高速移動通信系統(tǒng)中OTFS分?jǐn)?shù)多普勒信道估計加窗研究

蔣占軍 劉慶達(dá) 張 鈜 劉 歡

(蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 蘭州 730070)

1 引言

正交時頻空間(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)是一種能夠適應(yīng)未來高速移動通信系統(tǒng)中時變信道特性的調(diào)制技術(shù)。與正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Divisio-n Multiplexing,OFDM)相比，OTFS通過一系列的2維變換，將時頻域中雙色散信道轉(zhuǎn)換為時延多普域中的時不變2維信道，使發(fā)送符號受到較小的子載波干擾[1,2]，并且同一個OTFS數(shù)據(jù)幀中的所有符號都經(jīng)歷了與時間選擇無關(guān)的慢衰落，從而能夠取得更充分的分集增益和更顯著的抗衰落性能[3,4]。此外，在時延多普勒域中OTFS信道具有稀疏性，能夠在減少導(dǎo)頻數(shù)目的同時進(jìn)行有效的信道估計，特別是在多普勒頻移較大的衰落信道中依然能夠保持良好的性能[5]。然而，在時延多普勒域中由于多普勒頻移維度的分辨率較低，即非整數(shù)的采樣在整數(shù)離散化網(wǎng)格中會導(dǎo)致多普勒頻移的彌散，進(jìn)而形成額外的分?jǐn)?shù)多普勒頻移虛擬路徑，從而產(chǎn)生多普勒間干擾(Inter Doppler Interference, IDI)[6,7]。這種干擾通常會降低信道的稀疏性和信道估計的準(zhǔn)確性，增加估計時計算的復(fù)雜度。

為了能夠估計出分?jǐn)?shù)多普勒信道的狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)，嵌入式輔助導(dǎo)頻信道估計方法通過將設(shè)計好的導(dǎo)頻圖案添加到OTFS時延多普勒域輸入輸出關(guān)系中，利用閾值比較的方式能夠比較準(zhǔn)確地估計出等效信道的CSI，但不能準(zhǔn)確估計出每條真實(shí)物理路徑中信道CSI，從而導(dǎo)致較為復(fù)雜的信號檢測，并且該方法需要的導(dǎo)頻信噪比較高，可能會造成峰均比過高[8]。針對該問題，基于偽噪聲序列(Pseudo-Noise sequence,PN)的信道估計方法利用OTFS時域輸入輸出關(guān)系，通過匹配濾波能夠估計出每條實(shí)際物理信道的分?jǐn)?shù)多普勒頻移，但系統(tǒng)需要較大的計算量才能準(zhǔn)確估計小數(shù)部分，并且該方法對序列2維相關(guān)性要求較高[9]。為了降低匹配過程中的計算復(fù)雜度，文獻(xiàn)[10]提出了一種在時延多普勒域中進(jìn)行匹配濾波的信道估計算法，該算法首先利用獨(dú)自成幀的脈沖導(dǎo)頻估計出等效信道，然后通過互相關(guān)匹配濾波估計出各路徑的信道CSI，由于其匹配濾波過程能夠通過FFT簡化，因此大大降低了信道估計的復(fù)雜度，但該方案在估計等效信道時所占導(dǎo)頻資源較大，并且匹配濾波時會受到同一時延路徑其他不匹配信號的干擾[10]。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種節(jié)省導(dǎo)頻資源的脈沖匹配濾波(Pilot Resource Saving-Pulse Matched Filtering, PRS-PMF)信道估計算法，并在其基礎(chǔ)上通過對OTFS系統(tǒng)進(jìn)行加窗設(shè)計，進(jìn)一步提高了分?jǐn)?shù)多普勒信道估計的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)誤碼率性能。

2 分?jǐn)?shù)多普勒信道下OTFS系統(tǒng)輸入-輸出模型

圖1 OTFS系統(tǒng)框圖

3 導(dǎo)頻資源節(jié)省的脈沖匹配濾波信道估計算法(PRS-PMF)

3.1 等效信道分析與導(dǎo)頻設(shè)計

圖2 分?jǐn)?shù)/整數(shù)多普勒矩形窗口多普勒域信道擴(kuò)展對比

圖3 脈沖導(dǎo)頻圖案設(shè)計

圖4 嵌入式導(dǎo)頻輔助導(dǎo)頻圖案設(shè)計

3.2 PRS-PMF算法實(shí)現(xiàn)

表1 導(dǎo)頻圖案資源占用率(%)比較

表2 計算復(fù)雜度比較

4 加Dolph-Chebyshev(DC)窗的PRSPMF算法

4.1 加窗后等效信道理論分析

4.2 仿真分析

本文針對OTFS系統(tǒng)在經(jīng)過PRS-PMF信道估計，加DC窗后PRS-PMF信道估計及文獻(xiàn)[9]中的基于PN序列的信道估計后分別進(jìn)行均方誤差和誤碼率性能分析，OTFS系統(tǒng)參數(shù)由表4列出。

加窗雖然會降低窗口響應(yīng)的旁瓣電平，減少主瓣整數(shù)樣點(diǎn)數(shù)量，但也會降低主瓣的電平，為了適應(yīng)PRS-PMF信道估計算法，應(yīng)將DC窗口時域響應(yīng)乘以系數(shù)以使主瓣電平達(dá)到矩形窗水平。但這種操作會帶來兩個方面的問題：一是旁瓣下降電平設(shè)置太大，DC窗口響應(yīng)主瓣中除被估計點(diǎn)的其他整數(shù)樣點(diǎn)電平會大于矩形窗口的整數(shù)樣點(diǎn)電平；二是旁瓣下降電平設(shè)置太小，DC窗口響應(yīng)旁瓣中整數(shù)樣點(diǎn)電平會大于矩形窗口的整數(shù)樣點(diǎn)電平。因此需要對DC窗的旁瓣下降電平做一折中。

表3 本文PRS-PMF信道估計算法步驟

表4 仿真參數(shù)設(shè)置

圖5 不同旁瓣電平的DC窗口對加窗匹配函數(shù)的影響

圖6 不同旁瓣電平的DC窗口信道估計誤差

圖7 矩形窗及添加DC窗信道估計誤差對比

最后，本文對比了OTFS系統(tǒng)分別使用文獻(xiàn)[6]PN序列信道估計算法，本文改進(jìn)PRS-PMF信道估計算法和本文添加DC窗PRS-PMF信道估計算法后進(jìn)行最小均方誤差[14](Minimum Mean Square Error, MMSE)檢測后的塊誤碼率(BLock Error Rate, BLER)及誤碼率(Bit Error Rate, BER)性能。如圖8和圖9所示，基于文獻(xiàn)[9]PN序列信道估計算法的OTFS系統(tǒng)BER和BLER性能最差，基于矩形窗的PRS-PMF信道估計算法改善了OTFS系統(tǒng)的性能，添加DC窗PRS-PMF信道估計算法的OTFS系統(tǒng)性能最好，幾乎接近理想信道估計下的OTFS系統(tǒng)性能。另外，實(shí)際的高速移動場景下，OTFS時延多普勒信道進(jìn)行多普勒域離散化時通常會產(chǎn)生小數(shù)，特殊情況下會是整數(shù)，以上理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)都表明，添加DC窗PRS-PMF信道估計算法具有一定的普遍性，即能夠較準(zhǔn)確地對OTFS分?jǐn)?shù)和整數(shù)多普勒信道進(jìn)行估計。結(jié)果還表明，與OFDM相比，OTFS對多普勒頻移具有更強(qiáng)的魯棒性。

圖8 不同信道估計下采用MMSE檢測塊誤碼率

圖9 不同信道估計下采用MMSE檢測誤碼率

5 結(jié)束語

本文在互相關(guān)匹配濾波信道估計算法的基礎(chǔ)上，提出降低導(dǎo)頻占用資源的OTFS PRS-PMF信道估計算法。該算法在等效信道估計過程中將數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻設(shè)計在同一個OTFS幀中，并用FFT方法降低互相關(guān)匹配濾波時的計算復(fù)雜度。最后利用加窗的方法提高了信道估計的準(zhǔn)確度，改善了系統(tǒng)誤碼率性能。然而，本文只考慮了OTFS的一種系統(tǒng)，下一步可對不同OTFS系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的窗函數(shù)，并擴(kuò)展到MIMO-OTFS系統(tǒng)中上下行鏈路的信道估計。