一种基于OTFS信号的信道估计方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及信道估计技术领域，公开了一种基于OTFS信号的信道估计方法及系统，该信道估计方法，通过导频位置所携带的信息，恢复出导频位置对应的时域信道矩阵参数，通过二维插值方式，恢复出完整的时域信道矩阵。本发明专利技术解决了现有技术存在的估计方式复杂、精度较低、浪费较多的传输资源等问题。费较多的传输资源等问题。费较多的传输资源等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于OTFS信号的信道估计方法及系统


[0001]本专利技术涉及信道估计
，具体是一种基于OTFS信号的信道估计方法及系统。

技术介绍

[0002]可靠的无线通信系统是高质量实时通信的必要条件。伴随着我国基础设施的快速建设，高速公路、高铁等具有高多普勒频移的场景下通信质量较差，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)系统不能满足这些场景中的通信需求。随着5G技术的全面推广，正交时频空(Orthogonal Time Frequency & Space, OTFS)系统被提出，OTFS系统能够基于OFDM系统实现。在高速场景中信道环境快速变化，并且高速移动信道具有快速衰落特性、多径效应、多普勒效应等特性，这些特性导致传统的信道估计方式性能较差，并且会严重破坏子载波间正交性，引入子载波间干扰(Inter Carrier Interference, ICI)的影响。传统信道估计方式不能有效的消除ICI的影响，通过信道估计结果恢复出的频域信道矩阵精度较低，由此导致解调信号出现严重失真。将OTFS系统应用于高多普勒频移的环境中，在延时
‑
多普勒(Delay
‑
Doppler, DD)域中信道矩阵变化缓慢，通过在时频(Time Frequency, TF)域与DD域中设计均衡器，能够有效的消除ICI的影响。
[0003]现有的信道估计技术主要包括基于信道统计特性的信道估计方式、基于导频辅助的信道估计方式。基于信道统计特性的信道估计方式精度较高，但是其计算复杂度与时间复杂度较高，并且其中存在大型的求逆运算，在实际的通信系统中不考虑该方法。基于导频辅助的信道估计方式，在考虑节约传输成本的前提下，通过设置收发双方已知的导频信号，设计信道估计算法，能够有效的降低计算复杂度，并且估计精度能够满足实时通信系统的需求。时域导频插入方式将OTFS符号时间内所有子载波信号为导频信号，通过计算该时间内所有信号的信道冲激响应值，能够较好的还原信道在该符号时间内的变化，但占用较多的数据信号资源，并且在快速衰落信道中性能较差。频域导频插入方式通过设置的插入间隔，将不同OTFS符号时间内的子载波信号设置为导频信号，能够有效的跟踪信道在不同符号时间内的变化，在快速衰落信道中表现良好，但仍存在数据信号资源占用过多的问题。
[0004]OTFS系统在延时
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多普勒域中生成OTFS信号，调制模块通过离散辛傅里叶逆变换(Inverse Discrete Symplectic Fourier Transform, IDSFT)可将OTFS信号转换为时频域的OFDM发射信号。后处理模块通过离散辛傅里叶变换(Discrete Symplectic Fourier Transform, DSFT)可将OFDM接收信号转换为OTFS接收信号。在高速移动环境下OFDM系统容易受到时频双选特性的影响，导致干扰项过大难以消除，尽管通过设计的信道估计算法能够消除ICI的影响，但由于信道快速变化，不能有效的跟踪信道的动态变化，因此信道估计精度较低。常见的使用时域导频与频域导频插入方式进行信道估计的方式，通常采用一维插值的方式获得完整的信道信息，插值所得到的信道信息不能同时考虑到时域与频域的信道特性。常见的一维插值方式有线性插值方式、最近邻点插值方式的等，这些插值方式均依
赖于信道估计结果，对信道估计结果精度要求较高，在高速移动环境下移动速度本身是变化的，导致信道环境中会出现障碍物遮挡变化的情况，因此一维插值方式存在明显缺陷。
[0005]综上，现有信道估计技术大多都是对信道冲激响应进行估计，通过得到的信道冲激响应恢复时域信道矩阵，进一步恢复出频域信道矩阵，估计方式复杂，精度较低，浪费较多的传输资源。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于OTFS信号的信道估计方法及系统，解决现有技术存在的估计方式复杂、精度较低、浪费较多的传输资源等问题。
[0007]本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于OTFS信号的信道估计方法，通过OTFS信号矩阵中导频位置所携带的信息，恢复出导频位置对应的频域信道矩阵参数，通过二维插值方式，恢复出完整的频域信道矩阵。
[0008]作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：S1，数据信号向量映射：生成所需传输的延时
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多普勒域的OTFS数据信号向量，对数据信号向量进行映射操作，得到映射之后的延时
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多普勒域的数据信号向量；S2，导频插入：通过离散辛傅里叶逆变换将映射后的延时
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多普勒域的数据信号向量转换为时频域的数据信号向量；生成导频信号并且进行映射操作，得到映射后的导频信号向量；将映射后的导频信号插入时频域数据信号向量中；S3，信号传输模型构造：构造发射端的基脉冲矩阵以及接收端的基脉冲矩阵，使用发射端的基脉冲矩阵替代发射端所需使用的离散傅里叶逆变换矩阵，使用接收端的基脉冲矩阵替代接收端所需使用的离散傅里叶变换矩阵，生成时域发射信号，并且构造信号传输模型；S4，接收信号估计：使用最小二乘信道估计方法恢复导频位置对应的频域信道矩阵中的元素，通过二维插值的方式获得完整的频域信道矩阵信息，最后通过均衡获得最终的接收信号估计值；S5，频域信道矩阵估计：利用步骤S4获得的接收信号估计值对频域信道矩阵进行估计。
[0009]作为一种优选的技术方案，步骤S1包括以下步骤：S11，生成个所需传输的延时
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多普勒域的数据信号向量；S12，将生成的个数据信号向量进行映射，得到映射之后的延时
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多普勒域的数据信号向量为；其中，表示子载波数量，表示OTFS符号数量，表示插入的导频数量，表示映射的阶数，表示中元素的行编号，表示中元素的列编号，，。
[0010]作为一种优选的技术方案，步骤S2包括以下步骤：
S21，对映射之后的延时
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多普勒域的数据信号向量进行离散辛傅里叶变换，生成时频域的发射信号向量，变换公式如下：；其中，表示中元素的行编号，表示中元素的列编号，，；S22，生成个时频域的导频信号，然后对导频信号进行映射操作，得到维度的导频信号向量；S23，将导频信号向量按照格型导频的插入方式，插入到时频域的发射信号中，构成时频域发射信号矩阵；其中，时频域发射信号矩阵由元素构成，表示的行编号，表示的列编号，，，表示时频域信号矩阵中第n个子载波上第m个OTFS符号时间内所携带的信号。
[0011]作为一种优选的技术方案，步骤S3包括以下步骤：S31，生成发射端的基脉冲参数，表达式如下：；使用奈奎斯特采样速率对发射端的基脉冲进行采样，采样之后得到发射端的基脉冲向量，的维度为，由此推导出发射端的基脉冲矩阵表示，的维度为；其中，T表示符号时间间隔，F表示子载波间的间隔，表示矩形脉冲，表示相移参数，表示第n个采样点在延迟m个符号时间间隔之后对应的发射端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OTFS信号的信道估计方法，其特征在于，通过OTFS信号矩阵中导频位置所携带的信息，恢复出导频位置对应的频域信道矩阵参数，通过二维插值方式，恢复出完整的频域信道矩阵。2.根据权利要求1所述的一种基于OTFS信号的信道估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，数据信号向量映射：生成所需传输的延时
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多普勒域的OTFS数据信号向量，对数据信号向量进行映射操作，得到映射之后的延时
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多普勒域的数据信号向量；S2，导频插入：通过离散辛傅里叶逆变换将映射后的延时
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多普勒域的数据信号向量转换为时频域的数据信号向量；生成导频信号并且进行映射操作，得到映射后的导频信号向量；将映射后的导频信号插入时频域数据信号向量中；S3，信号传输模型构造：构造发射端的基脉冲矩阵以及接收端的基脉冲矩阵，使用发射端的基脉冲矩阵替代发射端所需使用的离散傅里叶逆变换矩阵，使用接收端的基脉冲矩阵替代接收端所需使用的离散傅里叶变换矩阵，生成时域发射信号，并且构造信号传输模型；S4，接收信号估计：使用最小二乘信道估计方法恢复导频位置对应的频域信道矩阵中的元素，通过二维插值的方式获得完整的频域信道矩阵信息，最后通过均衡获得最终的接收信号估计值；S5，频域信道矩阵估计：利用步骤S4获得的接收信号估计值对频域信道矩阵进行估计。3.根据权利要求2所述的一种基于OTFS信号的信道估计方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：S11，生成个所需传输的延时
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多普勒域的数据信号向量；S12，将生成的个数据信号向量进行映射，得到映射之后的延时
‑
多普勒域的数据信号向量为；其中，表示子载波数量，表示OTFS符号数量，表示插入的导频数量，表示映射的阶数，表示中元素的行编号，表示中元素的列编号，，。4.根据权利要求3所述的一种基于OTFS信号的信道估计方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S21，对映射之后的延时
‑
多普勒域的数据信号向量进行离散辛傅里叶变换，生成时频域的发射信号向量，变换公式如下：
；其中，表示中元素的行编号，表示中元素的列编号，，；S22，生成个时频域的导频信号，然后对导频信号进行映射操作，得到维度的导频信号向量；S23，将导频信号向量按照格型导频的插入方式，插入到时频域的发射信号中，构成时频域发射信号矩阵；其中，时频域发射信号矩阵由元素构成，表示的行编号，表示的列编号，，，表示时频域信号矩阵中第n个子载波上第m个OTFS符号时间内所携带的信号。5.根据权利要求4所述的一种基于OTFS信号的信道估计方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：S31，生成发射端的基脉冲参数，表达式如下：；使用奈奎斯特采样速率对发射端的基脉冲进行采样，采样之后得到发射端的基脉冲向量，的维度为，由此推导出发射端的基脉冲矩阵表示，的维度为；其中，T表示符号时间间隔，F表示子载波间的间隔，表示矩形脉冲，表示相移参数，表示第n个采样点在延迟m个符号时间间隔之后对应的发射端的基脉冲向量；S32，生成接收端的基脉冲参数，其具体表达式如下所示：；使用奈奎斯特采样速率对接收端的基脉冲进行采样，采样之后得到接收端的
基脉冲向量，的维度为，由此推导出接收端的基脉冲矩阵表示：，的维度为；其中，表示比短的矩形脉冲，表示第n个采样点在延迟m个符号时间间隔之后对应的接收端的基脉冲向量；S33，在OTFS系统与OFDM系统当中，发射端的基脉冲矩阵与接收端的基脉冲矩阵满足以下表达式：；其中，表示埃尔米特转置操作，表示维度的单位矩阵；通过结合发射端的基脉冲参数和时频域发射信号，得到时域发射信号，表示为：；采用矩阵表达来替换上述生成时域发射信号的操作，具体表达如下：；其中，表示时域发射信号向量，的维度为，表示时频域发射信号向量，是由时频域发射信号矩阵按着列取出的元素所构成的向量，具体表达为：，的维度为；S34，将时域发射信号向量中元素按顺序取出，构成时域发射信号矩阵，的维度为，构造信号的传输模型如下所示：；其中，表示均值为0、方差为的高斯白噪声，表示时频域的接收信号向量，表示频域信道矩阵。6.根据权利要求5所述的一种基于OTFS信号的信道估计方法，其特征在于，的具体表达如下所示：
；矩阵的维度为，为时域信道矩阵，由元素构成，表示时间区间内的时变的信道冲激响应，的维度为；取时域信道矩阵主对角线元素构成向量，的维度为，中的第个元素可以表示为：；频域信道矩阵用下式替代：；其中，对矩阵使用表示取主对角线元素构成向量；对向量使用表示返回一个正方形对角矩阵,其中，正方形对角矩阵的主对角线上的元素为向量，其余元素均为0；于是，将信号的传输模型表达为：；其中，的维度为。7.根据权利要求6所述的一种基于OTFS信号的信道估计方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄子懿，折卫东，苏莹，王娟，
申请(专利权)人：成都航天通信设备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：