一种低复杂度OTFS波形统一近似消息传递均衡方法及装置

一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡方法及装置
技术领域
1.本技术涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡方法及装置。


背景技术：

2.得益于蓬勃发展的无线技术，第五代(5g)通信已经取得了长足的进步，与目前4g网络相比，5g网络可以提供高数据速率、超可靠低延迟和大规模机器式通信。然而目前在移动5g通信系统中采用的正交频分复用ofts调制方案在快速时变信道中由于多普勒频移等引起的载波间干扰而性能急剧恶化，为了解决这一问题，最近提出了在延迟多普勒域上工作的正交时频空间otfs调制。otfs将每个信息符号分布在延迟多普勒dd平面网格上，本质上是将衰落的时变信道转换为平坦的时变信道。因此，otfs波形性能良好，特别是在高多普勒扩频信道状态情况下。
3.数据检测算法是otfs接收机的重要环节，是决定整个系统性能好坏的关键。低复杂度线性最小均方误差均衡算法lmmse有较低的复杂度但是性能不佳。基于稀疏因子图的消息传递算法mp性能优秀，但是因子图的计算复杂度过高，基本不可实现。近似消息传递算法amp有近似的性能，且复杂度适中，但其对病态传输矩阵，例如非零均值、非满秩或者列相关等会出现性能下降甚至无法收敛的后果。
4.统一近似消息传递均衡算法uamp是一种性能十分优良的otfs均衡算法。它具有很好的鲁棒性，并且在理想双正交脉冲成形波形下，算法具有较低的复杂度。然而，理想的双正交脉冲成形波形在工程实现中无法实现。我们经常使用更实用的矩形成形波形来代替它，但此时uamp算法的计算复杂度会急剧上升，导致其在工程应用中难以实现。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡方法，在延迟-多普勒域平面网格中加入一些零填充符号，经过时延域到时延-多普勒域的近似简化计算，将信道矩阵划分为多区域循环信道等效矩阵，以此可用fft和ifft来简化uamp算法的奇异值分解过程。
6.本技术第一方面提出了一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡方法，包括：
7.根据信道最大多普勒时延在时延-多普勒域数据符号中填充空白符号；
8.通过正交时频空间otfs调制将未填充的数据符号和所述空白符号转换为时域信号；
9.使所述时域信号通过信道模块并在接收端矩阵化，得到时域信道等效离散表达式与时域信号离散向量表达式；
10.将所述时域信号离散向量表达式转换到时延-多普勒域，并得到近似等效信道的分块循环矩阵表达式；
11.根据所述近似等效信道的分块循环矩阵表达式获取分块循环特性，根据所述分块循环特性将信号分块化并用简化统一近似消息传递算法进行迭代均衡，解调出发送信号。
12.可选的，所述根据信道最大多普勒时延在时延-多普勒域数据符号中填充空白符号，包括：
13.针对尺寸为m
×
n的时延-多普勒域信号网格，假定系统信号模型的最大多普勒频偏相对于信号网格尺寸为l
max
，将所述信号网格中最后l
max
行全部置于所述空白符号，所述信号网格中未填充的数据符号规模为：
14.x
tf
＝(m-l
max
)
×
n,
15.其中，频域维度为m，时域维度为n。
16.可选的，所述通过otfs调制将未填充的数据符号和所述空白符号转换为时域信号，包括：
17.通过isfft运算，将时延-多普勒域信号x转换到时频域x
tf
，然后通过海森堡变换转化为时域信号s，表示为：
[0018][0019]
其中，fm表示m点快速傅里叶变换，表示n点快速反傅里叶变换，g
tx
表示成型滤波矩阵，设由于则具体表示为：
[0020][0021]
将时域信号矩阵s向量化后得到时域信号向量s，s和之间关系为：
[0022][0023]
可选的，所述使所述时域信号通过信道模块并在接收端矩阵化，得到时域信道等效离散表达式与时域信号离散向量表达式，包括：
[0024]
所述时域信号向量通过信道模块h到达接收端，连续等效表达式为：
[0025][0026][0027]
对连续时间等效信道在时间t＝qt/m(0≤q≤nm-1)进行采样，并将τ＝ζt/m带入，得到所述时域信道等效离散表达式为：
[0028][0029]
接收端所述时域信号离散向量表达式为：
[0030][0031]
可选的，所述将所述时域信号离散向量表达式转换到时延-多普勒域，并得到近似等效信道的分块循环矩阵表达式，包括：
[0032]
将所述时域信号离散向量表达式转到时延-多普勒域，过程如下：
[0033]
r＝vec-1
(r)，
[0034]
其中，vec-1
代表对向量r矩阵化，得到时域信号矩阵r；
[0035]
将r匹配滤波后维纳变换，得到接收端时延域信号矩阵y
tf
，所述时延域信号矩阵y
tf
的表达式为：
[0036]ytf
＝fm(g
rx
(r))，
[0037]
其中，g
rx
为匹配滤波矩阵，fm为m点ifft矩阵，将y
tf
通过sfft变换可得接收端时延-多普勒域信号矩阵y，所述时延-多普勒域信号矩阵y的表达式为：
[0038][0039]
令可得到如下关系式：
[0040][0041]
其中，ym是矩阵y的行向量，是矩阵的行向量，得到所述时域信号向量r和向量的关系式为：
[0042][0043]
将时域参数q引申到时延-多普勒域，令q＝(m+nm),m＝0,...,m-1,n＝0,...,n-1，则所述时域信号离散向量r可以重写为：
[0044][0045][0046]
在发射端将最后l
max
行全部置于空白符号：
[0047][0048]
可得如下关系式：
[0049][0050]
其中代表点积，θ代表循环卷积。
[0051]
可选的，所述根据所述近似等效信道的分块循环矩阵表达式获取分块循环特性，根据所述根据近似等效信道矩阵的分块循环特性将信号分块化并用简化统一近似消息传递算法进行迭代均衡，解调出发送信号，包括：
[0052]
获取时延-多普勒域信号输入输出关系，所述时延-多普勒域信号输入输出关系的矩阵表达式为：
[0053]
y＝h
·
x+w，
[0054]
其中，w是零均值、方差为σ2的加性高斯白噪声；
[0055]
将循环卷积ψ
m,ζ
θx
m-ζ
矩阵化，可得由向量ψ
m,ζ
组成的近似等效信道循环矩阵ξ
m,ζ
，ξ
m,ζ
表达式为：
[0056][0057]
将所述时延-多普勒信号输入输出关系的矩阵表达式用列向量来表达，得到：
[0058][0059]
根据m的位置进行分割，可得：
[0060][0061]
当ζ＝0时，信道矩阵块ξ
m,0
为循环结构，对其进行简化svd分解，左奇异矩阵u可用fft代替，右奇异矩阵v可用ifft代替，特征向量矩阵λ可以用fft进行简化，所述特征向量矩阵λ的表达式为：
[0062][0063]
其中，表示ξ
m,0
的第一行行向量，diag()表示将向量转化为相应的对角矩阵。
[0064]
对所述信道矩阵进行奇异值分解后再送入均衡模块进行均衡，解调出所述发送信号。
[0065]
本技术第二方面，提出一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡装置，包括：
[0066]
初始化模块，用于根据信道最大多普勒时延在时延-多普勒域数据符号中填充空白符号；
[0067]
第一变换模块，通过正交时频空间otfs调制将未填充的数据符号和所述空白符号转换为时域信号；
[0068]
矩阵化模块，使所述时域信号通过信道模块并在接收端矩阵化，得到时域信道等效离散表达式与时域信号离散向量表达式；
[0069]
第二变换模块，将所述时域信号离散向量表达式转换到时延-多普勒域，并得到近似等效信道的分块循环矩阵表达式；
[0070]
均衡模块，根据所述近似等效信道的分块循环矩阵表达式获取分块循环特性，根据所述分块循环特性将信号分块化并用简化统一近似消息传递算法进行迭代均衡，解调出发送信号。
[0071]
本技术第三方面，提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上
述第一方面中任一所述的方法。
[0072]
本技术第四方面，提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一所述的方法。
[0073]
本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
[0074]
通过在发射端插入特定的空白符号，在近似计算下，得到时延-多普勒域的近似等效信道的分块循环矩阵表达式，并将信号划分为对应的信号块，再用fft，ifft等方式对统一近似消息传递算法进行简化，提高了算法性能，节约了硬件资源，降低了计算资源。
[0075]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0076]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0077]
图1是根据本技术一示例性实施例示出的一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡方法的流程图。
[0078]
图2是根据本技术一示例性实施例示出的基本otfs波形框图；
[0079]
图3是根据本技术一示例性实施例示出的一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡装置的框图；
[0080]
图4是根据本技术示例性实施例示出的时延-多普勒信号输入输出关系的矩阵表达式图；
[0081]
图5是根据本技术一示例性实施例示出的各均衡算法的ber性能折线图；
[0082]
图6是根据本技术另一示例性实施例示出的各均衡算法的ber性能折线图；
[0083]
图7是一种电子设备的示意性框图。
具体实施方式
[0084]
下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0085]
图1是根据本技术一示例性实施例示出的一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡方法的流程图，如图1和图2所示，包括：
[0086]
步骤101，根据信道最大多普勒时延在时延-多普勒域数据符号中填充空白符号。
[0087]
可选的，针对尺寸为m
×
n的时延-多普勒域信号网格，假定系统信号模型的最大多普勒频偏相对于信号网格尺寸为l
max
，将信号网格中最后l
max
行全部置于空白符号，信号网格中未填充的数据符号规模为：
[0088]
x
tf
＝(m-l
max
)
×
n,
[0089]
其中，频域维度为m，时域维度为n。
[0090]
一种可能的实施例中，时延-多普勒域信号网格尺寸为16
×
16，假定系统信号模型的最大多普勒频偏相对于信号网格尺寸为2，那么将信号网格中最后2行全部置于空白符号，那么信号网格中未填充的数据符号规模x
tf
＝(m-l
max
)
×
n＝(16-2)
×
16。
[0091]
步骤102，通过正交时频空间otfs调制将未填充的数据符号和空白符号转换为时域信号。
[0092]
首先通过isfft运算，将时延-多普勒域信号x转换到时频域x
tf
，然后通过海森堡变换转化为时域信号s，表示为：
[0093][0094]
其中，fm表示m点快速傅里叶变换，表示n点快速反傅里叶变换，g
tx
表示成型滤波矩阵，设由于则具体表示为：
[0095][0096]
将时域信号矩阵s向量化后得到时域信号向量s，s和之间关系为：
[0097][0098]
步骤103，使时域信号通过信道模块并在接收端矩阵化，得到时域信道等效离散表达式与时域信号离散向量表达式。
[0099]
时域信号向量s通过信道模块h到达接收端，连续等效表达式为：
[0100][0101][0102]
对连续时间等效信道在时间t＝qt/m(0≤q≤nm-1)进行采样，并将τ＝ζt/m带入，得到时域信道等效离散表达式为：
[0103][0104]
接收端时域信号离散向量表达式为：
[0105][0106]
步骤104，将时域信号离散向量表达式转换到时延-多普勒域，并得到近似等效信道的分块循环矩阵表达式。
[0107]
将时域信号离散向量表达式转到时延-多普勒域，过程如下：
[0108]
r＝vec-1
(r)，
[0109]
其中，vec-1
代表对向量r矩阵化，得到时域信号矩阵r；
[0110]
将r匹配滤波后维纳变换，得到接收端时延域信号矩阵y
tf
，时延域信号矩阵y
tf
的表达式为：
[0111]ytf
＝fm(g
rx
(r))，
[0112]
其中，g
rx
为匹配滤波矩阵，fm为m点ifft矩阵，将y
tf
通过sfft变换可得接收端时延-多普勒域信号矩阵y，时延-多普勒域信号矩阵y的表达式为：
[0113][0114]
令可得到如下关系式：
[0115][0116]
其中，ym是矩阵y的行向量，是矩阵的行向量，得到时域信号向量r和向量的关系式为：
[0117][0118]
将时域参数q引申到时延-多普勒域，令q＝(m+nm),m＝0,...,m-1,n＝0,
…
,n-1，则时域信号离散向量r可以重写为：
[0119][0120][0121]
在发射端将最后l
max
行全部置于空白符号：
[0122][0123]
可得如下关系式：
[0124][0125]
其中代表点积，θ代表循环卷积。
[0126]
其中，通过维纳变换、辛有限傅里叶变换(sfft)、哈达玛积和循环卷积等多种变换使时域信号离散向量表达式转换到时延-多普勒域。
[0127]
步骤105，根据近似等效信道的分块循环矩阵表达式获取分块循环特性，根据根据近似等效信道矩阵的分块循环特性将信号分块化并用简化统一近似消息传递算法进行迭代均衡，解调出发送信号，包括：
[0128]
获取时延-多普勒域信号输入输出关系，时延-多普勒域信号输入输出关系的矩阵表达式为：
[0129]
y＝h
·
x+w，
[0130]
其中，w是零均值、方差为σ2的加性高斯白噪声；
[0131]
将循环卷积ψ
m,ζ
θx
m-ζ
矩阵化，可得由向量ψ
m,ζ
组成的近似等效信道循环矩阵ξ
m,ζ
，ξ
m,ζ
表达式为：
[0132][0133]
将时延-多普勒信号输入输出关系的矩阵表达式用列向量来表达，得到：
[0134][0135]
根据m的位置进行分割，可得：
[0136][0137]
当ζ＝0时，信道矩阵块ξ
m,0
为循环结构，对其进行简化svd分解，左奇异矩阵u可用fft代替，右奇异矩阵v可用ifft代替，特征向量矩阵λ可以用fft进行简化，特征向量矩阵λ的表达式为：
[0138][0139]
其中，表示ξ
m,0
的第一行行向量，diag()表示将向量转化为相应的对角矩阵。
[0140]
对信道矩阵进行奇异值分解后再送入均衡模块进行均衡，解调出发送信号。
[0141]
其中，均衡算法的关键路径可以简化为：
[0142][0143][0144]
其中，因为uh是酉矩阵，因此仍是零均值、方差为σ2的加性高斯白噪声。对左乘酉矩阵uh后在送入均衡模块，λvxm则可以用fft和ifft进行简化计算。
[0145]
本技术实施例通过在发射端插入特定的空白符号，在近似计算下，得到时延-多普勒域的近似等效信道的分块循环矩阵表达式，并将信号划分为对应的信号块，再用fft，ifft等方式对统一近似消息传递算法进行简化，提高了算法性能，节约了硬件资源，降低了计算资源。
[0146]
图3是根据一示例性实施例示出的一种低复杂度otfs波形统一近似消息传递均衡装置框图，参照图3，该装置包括：初始化模块210、第一变换模块220、矩阵化模块230、第二变换模块240和均衡模块250。
[0147]
初始化模块210，用于根据信道最大多普勒时延在时延-多普勒域数据符号中填充空白符号；
[0148]
第一变换模块220，通过正交时频空间otfs调制将未填充的数据符号和空白符号转换为时域信号；
[0149]
矩阵化模块230，使时域信号通过信道模块并在接收端矩阵化，得到时域信道等效离散表达式与时域信号离散向量表达式；
[0150]
第二变换模块240，将时域信号离散向量表达式转换到时延-多普勒域，并得到近似等效信道的分块循环矩阵表达式；
[0151]
均衡模块250，根据近似等效信道的分块循环矩阵表达式获取分块循环特性，根据分块循环特性将信号分块化并用简化统一近似消息传递算法进行迭代均衡，解调出发送信号。
[0152]
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0153]
图4是m＝6，n＝6，l
max
＝2时候的时延-多普勒信号输入输出关系的矩阵表达式图.
[0154]
根据图4，得到对应的矩阵关系表达式为：
[0155]
y＝h
·
x+w。
[0156]
图5和图6分别是m和n取不同值时各均衡算法的ber性能折线图。
[0157]
参照图5，其中m＝16，n＝16，横坐标是信噪比(signal-noise rate,snr)，纵坐标是ber性能。uamp_comp是原始的uamp算法的性能曲线，umap_low是本文设计的低复杂度的uamp算法的性能曲线。由图可知，在m＝16，n＝16时,传统的uamp算法和发明提出的低复杂度uamp算法与mp算法相比都有显著的误码率性能改进，两种算法的性能提高了约0.6db。传统uamp的算法和低复杂度uamp算法的误码率性能非常接近，低复杂度uamp算法与传统uamp算法相比只有0.2db的性能损失。
[0158]
参照图6，其中m＝32，n＝32，横坐标是信噪比(signal-noise rate,snr)，纵坐标是ber性能。由图5可知，mp算法和uamp算法的性能非常接近，这意味着本发明提出的低复杂度uamp算法具有超低复杂度且没有性能损失。
[0159]
图7示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备700的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
[0160]
如图7所示，设备700包括计算单元701，其可以根据存储在只读存储器(rom)702中的计算机程序或者从存储单元708加载到随机访问存储器(ram)703中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在ram 703中，还可存储设备700操作所需的各种程序和数据。计算单元701、rom 702以及ram 703通过总线704彼此相连。输入/输出(i/o)接口705也连接至总线704。
[0161]
设备700中的多个部件连接至i/o接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0162]
计算单元701可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元701的一些示例包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、各种专用的人工智能(ai)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(dsp)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元701执行上文所描述的各个方法和处理，例如语音指令响应方法。例如，在一些实施例中，语音指令响应方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元708。在一些实施例中，计算机程序的
部分或者全部可以经由rom 702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序加载到ram 703并由计算单元701执行时，可以执行上文描述的语音指令响应方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元701可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行语音指令响应方法。
[0163]
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
[0164]
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0165]
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0166]
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，crt(阴极射线管)或者lcd(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。
[0167]
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(lan)、广域网(wan)、互联网和区块链网络。
[0168]
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通
过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与vps服务("virtual private server"，或简称"vps")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
[0169]
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
[0170]
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。