一种基于加窗处理的MIMO-OTFS信道估计方法

摘要

本发明提出一种基于加窗处理的MIMO‑OTFS信道估计方法。所述方法在分数多普勒情况下，OTFS时频域加窗能提升时延‑多普勒域等效信道的稀疏性，有利于信道估计，本发明利用了这种良好的特性，在MIMO‑OTFS系统的发射端每个天线发射数据的时频域均进行了加窗操作。本发明设计了一种MIMO‑OTFS系统的导频区域放置方式，这种方式一定程度上节省了MIMO‑OTFS系统导频开销，本发明在分数多普勒情况下能实现准确的信道估计，其误码性能接近于理想信道估计误码性能。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域中正交时频空间(Orthogonal Time Frequency Space，OTFS)调制的信道估计方法，具体涉及到一种基于加窗处理的MIMO-OTFS信道估计方法。

背景技术

保证高速移动场景下的通信质量是未来6G规划中的重要环节。然而，OFDM技术在高速移动场景下面临严峻挑战，例如高多普勒频移会破坏OFDM子载波正交性，进而影响通信质量。为了克服传统OFDM技术在高速移动场景下的限制，有学者提出来正交时频空间调制/解调技术。该调制/解调技术是在时延-多普勒域上进行数据调制，其能够保证在高速移动通信场景下的通信质量。但是，实际信道复杂多变，信道通常不是整数多普勒频偏条件的理想信道，这导致OTFS系统面临着分数多普勒干扰的问题，给信道估计带来了较大挑战。

MIMO技术利用了多根发射天线和多根接收天线，充分的提高了移动通信系统的空间分集增益和空间复用增益。多个接收天线能够同时接收来自同一根发送天线的多个独立副本，从而提高通信系统的稳定性和可靠性。MIMO技术还能将待发送的数据分为多个并行数据流，分别通过不同的天线传输，以提高系统的传输速率。MIMO-OTFS技术结合了MIMO和OTFS技术的优势，提供了高速移动场景下更稳定的通信系统性能，而对于MIMO-OTFS系统的信道估计是MIMO-OTFS系统的重要环节，其决定着整个系统的性能，所以对于分数多普勒情况下，MIMO-OTFS系统信道估计的研究有深刻的研究价值。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种基于加窗处理的MIMO-OTFS信道估计方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于加窗处理的MIMO-OTFS信道估计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、初始化操作，设定发射天线与接收天线索引的初始值d＝0,c＝0；设置阈值系数Γ

生成时延-多普勒域中多普勒轴等效信道的函数：

上式中，Υ

P(x)＝Q

步骤二、更新接收天线索引，d＝d+1；

步骤三、更新发射天线索引，c＝c+1；接下来估计第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的信道参数；

步骤四、设置初始路径值i＝0；

步骤五、根据导频区域位置关系，在y

(c-1)(2k

步骤六、更新路径索引i＝i+1；

步骤七、进行互相关操作，

上式中，N

步骤八、寻找互相关函数

步骤九、根据步骤八得出的最大互相关值所在的位置以及数值，估计出如下的信道参数：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的整数多普勒值与分数多普勒值：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的时延值：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的增益：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的相位值：

其中，与时延值、多普勒值有关的相位：

其中，初始相位：

步骤十、更新

步骤十一、判断是否停止迭代，停止迭代的条件:

其中σ为噪声方差，如果不满足停止迭代的条件，回到步骤六更新循环次数，后续继续进行迭代，如果停止迭代则进行步骤十二；

步骤十二、得到估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道P条路径所有的整数多普勒值与分数多普勒值、时延值、增益以及初始相位值，进而得到第c根发射天线与第d根接收天线之间的信道矩阵H

步骤十三、判断c＞N

步骤十四、判断d＞N

步骤十五、得到MIMO-OTFS整体的矩阵：

得到整体矩阵H

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种基于加窗处理的MIMO-OTFS信道估计方法。基于加窗处理的OTFS系统相比传统的OTFS系统，在信道估计方面有着更好的性能表现。本发明将导频区域嵌入到数据中，排布不同天线的导频，并进行发射端的时频域加窗处理，分数多普勒情况下，加窗能减少不同天线的导频区域之间的干扰，在满足正交性的条件下，提升信道估计的性能。同时，采用参考窗函数主瓣宽度和多普勒拓展值来设计匹配的模板函数，可以减少相关计算的冗余，从而降低运算量。这种嵌入式导频放置方式也更能反映当前帧真实的信道影响，从而提升信道估计的准确性。

附图说明

图1是发射端导频放置示意图，以天线1发射端与天线2发射端的导频放置为例，横坐标为时延-多普勒域数据的时延轴，纵坐标为时延-多普勒域数据的多普勒轴。

图2是基于加窗处理的MIMO-OTFS系统框图。

图3是接收端导频区域示意图；横坐标为时延-多普勒域数据的时延轴，纵坐标为时延-多普勒域数据的多普勒轴。

图4是MIMO-OTFS信道估计方法流程图。

图5是OTFS误码率曲线图，横坐标为信噪比，纵坐标为误码率，对比了传统阈值判决法和本发明信道估计方法的误码性能。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-图5，为便于分析，首先介绍无线信道的时延-多普勒域表述以及MIMO-OTFS系统中时延-多普勒域信道冲激响应的等效表示矩阵，明确需要估计的各项信道参数。

在MIMO-OTFS系统中，假设第c根发射天线与第d根接收天线存在P

式中，P

将第c根发射天线与第d根接收天线之间的信道的第i条路径的时延值和多普勒频移值可以分别离散化为

采用矩阵形式表示，第d根接收天线接收到的信号可以表示为：

其中，X

式中，N

式中，y[k,l]为OTFS接收端接收的时延-多普勒域数据，k为数据的多普勒轴索引，l为数据的时延轴索引，z[k,l]为OTFS接收端接收噪声的时延-多普勒域表示，x[k′,l′]为OTFS发送端发送出的时延-多普勒域数据，k′为数据的多普勒轴索引，l′为数据的时延轴索引。H

经推导第c根发射天线与第d根接收天线之间的信道时延-多普勒域信道等效冲激响应具体表示如下式所示：

式中，H

上式中Υ

MIMO-OTFS信道估计算法，需要估计出所有发射天线与接收天线之间信道P条路径所有的整数多普勒值与分数多普勒值、时延值、增益以及初始相位，用于后续的信道均衡。

综上分析，在实际操作过程中，具体操作步骤如下：

1、对于第c根发射天线的数据，在时延-多普勒域进行串并转换，排列数据信号并插入导频，并在设置的导频区域范围内进行零填充。

其中，x

k

l

上式中k

2、逆辛傅里叶变换(Inverse Symplectic Finite Fourier Transform,ISFFT)将第c根发射天线的时延-多普勒域数据转换为时频域数据。

上式中x

3、对于第c根发射天线的时频域数据进行加窗操作：

Υ

4、进行海森堡变换，将加窗后的第c根发射天线的时频域数据转换为时域信号，其表示形式如下：

上式中s

5、由发射天线发送的时域信号经过多径信道到达第d根接收天线处，第d根天线接收端接收到时域信号为r

上式中，z

Y

6、辛傅里叶变换(Symplectic Finite Fourier Transform,SFFT)操作，将第d根接收天线接收的时频域数据转换为时延-多普勒域数据y

7、进行信道估计步骤得到信道矩阵H

步骤一、初始化操作，设定发射天线与接收天线索引的初始值d＝0,c＝0；设置阈值系数Γ

生成时延-多普勒域中多普勒轴等效信道的函数：

上式中，Υ

P(x)＝Q

步骤二、更新接收天线索引，d＝d+1；

步骤三、更新发射天线索引，c＝c+1；接下来估计第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的信道参数；

步骤四、设置初始路径值i＝0；

步骤五、根据导频区域位置关系，在y

(c-1)(2k

步骤六、更新路径索引i＝i+1；

步骤七、进行互相关操作，

上式中，N

步骤八、寻找互相关函数

步骤九、根据步骤八得出的最大互相关值所在的位置以及数值，估计出如下的信道参数：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的整数多普勒值与分数多普勒值：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的时延值：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的增益：

估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道的第i条路径的相位值：

其中，与时延值、多普勒值有关的相位：

其中，初始相位：

步骤十、更新

步骤十一、判断是否停止迭代，停止迭代的条件:

其中σ为噪声方差，如果不满足停止迭代的条件，回到步骤六更新循环次数，后续继续进行迭代，如果停止迭代则进行步骤十二；

步骤十二、得到估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道P条路径所有的整数多普勒值与分数多普勒值、时延值、增益以及初始相位值，进而得到第c根发射天线与第d根接收天线之间的信道矩阵H

步骤十三、判断c＞N

步骤十四、判断d＞N

步骤十五、得到MIMO-OTFS整体的矩阵：

得到整体矩阵H

8、信道均衡与移除导频

在时延-多普勒域进行MIMO-OTFS信道均衡，根据导频位置移除导频，得到最终接收数据。

实施例

具体实施体现其性能，其具体实现步骤如下：

1、初始化操作：仿真2×2MIMO系统，设置时延-多普勒域的格点数，设置M＝16，N＝16，载波间隔选取为Δf＝15kHz，载波选取f＝2GHz。

产生随机数据流并进行QPSK调制，调制之后进行串并转换，而后插入导频，设置导频保护间隔为k

2、在发送端，对于每一个发送天线的数据均进行ISFFT操作，将每个天线的时延-多普勒域数据转化为时频域数据；

3、对每一个发送天线时频域数据进行加窗操作，在时频域数据的时间轴乘上窗函数，窗函数以选取切比雪夫窗为例；

4、对每一个发送天线数据，经过海森堡变换将时频域数据转化为时域信号；

5、信号经过多径信道；

6、接收端每一个接收天线得到时域信号之后进行维格纳变换以及SFFT操作，将数据转化为时延-多普勒域数据；

7、采用本发明中的MIMO-OTFS信道估计方法：

步骤一、首先得到加切比雪夫窗的互相关模板函数，并设置阈值Γ

步骤二、更新接收天线索引，d＝d+1。

步骤三、更新发射天线索引，c＝c+1；接下来估计第c根发射天线与第d根接收天线之间的信道参数：

步骤四、设置初始路径值i＝0。

步骤五、根据导频区域位置关系，在y

步骤六、更新循环次数i＝i+1；

步骤七、进行互相关操作，以分辨率δ＝0.1遍历搜索区间[-k

步骤八、寻找

步骤九、根据步骤八得出的最大互相关值所在位置以及数值，估计出相应的信道参数。

步骤十、利用步骤九得到的参数根据式(10)更新

步骤十一、根据式(11)判断是否停止迭代，如果停止迭代则继续进行后续步骤，否则回到步骤六进行下一次路径寻找。

步骤十二、得到估计出的第c根发射天线与第d根接收天线之间信道P条路径所有的整数多普勒值与分数多普勒值、时延值、增益以及初始相位值，进而得到第c根发射天线与第d根接收天线之间的信道矩阵H

步骤十三、判断c＞N

步骤十四、判断d＞N

步骤十五、得到MIMO-OTFS整体的矩阵：

得到整体矩阵H

步骤十六、迭代结束，输出所有路径的信道参数。

8、进行MMSE均衡，均衡后移除导频，并进行QPSK解调得到接收数据。