一种预编码辅助的基于OTFS的通导融合系统波形设计方法

本发明涉及通信，更具体的，涉及一种预编码辅助的基于otfs的通导融合系统波形设计方法。

背景技术：

1、如今我国在通信与导航领域的发展日渐成熟，伴随着地面通信网络与卫星导航系统的迭代，两者的融合发展已成为重要课题。基于低轨卫星广覆盖、全天候、低时延、低传输损耗的特点，实现低轨卫星和地面网络的融合是未来的必然趋势，也是建设天地一体化网络的重要组成。随着通信导航业务的增加，实现通信与导航的融合已不止于相互辅助的信息层融合，更要实现信号体制、终端设计、系统架构的整体深层次融合。其中对通导一体化的波形设计是实现深层融合的关键，如何在系统约束、频率功率约束条件下实现通信系统性能及导航性能的均衡并能够满足系统需求是系统设计的重点。

2、目前通信导航一体化信号体制设计主要包括两个方向，方向一是共享频谱式通信导航信号一体化，其中通信导航信号独立设计，但共享频谱功率等系统资源，由于地面通信网络中正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)制式的广泛使用，大多对通信导航信号一体化波形的研究以ofdm为基础。北京邮电大学的邓中亮团队提出了一种tc-ofdm波形，该波形将通信信号与导航信号在时域上进行叠加。此外，也有文献将通信导航信号在ofdm的频域上进行融合。方向二是融合的通信导航一体化信号体制，在优化的调制体制及调制参数的条件下，同时实现导航测量与通信功能。其中包括二进制相移键控(binary phase shift keying，bpsk)、连续相位调制(continue phasemodulation，cpm)、最小频移键控(minimum shift keying，msk)等调制体制，但是上述信号的捕获过程中均需要对多普勒域进行密集的搜索，随着信号动态的提高以及相干积分时长的提高，接收机的接收复杂度将急剧提高。

3、考虑到低轨卫星传输中存在大时延大多普勒，信道呈现双选特性，ofdm对于频偏和相位噪声敏感，这对接收机的频偏估计和补偿具有很高的要求。相较之下正交时频空调制(orthogonal time frequency space，otfs)波形将数据直接映射在时延多普勒域，使其在高速移动场景具有优异的性能，因此本发明基于otfs波形进行通信导航融合波形设计。此外在otfs系统中，信道在时延多普勒域呈现稳定性，这使得能够在系统中引入预编码对发送信号进行预处理，从而优化误码性能。

技术实现思路

1、本发明提供一种预编码辅助的基于otfs的通导融合系统波形设计方法，该方法在otfs的基础上，创新性地引入预编码技术辅助通导融合信号的波形设计，解决了现有通导融合系统波形设计难以兼顾通信和导航信号的性能的问题，大大提升了通导融合系统中通信信号与导航信号的误码率性能。该方法利用预编码器对通信信号、导航信号进行不同程度的加权组合以及信号预处理，紧接着基于otfs进行信号传输。相比于传统的无预编码器辅助的通导融合波形设计方法，所提出的方法在通信信号以及导航信号的误码率方面都具有明显优势。

2、为实现上述目标，本发明的技术方案如下：

3、一种预编码辅助的基于otfs的通导融合系统波形设计方法，包括以下步骤：

4、s1：输入通信、导航信息序列，对通信信息序列进行正交相移键控(quadraturephase shift keying，qpsk)调制，对导航信息序列进行二进制偏移载波(binary-offset-carrier，boc)调制；

5、s2：将调制后的通信信号以及导航信号进行串并转换，得到通信信号sc＝[sc，1，...，sc，n]t和导航信号sn＝[sn，1，...，sn，n]t，并指定通信信号加权因子a(0<a<1)以及导航信号加权因子1-a；

6、s3：将信号sc与sn进行组合得到信号s，根据s2中指定的加权因子生成对应的预编码器p后处理信号s，得到处理后的信号x＝ps；

7、s4：利用otfs技术将信号x由时延多普勒域映射到时域，添加循环前缀后进行传输；

8、s5：将接收端接收到的信号移除循环前缀后从时域重新映射到时延多普勒域，并利用最小均方误差(minimum mean squared error，mmse)方法进行均衡，得到均衡后的信号y；

9、s6：对均衡后的信号y中的通信信号部分进行并串转换及qpsk解调，获取通信信息，对均衡后的信号y中的导航信号部分进行并串转换及解调，获取导航电文并计算位置信息。

10、优选地，本发明所述方法的系统框图如图1所示。其中，该基于otfs的通导融合系统可支持nsubc个间隔为δf的子载波，总带宽为b＝nsubc·δf；每个子载波支持nsym个持续时间为tsym的符号，总帧长为t＝nsym·tsym。

11、优选地，所述步骤s1中导航信号序列为{0，1}序列，其中包含卫星的轨道、钟差及时标等信息。通信信号序列为{0，1}序列。

12、优选地，所述步骤s2中的加权因子a代表了通导融合信号中通信信号的比重，加权因子1-a代表了通导融合信号中导航信号的比重，通过调节a，可以使通导融合信号偏向通信或偏向导航。

13、优选地，所述步骤s3中预编码器p的确定方法具体为：

14、根据图1，信号矢量s经过预编码器p后得到信号x＝ps，通过辛有限傅里叶逆变换(inverse symplectic finite fourier transform，isfft)将x从时延多普勒域映射到时频域，对应的时频域矩阵可表示为其中，dn表示n阶归一化的离散傅里叶变换(discrete fourier transform，dft)矩阵，函数mtx(a,b,c)的功能是将任意矢量a排列为b×c的矩阵。随后，通过heisenberg变换，即可将信号从时频域映射到时域，对应的时域信号可表示为其中函数vec(a)的功能是将任意矩阵a排列为列向量。此后，在信号xt中插入循环前缀，即可进行发送，一般循环前缀长度应大于最大时延扩展。在接收端，将接收信号的循环前缀移除后，可得到信号rt＝hxt+n，其中h为时频双选信道，n为均值为0、方差为的加性高斯白噪声，注意im表示m阶单位阵。通过对接收信号rt做wigner变换，可将其从时域映射到时频域，再对该时频域信号做辛有限傅里叶变换(symplectic finite fourier transform，sfft)可得到时延多普勒矩阵随后，将ydd向量化后，即可得到时延多普勒域的接收信号为之后，信号r进入mmse均衡器w后，得到最终处理后的信号y＝whr，其可被重写为如下表达式：

15、

16、其中，表示等效mmse均衡器，表示等效信道。

17、为了尽可能降低数据传输的误码率以及体现加权因子a的作用，将加权mmse判据作为预编码器设计的准则。在此条件下，预编码器设计的目标函数应为处理后的接收信号y与加权后的原信号λs间的均方误差(mean squared error，mse)，其中对角阵该mse其可表示为：

18、

19、对发射机的发射功率做出限制，假定其最大发射功率为pmax，则预编码器设计需满足以下功率约束条件：

20、

21、因此，通过求解以下优化问题即可求解出期望的预编码器p：

22、

23、s.t.tr(pph)≤pmax

24、将等效mmse均衡器代入上式，可得到以下等价优化问题：

25、

26、s.t.tr(pph)≤pmax

27、最终，基于最优化理论，本发明给出预编码器的一个闭式解p★如下：

28、

29、其中，∑1和v1来自等效信道的瘦奇异值分解p为矩阵的秩，q＝nsubc·nsym-p，yp＝[ip op×q]。

30、优选地，所述步骤s4的作用是对预编码器处理后的信号进行otfs调制、添加循环前缀后发送。具体地，通过isfft将x＝ps从时延多普勒域映射到时频域，得到时频域矩阵随后，通过heisenberg变换，将信号从时频域映射到时域，得到时域信号所添加的循环前缀长度大于最大时延扩展。

31、优选地，所述步骤s5的作用是对接收信号进行otfs解调以及均衡。具体地，通过对移除循环前缀的接收信号rt＝hxt+n进行wigner变换，将其从时域映射到时频域，再对该时频域信号做sfft可得到时延多普勒矩阵随后，将ydd向量化后，即可得到时延多普勒域的接收信号紧接着，对信号r进行mmse均衡，得到最终处理后的通导融合信号y＝whr，其中，mmse均衡器由以下式子给出：

32、

33、优选地，所述步骤s6的作用是对通导融合信号y进行相应的解调，获取通信以及导航的信息。