一种基于四维球形码的OTFS通信方法及系统

本发明涉及无线通信，特别是一种基于四维球形码的otfs通信方法及系统。

背景技术：

1、高速场景下的通信系统中，随着终端的速度变化，用户在通信过程中会受到多普勒扩展的影响，通信质量降低。为了解决高速移动场景下的通信问题，业界提出了正交时频空调制(orthogonal time frequency space modulation，otfs)方案，这是一种在时延-多普勒域(dd)上的新型调制方式，通过将dd域中的调制符号与有效信道进行二维卷积，充分利用时间和频率的分集，并且时频双选信道在时延-多普勒域上也是稀疏的，有利于接收机的设计。

2、索引调制(index modulation，im)的主要特征是使用传输资源(如天线、子载波等)的特定索引来传达信息，所得到的传输信号在一个或几个资源域中趋于稀疏，增加了通信系统的鲁棒性。索引调制根据可用信号资源域的开/关键控原理，将信息比特调制到发射资源的索引上，这对提升频谱效率和提高误码率性能有重要作用。

3、结合这两种技术，已有基于索引调制的otfs系统的研究，即otfs-im调制。通过dd域的激活符号索引和调制星座符号传递比特信息，相比传统otfs调制，otfs-im调制后的dd域发射数据更为稀疏，能有效降低时延和多普勒的影响。在此研究基础上，展开了许多研究，如通过使用pam调制信号增加一个同相正交维度来提高索引信息密度、利用两种模式的调制星座增加一个调制模式选择维度来提高索引信息密度等，在相同频谱效率下，通过增加索引维度的方法提升调制信号的稀疏度，达到提高信号检测性能的目的，但这种思路增加了索引检测的复杂度，即需要对增加的维度单独检测。当前研究都是在二维调制信号(如bpsk、qam)的基础上展开，而根据传统检测理论，调制维度越高，星座点之间的最小欧式距离越大，检测性能越好。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能够增加待检测星座点间的最小距离，提高otfs信号检测性能的基于四维球形码的otfs通信方法及系统。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于四维球形码的otfs通信方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在发送端，将dd域数据分组为多个子块，每一子块进行索引调制及四维球形码调制，所有子块的输出组成一帧dd域信号xdd；

4、步骤2、信号xdd经otfs调制后发射至接收端，接收端进行otfs解调得到dd域的接收信号ydd；

5、步骤3、接收信号ydd经过均衡，消除符号间干扰，得到初步检测信号

6、步骤4、将初步检测信号划分为与发射端数量相等的子块，对每一子块进行ml检测；

7、步骤5、根据otfs调制的输入-输出关系所对应的数学模型，确定通信系统的平均误比特率近似值和papr上界。

8、进一步地，步骤1中将dd域数据分组为多个子块，每一子块进行索引调制及四维球形码调制，具体如下：

9、步骤1.1、设子块总符号数为n、激活符号数为k，则一个m×n的otfs帧分为g＝mn/n组，发射的比特流集合u平均分为g组，每一子块传输p比特信息，其中p1比特用于索引调制、p2比特进行四维调制；

10、步骤1.2、各子块调制时相互独立，在l维空间中取单位球面中的mc个点作为调制星座点ci＝(ci,1,ci,2,ci,3,ci,4)，由于星座点是四维向量，在系统传输中将使用两个二维符号承载一个四维符号，即ci由s1＝ci,1+jci,2和s2＝ci,3+jci,4传输，因此激活符号数k应为2的整数倍，且一个子块的调制符号矢量为sβ＝[sβ(1),sβ(2),…,sβ(k)]t，子块中用于四维调制的比特数p2＝k/2log2(mc)；

11、步骤1.3、在子块的n个数据符号中选用连续且不重复的k个符号作为激活符号，则第β个子块的索引集合iβ为查找表i的一个子集，其中i＝{k(i-1)+1,k(i-1)+2,…,k(i-1)+k},i∈[1,2,…,n/k]，子块中用于索引调制的比特数

12、步骤1.4、一个子块中共传输的比特数为：

13、

14、于是谱效率se＝p/n，第β个子块的发射信息xβ表示为：

15、

16、进一步地，步骤2中的将子块组成一帧dd域信号xdd，经otfs调制后发送，接收端进行otfs解调得到dd域的接收信号ydd，具体如下：

17、各子块调制完成后，沿多普勒维度拼接为一个otfs帧进行常规的otfs调制，即逆辛有限傅里叶变换、海森堡变换和发射脉冲成型得到时域发射信号s；经过时频双选信道后，接收端经接收脉冲成型、维格纳变换和辛有限傅里叶变换得到dd域接收信号ydd。

18、进一步地，步骤3中的接收信号ydd经过均衡，消除符号间干扰，得到初步检测信号具体如下：

19、假设信道信息在接收端是已知的，均衡时采用mmse均衡或mrc均衡；

20、mmse均衡如下式：

21、

22、其中为估计的发射信号向量、y为接收信号向量、h为信道矩阵、σ2为噪声方差，将mn×1的预估计发射向量改写为m×n的矩阵，即得到

23、mrc均衡与mrc检测一致，将mrc检测算法中的硬判决变换为软判决，采用mrc均衡时需要使用补零的otfs结构，即帧结构时延维度补δ个零，δ大于最大时延。

24、进一步地，步骤4中将初步检测信号划分为与发射端数量相等的子块，对每一子块进行ml检测，具体如下：

25、按照步骤1由子块组成otfs帧的规则，将预估计发射信号即初步检测信号重新划分为相同数量的子块，用ml检测器对每一子块进行检测，得到索引信息和四维调制信息：

26、

27、其中，为估计的第β个子块的发射信息、sβ为第β个子块的调制符号、ιβ为第β个子块的索引集合。

28、进一步地，步骤5中根据otfs调制的输入-输出关系所对应的数学模型，确定otfs通信系统的平均误比特率近似值和papr上界，具体如下：

29、在已知信道信息情况下，将x错判为的条件配对错误概率为：

30、

31、其中，q(·)为高斯q函数、heff为dd域的等效信道矩阵、n0,dd为噪声在dd域的方差；

32、经过化简推导，得出非条件配对概率为：

33、

34、其中，p为传播路径数、σ2为信道增益hi的方差、λi为厄米特矩阵θ的特征值，具体如下：为经时延和多普勒影响后的dd域发射信号矩阵、为经时延和多普勒影响后的dd域估计发射信号矩阵、为第i条路径时延和多普勒影响矩阵、fn为n×n的归一化傅里叶变换矩阵、grx和gtx分别为接收成型脉冲矩阵和发射成型脉冲矩阵、为前向循环矩阵反映了第i条路径的时延影响、为对角矩阵反映了第i条路径的多普勒影响；

35、于是平均误比特率的近似值为：

36、

37、其中，nx＝((mc)k/2n/k)g为发射信号x的可能情况的个数，mc表示四维星座点的总个数、n表示子块中的总符号数、k表示子块中的激活符号数、g表示一个otfs帧中包含的子块个数，为将x错判为时的错误比特个数；

38、推导出系统的papr上界为：

39、

40、其中，k、l分别为dd域中的多普勒索引和时延索引，为xdd第u行中数据的平均功率。

41、一种基于四维球形码的otfs通信系统，用于实现所述的基于四维球形码的otfs通信方法，该系统包括发送端和接收端，其中：

42、所述发送端包括顺次设置的比特分离器、调制模块、otfs帧生成器、isfft单元、海森堡变换单元；所述调制模块包括多个并行设置的调制单元，每个调制单元分别包括索引选择器和四维调制器，进行索引调制及四维球形码调制；

43、所述接收端包括顺次设置的维格纳变换单元、sfft单元、均衡器、子块生成器、检测模块和比特整合器，所述检测模块包括多个并行设置的检测器。

44、进一步地，所述的基于四维球形码的otfs通信系统的具体工作过程如下：

45、在发送端，比特分离器将dd域数据分组为多个子块，每一子块通过调制模块进行索引调制及四维球形码调制，所有子块的输出经过otfs帧生成器沿多普勒维度拼接为一个otfs帧进行常规的otfs调制，即isfft单元进行逆辛有限傅里叶变换、海森堡变换单元进行海森堡变换，最后发射脉冲成型得到时域发射信号s；

46、经过时频双选信道后，接收端进行otfs解调得到dd域的接收信号ydd，首先经接收脉冲成型，其次通过维格纳变换单元进行维格纳变换、通过sfft单元进行辛有限傅里叶变换得到dd域接收信号ydd；接收信号ydd经过均衡器进行均衡，消除符号间干扰，得到初步检测信号子块生成器将初步检测信号划分为与发射端数量相等的子块，检测模块通过并行设置的检测器对每一子块进行ml检测，各个子块的ml检测结果通过比特整合器处理得到最终的接收信号。

47、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过将四维球形码调制引入otfs-im系统，增大待检测星座点间的距离，提高了系统的检测性能和通信容量；(2)信号检测前的均衡方法可以选择频谱效率较高的mmse或复杂度较低的mrc；(3)分析推导平均误比特率近似值和papr上界值，本发明的papr性能比传统otfs通信系统的更好。