据符号散布或分布这些OTFS导频符号。虽然此稍后方法在本发明中较不通常论述，但此替代的方法具有某些实用性，且因此也可以用于本发明的一些实施例。在此第二实施例中，在替代的命名法中，导频符号可称为“OTFS经编码导频符号”或“OTFS经调制导频符号”。

然而大体上，本文的大多数论述将集中于“OTFS相关联导频符号”，且除非另外规定，否则本文论述的导频符号和波形将一般为OTFS相关联导频符号。

在此方案中，至少一个无线导频符号波形突发(例如，110)的直接(例如，112)和反射版本(例如，114b)到达至少一个无线接收器(104)作为至少一个信道卷积导频符号波形突发(例如，110和114b的混合物)。

图2和3中示出这些导频符号波形突发的一个实施例的实例，此处在N-M OTFS数据帧内(此处绘示6x10)。此处白色圆可表示具有零能量的OTFS时间和频率区间，而较暗的圆可表示OTFS时间和频率区间，其中导频符号或其它OTFS能量和数据在这些OTFS时间和频率区间中发射。

在图2(200)中，发射器(102)在时间零处且以零OTFS频移和零多普勒移位(相对于一些标准化基频)发射一个原始导频符号突发(202)。如先前论述，取决于发射器(102)与接收器(104)之间的距离，来自此原始导频符号突发(110、202)的一些能量可在稍后时间“t”经由路径(112)直接行进到接收器(104)。然而来自原始导频符号突发(110、202)的一些能量还可反射离开移动反射器(106)。因为这些波形行进较长距离到达接收器(114a+114b)，所以反射波形在稍后时间到达。因为在此实例中，反射器(106)也在以速度(108)移动，所以反射波形在它们(208)到达接收器(104)的时间之前也经频率移位。由接收器(104)检测到的所得信道卷积导频符号波形因此表示为直接波形(112、206)以及进一步经时间延迟且经频率移位反射波形(114b、208)的组合。

然而，如果附近的OTFS时间和频率区间保持清空(即发射零信号或已知参考信号)，那么接收器上的确定信道响应参数和对应解卷积参数的计算负担极大地减少(简化)。这是因为具有未预期信号能量的每一OTFS时间频率区间可由接收器假定为信道的结构的某方面的结果，且接收器也可假定在至少短时间周期(在反射器106移动的情况下可能仅一秒的分数)中，在所有OTFS时间频率区间中的所有信号将失真相同量。

相比之下，如果如图2中的情况发射器在所有OTFS时间和频率区间上发射无内容但未知(对接收器)的OTFS符号，则考虑接收器(例如，接收器处理器)上的负担(210)。因此，接收器(104)将也在所有OTFS时间和频率区间上接收无内容但进一步未知(直到被解卷积且求解)的信道卷积的OTFS符号(212)。这极大地减少接收器处理器可做出的简化假设的数目，且计算负担因此对应地较大。其仍可能可行(实际上例如13/430,690等较早专利申请先前论述了做到这一点的方式)，但问题更复杂且错误的可能性对应地较大。

因此根据本发明的至少一些实施例，发射器可发射已知导频符号(在附近或邻接OTFS时间频率区间常常伴随有已知或零能量OTFS波形信号)。在此情形下，随后至少一个无线接收器(104)可接收此至少一个信道卷积导频符号波形突发(例如，206和208，再次由直接信号112和反射信号114b的组合形成)，且使用至少一个处理器(标称为基于接收器的处理器)解卷积此至少一个信道卷积导频符号波形突发。

(通常基于接收器)处理器可随后自动确定至少一个无线发射器(102)与至少一个无线接收器(104)之间和周围(例如，连接)的多维数据信道(100)的信道响应参数。

接收器可随后假定这些信道响应参数将在至少某个时间周期(至少一秒的分数)中稳定，使用这些信道响应参数计算对应解卷积参数，且因此实际上使用这些信道响应参数(或对应解卷积参数)进一步解卷积这些和其它所接收信道卷积OTFS波形突发。

因此考虑图3。在此图中，N·M矩阵(300)的部分(302)已由发射器和接收器保留用于导频符号和一些周围的清空OTFS时间和频率区间，且部分(304)(此处为正方形6x6矩阵)已保留用于发射标准OTFS数据符号。因此发射器(102)发射处于经界定OTFS时间和频率区间的导频信号(306)，以及处于多个不同时间和频率区间(304)的正常OTFS数据符号的6x6矩阵。OTFS信号(110)随后根据如前所述的路径112以及114a和114b传输通过数据信道(100)，且这些信号的卷积形式(310)因此由接收器(104)接收。

然而此处，接收器(104)可首先通过分析信道卷积导频符号波形突发(例如，316和318，再次由直接信号112和反射信号114b的组合形成)而求解导频符号信道卷积参数。

处理器可确定适当解卷积参数，并且然后将其应用于所接收OTFS信号的其余部分(314)。

错误检测方法

在一些实施例中，实施一或多个不同错误校正方法也可以是合意的。此处举例来说，发射的OTFS符号中的至少一些可为错误检测或错误校正和校正OTFS符号。此处可使用各种错误检测方案，其可为极简单的校验位，但常常将为还能够进行至少某种程度的冗余和错误校正的更复杂的错误检测代码。这些方案可包含具有错误校正码(ECC)的前向错误校正(FEC)码、具有自动重复请求(ARQ)的后向错误检测方案及类似物。也可使用各种方案，例如校验和、散列函数、循环冗余校验，以及例如混合ARQ(例如，各种ARQ和FEC码的组合)等混合错误方案。也可以使用例如Reed-Solomon码、Turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC)和其它方案等方法。

通常发射器(102)将使用其发射器处理器来分析即将发射的数据，且发射作为OTFS符号的数据，还包含各种错误校正OTFS符号。接收器将常常使用至少一个接收器处理器以在已经接收各种发射OTFS符号中的至少一些之后，使用错误检测或错误校正OTFS符号来例如检测OTFS符号发射错误何时超出预定最大可接受错误水平。通常，此高错误水平(例如，超出预定最大可接受错误水平)可视为信道响应参数(和对应解卷积参数)已变为次优的指示符。

考虑举例来说图1，其中移动的反射器(106)可能由于其速度(108)而随时间改变位置。根据在图2和3中说明的方案，系统可具有原始(可能仅早几秒或一秒的分数)发射的一或多个导频符号(202、306)，可能已充分地表征在较早时间点的多维数据信道(100)的信道响应参数(例如，由206、208或316、318确定)。然而现在，可能仅几秒或一秒的分数之后，反射器(106)可能已改变位置或速度足够多，以使得较早的信道响应参数(例如，如由206、208或316、318确定)不再准确。这将出现的第一方式中的一者是当系统的错误检测/错误校正方案报告错误检测或错误校正OTFS码中的错误现在报告错误开始超过预设限制的时候。

接收器可使用此信息随后确定信道响应参数现在是次优的。各种类型的校正动作是可能的。接收器(104)自身无需进一步与发射器(102)通信，可独自尝试重新计算信道响应参数且寻找具有减少量的错误的替代参数集合。替代地或另外，接收器(104)也可将请求发射到发射器(102)以发射一或多个新导频符号(例如，刷新图2到3中先前所示的过程)，这将允许接收器再次计算更适合于反射器(106)的当前位置和速度的信道响应参数(和对应解卷积参数)的新集合。作为又一方案，接收器(104)也可将其信道响应参数的当前集合(具有或不具有接收器的错误码结果)发射到发射器(102)。发射器又可随后利用何种接收器正在检测的知识(例如，接收器信道响应参数和相关联错误)来同样改变发射器OTFS调制方案或其它变量(例如，MIMO天线配置、突发特性、错误码、极化，以及将论述的其它方案)。

在此稍后情况中，假设由于反射器(106)的特定位置或速度，发现某些OTFS时间延迟或频率移位或时间延迟或频率移位的组合不寻常地良好或不寻常地差。发射器可利用接收器发射的信道响应参数和对应错误码来选择OTFS时间移位和频率移位的各种组合，以避免各种时间移位和频率移位的成问题的组合或替代地促进各种时间移位和频率移位的不寻常地良好(例如，减少干扰)组合。

在任一情况下，在这些实施例中的至少一些中，错误码可用以自动告知接收器或发射器或发射器和接收器两者信道响应参数是次优的，且起始各种类型的校正动作，例如上文所论述的动作。

替代地和或另外，错误检测或错误校正码也可由接收器使用(通常使用至少一个接收器处理器)以使用错误检测或错误校正OTFS符号来自动校正其它OTFS符号中的错误。

不同OTFS突发类型和数据帧类型的交错

OTFS系统部分地通过回声位置的经修改形式而操作，其使用OTFS波形的突发来更好地表征数据信道的结构，且更好地估计信道响应参数和对应解卷积参数。此处将更详细论述各种OTFS无线波形突发的时长的一些方面，以及可将OTFS符号封装到各种数据帧中用于后续发射的各种方式。

一般说来，所述多个相互正交的经时间移位且经频率移位无线OTFS波形突发常常可由系统改变且选择(常常由发射器的处理器自动进行，有时使用从接收器获得的信息)。可选择OTFS波形突发的一些方式可包含系统的所需等待时间(例如，系统可在发射器与接收器之间发射有用数据有多快)、分配给OTFS波形的带宽(此处，例如美国联邦通信委员会(FCC)等政府机构允许的带宽的监管考虑可高度相关)。如先前论述，也可以根据观测或预期的信道响应参数而改变OTFS波形。

此处不一定存在“一体适用”准则，且甚至在同一发射器(102)与同一接收器(104)之间的通信会话内，可根据选择标准的第一集合发射一些OTFS符号，同时可根据选择标准的不同集合发射其它OTFS符号。

举例来说，在一些实施例中，所述多个相互正交的经时间移位且经频率移位无线OTFS波形突发的特征可在于突发时间持续时间βt，其可根据各种因数而变化，例如所需发射等待时间和/或所述通信信道中的反射器的空间分布。举例来说，如果等待时间不是问题，且通信信道中存在相对少的反射器(106)，那么可能需要选择较长突发持续时间，因为具有时间长度βt的每一突发之间将通常为一些安静时间δt，其中发射极少数据或不发射数据。因此挑选较长突发可帮助最小化安静时间δt。

替代地如果数据信道中存在大量反射器(106)，或如果较低等待时间是优选的，那么可更重要的是使用短突发时间βt来帮助系统更好地表征信道响应参数，即使以位/秒计的总体数据发射速率可能较低也是如此。

类似地也可改变突发的频率带宽(例如，突发频率带宽)δf。除根据政府法规和商业考虑改变此情形之外，也可以由系统(常常自动)根据因数改变突发频率带宽，所述因数例如通信信道中的各种接收器、发射器和反射器的速度和位置的预期或观测分配。

请谨记每一OTFS突发将包括多个经时间移位且经频率移位的OTFS波形。增加OTFS信号突发中的经频率移位波形的范围(且因此频率带宽δf)将改善系统检测和响应于发射器、接收器和反射器的较大范围的速度的能力。例如针对仅地面使用而优化的极受限OTFS系统可能仅使用某一范围的频率移位，其经设计以适应由大约0到+/-100英里/小时的速度造成的多普勒移位。其可能有意地经设计以不考虑以+/-600+/小时速度行进的快速飞行的飞机(充当发射器、接收器或反射器)造成的多普勒移位。

类似地针对乡村使用而优化的OTFS系统可能经设计以适应发射器、接收器与反射器之间的长得多的距离和(施加时间延迟的对应范围的光速)(例如，10英里、20英里、30英里或更长)。此处，反射器的密度较低，且涉及的时间移位(由于光速)将较高。优化此情形的一种方式可以是使用在较长时间范围上扩展的较小数目的频率移位(由于此数据信道结构中涉及的长距离而需要)，或采用突发之间的较长时间间隔以使得可恰当地检测和分析来自遥远接收器、发射器和反射器的经延迟信号和回声。

相比之下，针对城市使用优化的OTFS系统可经设计以适应高密度的反射器(例如，每城市街区许多建筑物)以及发射器与接收器之间的较短信号路径长度(例如，1、2、3英里)和反射器。此处突发可能使用大量的较短时间移位(这可给予系统在小间距反射器之间进行区别的较大能力)，但突发之间的分离时间可较短，因为长距离操作的需要较少。

另外，每突发发射的OTFS数据符号的数目也可由系统改变。发射的OTFS符号的数目例如可根据βt和/或δf而变化。此处再次，系统可根据各种考虑而选择(再次常常自动地使用至少一个处理器和合适的软件)βt和/或δf突发特性，所述考虑包含信道响应参数、所需发射等待时间以及每突发将发射的OTFS数据符号的所需数目。

多输入多输出(MIMO)天线方案

MIMO(例如，各种多输入多输出()天线方案)已经用于无线通信方法，多年来常常用于各种波束成形目的。基本概念是使用空间分离的发射天线、接收天线或这两者的阵列在优选方向上引导无线信号(例如，在接收器或发射器的方向上聚集更多无线能量)。

一些现有技术方法也依赖于接收器与发射器之间和周围(例如，连接)的信道状态信息的某种知识。此处举例来说，如果接收器已知(通过任何方法)位于某一方向，那么发射器可经预编码以在接收器的方向上形成其波束。

先前论述的OTFS概念一般与各种MIMO天线配置和方案高度兼容，且实际上当与MIMO组合时可用以实现比先前单独使用现有技术无线通信调制方案和MIMO方案可能的情况更高水平的性能。

因为如先前论述，OTFS方法允许常常随时间而变极精确地确定数据信道的底层结构及其对信道响应参数的对应影响；此信道响应参数数据可与MIMO方法组合以极大地增强系统的能力。

使用MIMO来使OTFS无线波形的空间分布成形

图4示出了图1(100)中先前示出的抽象多维数据信道模型(400)的更复杂的版本。此处发射器(102m)现在是具有四个空间分离天线的MIMO发射器，其发射多个OTFS符号作为多个OTFS波形，其中一个波形集合(110a、110b、110c、110d)是来自每一天线(110a、110b、110c、110d)。此处OTFS MIMO发射器已经配置以在定相布置中发射所述四个波形集合以形成优先在接收器(104)的方向上引导无线OTFS波形的波束(402a)。以速度(108)移动的无线反射器(106)按照图1保持，直接路径(112a)和一或多个反射路径(114a、114b)也一样。

然而，不同于图1，假定第二反射器(反射器2)(406a)在方向(408)上移动，其将最终(但尚未)阻挡MIMO发射器与接收器(104)之间的直接路径(112a)；或替代地假定MIMO发射器(102m)或接收器(104)在反射器2(406a)的方向上移动以便再次最终使反射器2阻挡直接路径112a(但尚未)。

在图4中，如果OTFS系统根据先前图2和3中论述的方法使用导频信号，那么假定反射器2仍太远离而无法对系统做出任何实质影响，则由接收器(104)检测的所得信道卷积导频符号波形可按照图2和3仍可表示为直接波形(112a、416)和经时间延迟且经频率移位的反射波形(114b、418)的组合。此处，可能由于MIMO波束成形，(418)的强度可比图1和3中低一位，但另外所述情形与先前图1以及图2和3中示出的一样多。

那么在此配置中，至少一个无线发射器(此处102m)和/或无线接收器(104或图6的104m)具有定位于一般在无线发射器或无线接收器的位置上或附近的不同位置处的多个天线。此处假定这些多个天线共享与其相应无线发射器或无线接收器相同的速度。

除标准MIMO功能性之外，系统还可通过例如使用这些多个天线进行新颖的MIMO功能而执行增强OTFS MIMO功能性。

举例来说，系统可使用先前描述的方法(例如，导频符号突发及类似物)以确定多维数据信道(400)的信道响应参数。举例来说，接收器(104)可将其观测的信道响应参数(例如，从416、418获得)发射回到发射器(102m)，且发射器(102m)可使用这些来进一步引导其MIMO天线(110a到110d)以根据MIMO成形波束402a沿着直接路径(112a)发送更多无线能量。替代地如果接收器(104)是接收器，那么接收器也可使用其多个天线以沿着直接路径(112a)的方向具有较高灵敏度。

在任一情况下，OTFS MIMO系统可使用信道响应参数以使发射或接收的无线波形突发的至少空间分布成形。

为了真实了解OTFS技术可如何用以增强MIMO(且与MIMO良好协同作用)，现在考虑OTFS MIMO系统可如何在图5中示出的不同情形中操作。

在图5中，现在第二反射器(现在称为406b)已移动而阻挡MIMO发射器(102m)与接收器(104)之间的直接路径(112a)，或替代地MIMO发射器(102m)或接收器(104)已移动以使得反射器(406b)现在阻挡发射器(102m)与接收器(104)之间的直接路径(112a)。仅有的路径或至少保持开放的主路径是路径(114a、114b)，其中来自MIMO发射器(104m)的信号现在反射离开反射器1(106)，且由于反射器1的速度(108)而经时间延迟且经多普勒频率移位。

应注意如先前针对图2和3论述，多维数据信道(400)的结构中的这些改变可极智能地使用OTFS方法进行分析。举例来说，OTFS导频符号突发技术将示出在较早对应于直接路径(112、112a)的OTFS时移和频移区间(316)处现在几乎不接收能量；然而仍存在根据经时间延迟且经频率移位反射波形(114b、318)正接收的相对强OTFS信号。这些方法的灵敏度可通过使用各种错误码和错误检测阈值以在特定路径上的完全信号丢失很早之前检测到问题而进一步改善。

此处OTFS系统可以各种方式使用来自这些信道卷积导频符号波形的信息。在一个实施例中，接收器(104)可再次将其观测的信道响应参数(例如，由316、318确定)发射到MIMO发射器(104m)，且MIMO发射器(104m)(常常在使用发射器处理器对信道响应参数的合适分析之后)可随后引导MIMO天线(110a、110b、110c、110d)和OTFS波形以使波束(402b)的方向移位以现在促进从反射器(106)的反射以及间接路径(114a、114b)的使用。

替代地，如图6中示出，如果接收器(104m)是具有其自身的多个天线的集合的MIMO接收器，那么接收器(104m)(通常由至少一个接收器处理器控制)可自身直接分析信道响应参数，且配置其自身的接收器MIMO天线(600)以在朝向反射器1(106)和间接路径(114b)的方向上具有优先灵敏度(602)。当然如果接收器和发射器都具有MIMO天线且都使用MIMO方法以形成无线发射的最佳波束和无线接收的最佳方向，那么可获得甚至更好的结果。

一旦如错误检测技术、信道响应参数技术、导频信号及类似技术的各种组合所检测，干扰反射器2(406b)移动离开适当位置(且这可仅为几秒之后或甚至更快)，则系统可随后动态地重新配置自身回到图4中所示的较早配置或最适当的其它配置。实际上，通过常常响应于信道响应参数的改变而每秒多次连续地重新配置自身，OTFS系统可采取有效步骤以防止信号衰落，且尝试确保在宽范围的不利且恒定改变的信道结构上的高质量信号获取。在同时，因为系统具有关于信道响应参数和多维数据询问的结构的连续高质量知识，所以可减小或消除使用较不令人满意的现有技术统计方法的需要。

来自不同MIMO天线的不同流

在一些实施例中，另外或替代于使用MIMO用于波束成形应用，OTFS系统的不同MIMO天线中的至少一些可以用于常常以同时的基础发射和/或接收不同的OTFS波形突发。这些方法可用以发送OTFS系统的能力以便在给定时间周期上发送更多数据。

此方法的一个自然应用可例如为与多个OTFS装备的蜂窝式电话通信的OTFS蜂窝式电话塔(例如，小区位点、小区塔、基站收发器台、基站、基站位点及类似物)。在此具体实例中，蜂窝式电话塔可具有多个天线，然而OTFS装备的手机(例如手持式手机)中的至少一些可具有仅一个天线，而其它OTFS装备的手机(例如安装在交通工具中的手机)也可以是其自身具有多个天线的MIMO装置。

在此实施例中，一般无线发射器和/或无线接收器将具有多个天线(因此MIMO指定)。这些各种多个MIMO天线中的至少一些将定位于无线发射器和/或接收器上或附近的不同位置处。这些多个MIMO天线将具有其相应相关联无线发射器或无线接收器的相同速度。

这些多个天线(在发射器或接收器处)可进一步划分成至少天线的第一子集和天线的第二子集。此处系统经配置以使得多个天线的第一子集发射或接收无线OTFS波形突发的第一集合，且天线的第二子集可(常常同时)发射或接收OTFS波形突发的第二集合。无线OTFS波形突发的第一集合将通常不同于无线OTFS波形突发的第二集合。

应注意此稍后方法仍可与先前论述的MIMO波束成形方法兼容。举例来说，考虑与两个不同远程OTFS蜂窝式电话通信的具有八个天线的OTFS蜂窝式电话塔。OTFS蜂窝式电话塔可例如一次性分割其天线中的四个以使用MIMO波束成形技术使用无线OTFS波形突发的第一集合与第一OTFS蜂窝式电话通信，同时分割四个天线的不同集合以同时使用MIMO波束成形技术使用无线OTFS波形突发的第二集合与第二OTFS蜂窝式电话通信。同一蜂窝式电话塔可能在几秒之后动态地重新配置其MIMO天线以随后通过向每一不同OTFS蜂窝式电话分配一个MIMO天线而同时与八个不同OTFS蜂窝式电话对话，依此类推。

同样在本申请案中，确定信道响应参数、错误检测及校正及类似物的各种OTFS概念可进一步由MIMO OTFS发射器和/或MIMO OTFS接收器使用以智能地优化MIMO天线、OTFS时间移位、OTFS频率移位、OTFS突发长度、OTFS突发带宽及类似物的分配以带来最佳组合以处置当前的特定情形。

MIMO全双工操作

本文所揭示的OTFS概念可用于单向通信(仅单向)、半双工通信(例如，在两个方向上的通信，但每次仅一个方向)，以及全双工通信(例如，同时在两个方向上的通信)。此处我们将进一步详细论述一些全双工实施例。

在一个全双工操作实施例中，无线发射器和无线接收器的至少一个集合在第一全双工装置中经配置，且无线发射器和无线接收器的至少一个集合在第二全双工装置中经配置。

此处至少第一双工装置(例如，蜂窝式电话塔)是MIMO装置，其具有定位于所述第一全双工装置上或附近的不同位置处的多个天线(例如，蜂窝式电话塔可具有多个天线)。这些多个MIMO天线将常常共享此第一全双工装置的相同速度(例如，如果蜂窝式电话塔静止，那么通常MIMO天线静止)。

然而应注意在替代实施例中，也预期其它MIMO天线配置，其中MIMO天线可具有其自身的移动，例如旋转天线及类似物。然而在本论述中，我们将集中于“静止”实施例(例如，共享与其相关联发射器/接收器相同的速度的MIMO天线)。

此处，第一双工装置的无线发射器和无线接收器各自耦合到第一双工装置MIMO天线(多个天线)中的至少一些。第一全双工装置将进一步经配置(通常在具有合适软件的处理器控制下)以自动控制其多个(MIMO)天线与其无线发射器和无线接收器之间的耦合，以便减轻装置自身的无线发射器与无线接收器之间的干扰。

这是重要的，因为第一装置的发射器和接收器常常将同时向第二全双工装置进行发射且从其进行接收。因此第一装置的发射器干扰(例如，具有串扰)第一装置的接收器是不合意的。然而虽然此“串扰”是不合意的，但例如通过降低第一全双工装置接收器的灵敏度以最小化“串扰”而减轻串扰的简单方法也将具有同样降低第一全双工装置接收器从外部发射器(例如第二全双工装置发射器)拾取信号的灵敏度的不合意影响。

因此问题是以下中的一者：最小化串扰，同时也在接收来自第二全双工装置的发射器的发射时优化第一装置的接收器的灵敏度。根据本发明，这些问题可通过各种方法解决，包含：

通过布置第一全双工装置的多个(MIMO)天线的位置的分配而控制发射与接收天线之间的耦合。举例来说，这可通过使接收天线定位更远离发射天线、在发射天线与接收天线之间和周围(连接)分散发射天线与其它MIMO天线或其它结构而完成。

替代地或另外，通过控制(通过动态重新配置，或者连续地操作电组件)第一全双工装置的多个(MIMO)天线与第一全双工装置无线发射器或接收器中的至少一者之间的射频(RF)或电耦合而控制发射与接收天线之间的耦合。

或作为第三替代例，替代地或另外放大且数字化去往和来自第一全双工装置的多个(MIMO)天线的RF信号，且使用至少一个处理器(例如，数字信号处理器)来以数字方式减轻发射与接收天线之间的干扰/串扰。

此处举例来说，当发射器在全双工装置中发射时，发射器与接收器之间不仅存在潜在直接路径，而且也存在也可贡献于干扰/串扰的各种间接路径，例如从附近结构的回声反射。此处本发明的OTFS方法也可用以监视这些各种回声反射的状态。因此根据本发明的一些全双工实施例，OTFS方法导出的信道响应参数和均衡方法可用于以数字方式减轻发射与接收天线之间的干扰/串扰。在一些实施例中，此数字减轻可通过使用OTFS方法导出的信道响应参数来配置均衡器而完成，所述均衡器经配置以针对由来自发射器的干扰/串扰造成的失真而校正所接收信号。

替代地或另外，通过OTFS方法获得的信道响应参数信息可由OTFS发射器使用以帮助减轻造成串扰的更麻烦的回声反射中的至少一些。此处发射与接收天线之间的干扰/串扰的数字减轻可通过使用OTFS导出的信道响应参数以用减轻更麻烦的造成干扰/串扰的至少一些回声反射的方式“预编码”OTFS发射器发射来完成。

因此，在此稍后实施例中，无线发射器和无线接收器中的至少一者将经配置为第一全双工装置，且无线发射器和无线接收器中的至少一者将经配置为第二全双工装置。对于这些装置中的至少一者，例如至少第一全双工装置，此装置(除上文所论述的其它技术之外)也可使用OTFS方法来帮助进一步控制其自身的无线发射器与无线接收器之间的耦合(串扰)且减轻其间的干扰。同时，此第一装置仍可向第二全双工装置进行发射，且针对来自第二装置的发射器的信号维持第一装置的接收器灵敏度。此处如前所述，想法是通过另外或替代于获得第一装置与第二装置之间的信道响应参数，还使用OTFS方法来获得“自信道响应参数”而控制此耦合(串扰)。这些“自信道响应参数”是在第一装置的无线发射器与第一装置的自身无线接收器之间行进的OTFS波形突发的信道响应参数。一旦获得此参数，第一装置就例如可基本上执行“自均衡”或“自预编码”)且使用其至少一个处理器和自信道响应参数以数字方式减轻此耦合(串扰、干扰)。

使用极化OTFS波形用于改进的信道响应参数确定

所有电磁波，包含用于本发明OTFS通信目的的无线(例如，无线电)波，在某一程度上经极化，但常常各种极化方向是非相干的且因此无线波的净极化可最小。

然而一个感兴趣且有用的方面是当极化电磁波(无线信号)反射离开各种表面时，取决于反射的表面性质以及例如情形的几何形状(例如，入射和反射的各种角度)等其它因数，反射无线信号的极化可不同于传入无线信号的极化。

在本文所揭示的OTFS技术的情况下，事实是可通过不同反射材料更改极化且可进一步采用不同的反射几何形状以提供关于多维数据信道的结构的更多信息，且提供关于多维数据信道的信道响应参数的更多信息。

在此极化增强实施例中，OTFS发射器(例如，102)根据至少一个极化方向发射经极化原始发射的OTFS波形突发。然而此处，假定各种无线反射器(例如，106)中的至少一些也是更改极化的无线反射器，其更改各种经时间延迟且经多普勒频率移位的反射无线OTFS波形突发的极化。通常此极化更改将是根据第一反射器极化算子。因为此极化更改也对发射器、接收器以及可能其它反射器的相对角度敏感，所以在一些实施例中，此算子可为极化张量，但为简单和一般性起见，我们将此称为第一反射器极化算子。

在此极化增强实施例中，OTFS接收器(例如，104)可进一步经配置以检测所接收卷积OTFS波形突发中的极化的各种方向。应注意此极化可能不是贯穿所接收突发为均匀的，但可取决于数据信道的结构而在突发的一些频率区和时间区中变化。

因此，当原始发射的OTFS波形突发反射离开所述一个无线反射器时，原始发射的OTFS波形突发中的至少一些也可以根据(例如)此第一反射器极化算子而经极化移位。

OTFS接收器可随后经配置以进一步检测所接收信道卷积OTFS波形突发中的极化的方向，并且进一步使用此极化信息以进一步确定多维数据信道的信道响应参数。

实际上，极化改变可用以增强各种反射器之间的对比度。在其中通常存在多个反射器的大多数现实情形中，在其之间进行区别会是麻烦的(即使使用OTFS技术)。极化方法使得OTFS系统更容易区别不同的反射器，且又构造信道响应参数的较准确(例如，更真实的)模型。

这又可允许较好地解卷积接收到的信号。

使用位置确定技术检索先前存储的信道响应参数

在许多情形中，例如城市环境，几乎所有主要反射器的位置将趋于常常在数日、数周、数月且有时甚至数年的时间周期中相对静止。举例来说，考虑一个城市。虽然交通工具可移动，但主要反射器(例如，建筑物、桥梁、其它人造结构)的位置将根本不会快速改变。实际上，常常根本不会发生，直到建筑物被施工或拆毁。

另一因数是常常至少相对于小区塔或无线发射器和接收器的其它基础结构源，甚至小区塔(102)将趋于在长时间周期中保持在适当的位置，例如一年或甚至更久的时间。

本发明的此实施例因此是基于以下认识：忽略交通工具(其当相比于建筑物时常常是相对较小的无线反射器)，因此可行的是构造特定环境的信道响应参数如何随OTFS基站(其常常将在固定位置中，此处假定102m是基站)的位置以及OTFS接收器或收发器(104)或其它OTFS移动装置(例如，OTFS移动发射器、收发器及类似物)的位置而变化的“地图”(例如，带位置索引的计算机数据库)。

如果此信道响应参数的地图存储在计算机数据库(其可位于OTFS发射器、OTFS接收器上或远程定位)，那么移动OTFS装置(104)可通过任何方式(包含自动利用全球定位信号(GPS)、内部导航技术、无线电源的三角测量、已知本地WiFi热点的身份及类似方式)确定其当前位置，并且然后使用其处理器根据移动OTFS装置的当前位置来查找先前存储的信道响应参数。

类似地如果静止小区塔(102m)知道移动OTFS装置(104)的位置，那么静止小区塔(102m)也可在计算机数据库(信道响应参数地图)中查找移动OTFS装置的可能信道响应参数。

因此使用此方案，即使移动OTFS装置(104)与例如静止小区塔(102)等另一OTFS装置之间的通信的第一突发也可以两端上的合理地经优化信道响应参数开始。系统可随着时间过去而进一步优化(例如，以忽略移动反射器的初始模型[信道响应参数集合]开始，并且然后在改进的信道响应参数的稍后更精炼集合中稍后添加移动反射器)。

虽然为了理解概念，以上初始论述使用静止小区塔的实例，但原则上(但更复杂)，也可构造且按需要使用更复杂的多维信道响应参数地图(通过两个或更多个OTFS装置的位置编索引的带位置索引的计算机数据库)。

替代地，在一些实施例中，OTFS系统可通过进一步创建在发射器和接收器位置处的多维数据信道的信道响应参数的地图数据库而操作。系统可随后确定至少一个无线发射器和至少一个无线接收器的位置，且使用这些位置自动搜索(为此目的通常使用处理器)此地图数据库且在这些位置检索多维数据信道的至少一些信道响应参数。这些信道响应参数可随后用于OTFS通信目的。举例来说，地图获得的信道响应参数可用以初始化或“自举”过程，并且然后在通信会话期间由实时获得的信道响应参数补充。

举例来说，考虑移动OTFS手机(例如，104)远离(例如，在极端范围)其OTFS小区塔(102)而定位。如果范围太远，那么即使OTFS方法也将最终失败，因为手机(104)和塔(102)无法彼此锁定。然而通过使用地图获得的信道响应参数，初始“获得锁定”OTFS信号交换信道响应参数可用以优化信号而足以开始至少获得通信。随后可跟随进一步优化。

操作OTFS发射器的方法

将显而易见的是本文所描述的应用于无线OTFS发射器、无线OTFS接收器的各种方法和系统以及其中无线OTFS接收器和无线OTFS发射器可协作以改善发射器之间的信号发射的方法，因此当然也应用于操作一或多个OTFS无线发射器的方法以及操作一或多个OTFS无线接收器的方法。

一般来说，在发射器层级处，本发明因此涵盖配置、构造和操作一或多个OTFS无线发射器装置以及OTFS无线发射器装置本身的各种方法。

作为共同特性，随后可根据先前所描述的实施例而延伸且详细说明的基本发射器方法是操作至少一个OTFS无线发射器装置的方法。所述无线发射器可为软件配置的无线发射器(例如，从/DSP构造，合适的发射器处理器，以及根据Harris的方法或其它方法的发射器)。如前所述，这些各种OTFS无线发射器装置将具有其相应位置和速度，且各自将通常经配置以自动无线地发射各种符号通过空间(例如，多维数据信道，具有其相关联无线反射器，和信道响应参数)到达一或多个无线OTFS接收器装置。这些无线OTFS接收器也将各自具有其自身的相应位置和速度。

更具体来说，如先前论述，OTFS发射器装置将一般包括至少一个处理器(常常一或多个微处理器或数字信号处理器)、存储器以及至少一个处理器控制的无线发射器组件，其经配置以在多个频率同时发射多个无线信号。如先前论述，处理器和发射器常常经配置以扩展所述多个OTFS符号中的每一OTFS符号贯穿多个相互正交的经时间移位且经频率移位的无线OTFS波形突发，并且然后使用天线来发射这些突发。在一些实施例中，发射器可进一步发射各种错误检测/校正符号、导频信号、极化方案，且使用各种MIMO方法和先前描述的其它方法。发射器还可进一步改变OTFS时间移位和频率移位的范围、突发长度的持续时间、突发带宽，以及如先前所描述的其它特性。常常发射器可具有一或多个相关联无线接收器，其可为OTFS无线接收器或其它类型无线接收器，其经配置以接收源自与遥远的OTFS接收器装置结合而操作的其它OTFS发射器的信号，且使用从这些其它OTFS发射器获得的信息来调整先前描述的发射器操作的各种方面。

因此基本发射器方案可随后由本发明中先前描述的各种方法的各种组合与排列补充。

操作OTFS接收器的方法

类似地，还应当显而易见本文所描述的应用于无线OTFS发射器、无线OTFS接收器的各种方法和系统以及其中无线OTFS接收器和无线OTFS发射器可协作以改善发射器之间的信号发射的方法，因此当然也应用于操作一或多个OTFS无线接收器以及接收器装置本身的方法。

一般来说，在接收器层级，本发明因此涵盖设计、配置、构造和操作一或多个OTFS无线接收器装置的各种方法。

作为共同特性，也可随后根据先前所描述的实施例而延伸且详细说明的基本接收器方法可为操作至少一个OTFS无线接收器装置的方法。如前所述，这些接收器装置将一般各自具有其自身的相应装置位置和速度，且也将一般经配置以自动无线接收从先前描述的OTFS无线发射器装置(其当然具有其自身的各种位置和速度)中的一或多者通过多维数据信道发射的多个符号。OTFS接收器将随后在波形已经通过先前描述的反射器(其可具有位置、速度以及无线反射的一或多个系数、参数或算子)和信道响应参数而失真之后解码这些符号。

因此，如先前描述，OTFS无线波形突发在至少一个路径上行进到接收器(例如，以下至少一者：a：从无线发射器直接行进到OTFS无线接收器装置作为直接无线OTFS波形突发的原始发射的无线OTFS波形突发；和/或b：在到达OTFS无线接收器装置之前反射离开无线反射器进而在OTFS无线接收器装置处产生经时间延迟且经多普勒频率移位的反射无线OTFS波形突发的原始发射的OTFS波形突发，因此在接收器处产生这些直接突发和任何所述反射突发的组合，因此产生先前描述的信道卷积OTFS波形突发)。

此处如前所述，通过无线发射器装置、OTFS无线接收器装置和无线反射器的至少相对位置、相对速度和性质而确定多维数据信道的信道响应参数。

为了处置此情形，OTFS无线接收器将通常包括至少一个处理器控制的无线接收器组件，其经配置以在多个频率、至少一个处理器、存储器和至少一个天线处接收无线信号。所述无线接收器组件可为软件配置的接收器(例如，从FPGA/DSP构造，合适的接收器处理器，以及根据Harris的方法或其它方法的接收器软件)，或其它类型接收器。

接收器装置的处理器将常常经配置以(常常具有合适的软件)使用无线接收器组件、天线和存储器来接收卷积OTFS波形突发，且确定信道响应参数。在一些实施例中，这可由错误检测/校正、导频信号方法、MIMO方法和先前描述的其它方法辅助。

通常至少一个接收器装置处理器将进一步经配置(常常使用软件)以使用这些信道响应参数计算合适的解卷积参数，且使用这些解卷积参数随后解卷积信道卷积OTFS波形突发。这导致原始发射的OTFS波形突发的至少近似(理想地极良好的近似)。随后至少一个接收器装置处理器将通常随后从原始信号的此近似以数学方式提取(或另外求解)各种原始发射的OTFS符号，且因此随后将接收含有数据有效负载的各种原始发射的OTFS符号。

如果向接收器进行发射的远程OTFS发射器已经发射各种错误检测/校正符号、导频信号，或使用各种MIMO方法和先前描述的其它方法与OTFS接收器通信，那么OTFS接收器常常将进一步经配置以使用这些方法以改善性能，如先前所描述。如果远程OTFS发射器已经改变OTFS时间移位和频率移位的范围、突发长度的持续时间、突发带宽、极化方案以及如先前所描述的其它特性，那么OTFS接收器常常将经配置以关于这些改变而工作或补偿这些改变。

OTFS接收器常常将为具有其自身的相关联无线发射器中的一或多者的收发器，其可为OTFS无线发射器或其它类型无线发射器，其经配置以将信号发射到与遥远的OTFS发射器装置(即遥远的OTFS发射器将常常也是收发器)结合而操作的其它OTFS接收器。OTFS接收器可使用其自身的发射器将信息和建议发射到遥远的OTFS发射器装置以调整如先前所描述的远程OTFS发射器操作的各种方面。

关于优化OTFS设定以配合当前情形

本发明的最常见应用将在地球上通常在接近地面的区，其中将存在可呼吸的空气量以及例如云、雨和冰雹等其它自然大气现象。对于许多无线频率，无线电波以极少的干扰通过此自然大气现象，且因此常常可忽略介入的空气和自然大气现象的影响。对于较高频率无线电信号，此自然现象视具体情况可由系统处理为额外无线信号衰减的源或额外无线反射器。

如先前论述，本发明的最常见应用也将常常在城市或乡村环境在地球上或接近地面，其中可假定相关反射器(例如，各种建筑物、自然或人工结构、交通工具及类似物)具有某些几何形状和间距，以及在某些假定速度范围(例如，一般对于汽车为0-100英里/小时，对于飞机为0-1000英里/小时及类似速度)内操作。在某一程度上，这些假设可用以精细调谐不久将论述的各种参数(例如，各种突发长度、时间移位、频率移位及类似物)。相反，本发明的经设计以在极不同环境中操作(例如在较高高度或在轨道或外太空中用于商业或军事航空)的版本可具有各种参数，所述参数经精细调谐以处理极宽范围的潜在速度、距离和反射器间距。

组合先前论述的方法以产生高性能系统

图7示出了本发明的各种实施例-OTFS发射器(例如，102、102m、700)、OTFS接收器(例如，104、104m、740)以及例如OTFS时间移位、频率移位、极化、突发特性、错误码的使用、导频符号、极化方案、MIMO天线、信道响应参数的地图及类似物等先前论述的方案可如何全部组合或以各种特定方法的各种排列而全部一起工作，以产生经设计以提供即使在困难且恒定改变的环境中操作时也稳健且防衰落通信的统一OTFS无线通信系统。

图7可最佳理解为示出一个实施例的软件流程图，其中OTFS发射器处理器和OTFS接收器处理器可基本上以几乎任何组合改变先前论述的操作模式中的任一者和全部，以便即使在单个通信会话内也动态地优化OTFS无线发射。

举例来说，考虑可如何使用例如一或多个OTFS发射器处理器和合适的控制软件在软件层级(700)控制OTFS发射器，例如(102或102m)。在无线OTFS通信会话的开始，OTFS发射器可使用其处理器以获得初始OTFS参数，例如来自各种源的OTFS信道响应参数(702)的初始集合，所述源包含发射器的存储器和/或先前描述的本地或远程地图数据库(704)(例如，发射器可将其GPS位置无线地发射到远程地图服务器，且接收回各种位置特定的OTFS参数，例如信道响应参数的初始集合)。OTFS发射器可随后使用OTFS参数的此初始集合以开始向OTFS接收器(104、104m、740)的OTFS无线发射。OTFS接收器(104、104m、740)也可使用类似接收器存储器和/或地图服务器方法(744)初始化OTFS参数的其初始集合(742)。此处当然，对于将使用的这些GPS辅助的测绘方案，所述装置如果是OTFS发射器和或OTFS接收器则将具有GPS单元或其它位置确定电路。

在此实例中为简单起见，假定发射器(发射器处理器)经配置(例如，常常由软件)以能够按照每数据帧方法改变各种OTFS发射变量，但通常不在数据帧内。(也可使用具有较精细粒度的其它方案，例如在OTFS数据帧内处于较精细水平的各种OTFS发射变量的改变。)

在初始化之后，OTFS发射器软件(700)可进入发射循环(706)、(708)、(710)。此循环将通常在发射多个数据帧时以各种迭代发展，直到通信会话中的所有数据帧已经发射为止。确切地说，发射器可通过其以可用数据(例如，最新OTFS参数)最佳可达到的方式配置各种OTFS调制方案和突发特性而开始第一循环迭代(708)。

接着(710)，在此实例中基于每数据帧，OTFS发射器处理器和软件(700)可设置适合于当前情形的各种错误码方案，以及使用可用信息来调整任何发射器MIMO天线(110a到110d)的设定。通常随着通信会话在多个数据帧上继续，这些各种设定变为针对特定数据信道条件而进一步优化。

无线OTFS发射器现在准备好开始此迭代的封装实际有用数据(例如，有效负载)(712)以用于发射的任务。为了做到这一点，发射器处理器和软件(700)可将有效负载数据连同各种导频符号和错误校正符号一起嵌入合适的OTFS数据帧中(714)，并且然后调制和发射(716)。原始发射的无线OTFS波形突发(718)沿着各种直接OTFS波形突发路径(例如，112)和各种反射OTFS波形突发路径(例如，114a、114b)行进到无线OTFS接收器(104、104m)，且最终由接收器接收且由接收器软件处置(740)。

在许多实施例中，OTFS无线发射器(102、102m)将具有其自身的接收器，其可为OTFS无线接收器，但也可为其它类型的接收器。假定此发射器也配备有其自身的本地无线接收器，且OTFS接收器(104、104m)也配备有其自身的本地发射器，那么在一些任选的实施例中，OTFS发射器(700)也可从OTFS接收器软件(740)和接收器(102、102m)接收信道响应参数反馈和错误码反馈(720)，且根据发射器的软件处置此情形(722)。OTFS发射器软件(700)和相关联硬件可随后使用其已积累的任何信息来更新各种先前论述的OTFS发射器参数(710)，且在下一迭代中，发射循环(706、708、710)可随后以如条件保证的发射变量的相同集合或不同发射变量来发射下一数据帧。此过程再次将一般由至少一个发射器处理器和合适的软件完成。

过程的OTFS接收器侧一般执行先前论述的OTFS发射器功能的对应部分。接收器(104、104m)也将一般在至少一个接收器处理器和接收器软件(740)的控制下。接收器软件(740)和相关联接收器硬件还可通过首先从接收器的存储器(744)检索(742)合适的初始OTFS参数和/或通过使用先前描述的接收器存储器和/或地图服务器方法(744)，来初始化接收器对无线OTFS数据帧的接收。

OTFS接收器软件(740)和相关联硬件可随后进入其自身的接收器循环(746、748、750)迭代。在此实例中为简单起见，假定OTFS接收器(接收器处理器)经配置(例如，常常由合适的接收器软件740)以能够还基于每数据帧(或按需要的其它方案)改变其各种OTFS接收变量。(如同发射器，也可使用具有较精细粒度的其它接收器方案，例如在OTFS数据帧内处于较精细水平的各种OTFS发射变量的改变。)

OTFS接收器将接收(常常基于每数据帧)现在经信道卷积的OTFS波形突发(718)，其为任何直接无线OTFS波形突发(112、112a)和任何反射无线OTFS波形突发(114b)的组合。接收器将随后使用其一或多个处理器和软件(740)来解码发射器可能已在发射信号(752)中嵌入的任何导频信号，且另外确定在当时所述多维数据信道的信道响应参数。接收器可随后使用这些信道响应参数，并且在合适的错误码和校正的情况下解码数据有效负载(754)，且此所接收数据(756)可存储在存储器中或输出以用于后续使用。

如果接收器(104、104m)具有其自身的本地发射器，那么接收器软件(740)和处理器可引导接收器的本地发射器以发射关于接收器所确定的信道响应参数的信息和例如错误码反馈、接收器MIMO设定和能力(如果存在)等其它信息到发射器(102、102m)，在此其可由发射器的本地接收器接收且由发射器的软件解译(720)。因此如果发射器具有其自身的本地接收器，那么发射器可使用其本地接收器来接收此数据且使用其来精炼其自身的设定以用于后续发射的数据帧。

接收器软件(740)和处理器也可使用从信道响应参数和错误码导出的信息以确定如何最佳地精炼其各种MIMO天线(如果存在)的调整以用于接收下一数据帧(758)。

许多其它OFTS接收器和发射器操作方案也是可能的。图7的主要目的是给出可如何组合本文所揭示的各种方法(以各种组合，且不需要使用所有方法)以产生稳健且高性能无线通信系统的一个具体实例。

GPS技术的进一步论述：

进一步应注意，GPS或其它位置确定技术也可以用于其它目的，例如帮助较好地确定发射器与接收器之间的时间同步。此处举例来说，通过知道发射器与接收器的相对位置，因此可确定发射器与接收器之间的距离。通过利用例如光速等基本常量，因此可自动确定发射延迟对时序的影响，且此发射时序延迟可因此用于贯穿系统的较准确时序同步。

OTFS波形结构和OTFS突发结构的进一步细节

可使用多种方法产生OTFS波形。此处主要准则是每一数据符号以无损且可逆方式跨越多个可识别的(例如，通常相互正交)波形分布于根据无线多维数据信道的时间延迟和多普勒移位信道响应参数选择的多个不同时间和不同频率上。

在一些实施例中，可根据专利申请US 61/349,619、US 13/177,119、US 13/430,690以及美国专利8,547,988中先前论述的方法而产生且结构化OTFS波形，以上申请的完整内容以全文引用的方式并入本文中。下文论述这些实施例中的一些实施例的一些具体实例。

在一些实施例中，在发射器端，微处理器控制的发射器可通过重新封装或分布符号到各种N·N矩阵[D]的各种元素中而封装一系列不同符号“d”(例如，d₁、d₂、d₃...)以用于发射，例如将d₁指派给[D]矩阵的第一行和第一列(例如，d₁＝d_0,0)，将d₂指派给[D]矩阵的第一行第二列(例如，d₂＝d_0,1)等等，直到[D]矩阵的所有N·N个符号完整为止。此处，一旦我们用完将发射的d个符号，便可将剩余[D]矩阵元素设定成0或指示空输入的其它值。

用作用于发射数据的主要基础的各种主要波形(此处将称为“音调”以示出这些波形具有特征正弦波形状)可由N·N逆离散傅立叶变换(IDFT)矩阵[W]描述，其中对于[W]中的每一元素w，或替代地或因此[D]中的个别数据元素d通过矩阵乘法运算[W]*[D]而经变换且分布作为各种基本音调w的组合，从而产生数据矩阵的经音调变换且分布形式，此处由N·N矩阵[A]描述，其中[A]＝[W]*[D]。

在一些实施例中，为了产生本发明的N个经时间移位和N个经频率移位波形，经音调变换且分布的数据矩阵[A]随后自身进一步通过模数算术或“时钟”算术而排列，从而创建N·N矩阵[B]，其中对于[B]的每一元素b，b_i,j＝a_{i,,(i+j)mod N}。这可替代地表达为[B]＝Permute([A])＝P(IDFT*[D])。因此所述时钟算术控制时移和频移的模式。

单位矩阵[U]可随后用以对[B]进行运算，从而产生N·N发射矩阵[T]，其中[T]＝[U]*[B]，因此产生根据编码矩阵[U]确定的N个经时间移位和N个经频率移位波形的所有排列的N²大小的集合。替代地，N·N发射矩阵[T]＝[U]*P(IDFT*[D])。

随后，通常基于每列，使用N的每一个别列以进一步调制频率载波(例如，如果我们在1GHz左右的频率范围内发射，那么载波将设定于1GHz)，以及N·N矩阵[T]的具有N个元素的每一列，因此针对每一数据符号产生N个符号加权经时间移位且经频率移位的波形。有效地随后，发射器每次从[T]的一个列发射N个符号加权经时间移位且经频率移位的波形的总和作为例如时间数据块上的复合波形。替代地发射器可改为使用不同频率载波用于[T]的不同列，且因此例如在一个频率载波上发射[T]的一个列，且同时在不同频率载波上发射[T]的不同列，因此同时发射更多数据，但为了这样做当然使用更多带宽。使用不同频率载波同时发射[T]的多于一个列的此替代方法将被称作频率块，其中每一频率载波视为其自身的频率块。

因此，由于N·N矩阵[T]具有N列，因此发射器将在N个时间块或频率块的任何组合上发射N²求和符号加权的经时间移位且经频率移位的波形，其经结构化为N个复合波形。

在接收器侧上，发射过程基本上反转。此处举例来说，微处理器控制的接收器将当然根据特定应用需要在各种时间块或频率块上接收各种列[T](例如，接收N个复合波形，也被称作N符号加权的经时间移位且经频率移位的波形)。如果例如存在大量可用带宽且时间是重要的，那么发射器将发射且接收器将接收数据作为多个频率载波上的多个频率块。另一方面，如果可用带宽更有限，和/或时间(等待时间)较不重要，那么实际上发射将在多个时间块上发射且接收器将在多个时间块上接收。

因此接收器有效地调谐到一或多个频率载波中，且在针对特定应用设定的数目的时间和频率块上最终从原始N·N发射矩阵[T]接收数据或系数作为N·N接收矩阵[R]，其中[R]类似于[T]，但由于各种通信减损而可能不相同。

微处理器控制的接收器随后反转发射过程作为反向模仿原始发射过程的一系列步骤。N·N接收矩阵[R]首先通过逆解码矩阵[U^H]而经解码，从而产生原始排列矩阵[B]的近似版本，此处称为[B^R]，其中[B^R]＝([U^H]*[R])。

接收器随后进行逆时钟运算以从经时间移位且经频率移位波形(或音调)回推数据，方法是通过对N·N[B^R]矩阵的元素进行逆模数数学或逆时钟算术运算，从而针对N·N[B^R]矩阵的每一元素b^R产生这产生数据矩阵[A]的经音调变换且分布的形式的“去时间移位且去频率移位”版本，此处称为[A^R]，替代地，[A^R]＝逆排列([B^R])或[A^R]＝P^-1([U^H]*[R])。

接收器随后通过使用原始傅里叶逆变换矩阵(IDFT)的N·N离散傅立叶变换矩阵DFT分析[A]矩阵，而进一步从[A^R]矩阵提取原始数据符号d的至少近似。

此处，对于每一所接收符号d^R，d^R是N·N接收数据矩阵[D^R]的元素，其中[D^R]＝DFT*A^R，或替代地[D^R]＝DFT*P^-1([U^H]*[R])。

因此原始N²求和符号加权的经时间移位且经频率移位的波形随后由接收器接收，所述接收器由对应解码矩阵U^H(也表示为[U^H])控制。接收器(例如，接收器的微处理器和相关联软件)使用此解码矩阵[U^H]以重构所述一或多个原始发射N·N符号矩阵[D]中的各种发射符号“d”(或至少这些发射符号的近似)。

替代地，在一些实施例中，这些“音调”可为窄带副载波，例如OFDM副载波。替代的可使用编码和解码方案以使得例如可在N个时间周期上在M个窄带副载波上发射N x M数据矩阵。

存在若干方式来校正由回声反射和频率移位的信号减损影响造成的失真。一种方法是在接收器前端处利用以下事实：经时间移位且经频率移位的波形或“音调”形成可预测时间频率模式，且位于接收器前端处的“非智能”解卷积装置可辨识这些模式以及这些模式的回声反射和频率移位版本，且通过模式辨识过程而执行适当解卷积。替代地可通过接收器的软件以数学方式校正所述失真，此处通过进行合适的数学变换以基本上确定回声反射和频率移位影响，且求解这些影响。作为第三替代例，一旦接收器通过任一过程确定通信媒体的特定时间和频率失真的时间和频率解卷积参数，接收器就可将命令发射到发射器以指示发射器基本上针对这些影响进行预先补偿或预先编码。即，如果例如接收器检测到回声，那么可指示发射器以使此回声偏移的方式进行发射，依此类推。

回声反射和频率移位通过感应加性噪声会使所发射信号模糊或减损或失真。可将这些失真建模为作用于数据阵列的2维滤波器。此滤波器表示例如具有时间延迟和多普勒移位的多个回声的存在。为了减少这些失真，可在接收器后续接收器处理之前预先均衡信号，或替代地在D^R矩阵已复原之后后期均衡信号。此均衡过程可通过模拟或数字方法完成。理想地将完全再生原始D矩阵的所接收D矩阵的经均衡形式被称为D_eq。

在一些实施例中，可使用自适应线性均衡器来校正这些失真。此自适应线性均衡器可在任一步骤起作用，任选地作为较模拟的方法或步骤，但更一般地作为较数字的和数学的过程。

在一些实施例中，所述均衡器可根据例如以下函数而操作：

在其它实施例中，通过使用OTFS导频符号(参见图2和3以及相关论述)获得的信道响应参数可替代地或另外用以辅助此均衡(解卷积)过程。