高速移动环境下OTSM迭代检测算法研究.pdf

高速移动环境下OTSM迭代检测算法研究李国军龙锟叶昌荣*梁佳文(重庆邮电大学超视距可信信息传输研究所重庆400065)(重庆邮电大学光电工程学院重庆400065)(重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065)(重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室博士后科研工作站重庆400065)摘要：正交时序复用(OrthogonalTimeSequencyMultiplexing,OTSM)通过级联时分和沃尔什-哈达玛(WHT)复用将信息符号在时延和序列域进行复用。由于WHT在调制解调过程不需要进行复杂的乘法运算，相比于正交时频空(OTFS)调制有更低的调制复杂度。该文针对高速移动环境下的OTSM系统提出了一种二级均衡器：首先利用信道矩阵的稀疏性和带状结构在时域逐块进行低复杂度MMSE检测；随后采用高斯-赛德尔(GS)迭代检测进一步消除残余符号干扰。仿真结果表明，所提算法与基于单抽头频域均衡的GS迭代检测算法相比，采用16QAM调制且误码率为104时有1.8dB性能增益。关键词：正交时序复用；时延-序列域；沃尔什-哈达玛变换；高斯-赛德尔迭代检测中图分类号：TN926文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)06-2098-07DOI:10.11999/JEIT220541Research on OTSM Iterative Detection Algorithm inHigh-speed Mobile EnvironmentLIGuojunLONGKunYEChangrongLIANGJiawen(Lab of Beyond LOS Reliable Information Transmission,Chongqing University of Posts andTelecommunications,Chongqing 400065,China)(School of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts andTelecommunications,Chongqing 400065,China)(Postdoctoral Research Workstation of Chongqing Key Laboratory of Optoelectronic Information Sensing andTransmission Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)Abstract:OrthogonalTimeSequencyMultiplexing(OTSM)multiplexesinformationsymbolsinthedelay-sequencedomainthroughconcatenatedtimedivisionandWalsh-Hadamardmultiplexing.DuetotheWalsh-HadamardTransform(WHT)doesnotrequirecomplexmultiplicationoperationsinthemodulationanddemodulationprocess,ithaslowermodulationcomplexitythanOrthogonalTime-FrequencySpace(OTFS).Inthispaper,atwo-stageequalizerisproposedforOTSMsystemsinhigh-speedmobileenvironments.First,low-complexityMMSEdetectionisperformedblock-by-blockinthetimedomainbyutilizingthesparsityandbandstructureofthechannelmatrix;ThenGauss-Seid(GS)iterativedetectionfurtherremovesresidualsymbolinterference.Thesimulationresultsshowthat,comparedwiththeGSiterativedetectionalgorithmbasedonsingle-tapfrequencydomainequalization,theproposedalgorithmhasaperformancegainof1.8dBwhen16QAMmodulationisusedandthebiterrorrateis104.Key words:OrthogonalTimeSequencyMultiplexing(OTSM);Delay-sequencedomain;Walsh-Hadamardtransform;GaussSeideliterativedetection收稿日期：2022-05-05；改回日期：2022-09-15；网络出版：2022-10-13*通信作者：叶昌荣基金项目：国家重点研发计划(2019YFC1511300)，重庆市基础研究与前沿探索项目(cstc2021ycjh-bgzxm0072)FoundationItems:TheNationalKeyR&DProgramofChina(2019YFC1511300),ChongqingBasicResearchandFrontierExplorationProject(cstc2021ycjh-bgzxm0072)第45卷第6期电子与信息学报Vol.45No.62023年6月JournalofElectronics&InformationTechnologyJun.20231 引言未来无线通信系统要求在各种新兴应用，如低地球轨道卫星、高速列车、无人机等高速移动场景中进行可靠数据传输1。然而，高移动性无线通信系统中存在高多普勒频移，当前广泛采用的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex-ing,OFDM)系统会遭受严重的载波间干扰(Inter-CarrierInterference,ICI)2,3。正交时频空(Ortho-gonalTimeFrequencySpace,OTFS)调制在快衰落信道中性能表现卓越，具有高频谱效率和较低的峰均功率比等优点47。OTFS将信息符号调制在时延-多普勒域，而不是传统的时间-频率域，这使得每个数据帧中的符号都经历了近似恒定的时延-多普勒域非衰落信道8，很好地解决了OFDM在高速移动环境下的不足。尽管OTFS可以提供良好的误码性能，但时频域中的2维预编码9会增加收发器的调制复杂度。最近，文献10提出了一种新颖的2维调制方案：正交时序复用(OrthogonalTimeSe-quencyMultiplexing,OTSM)调制，其关键思想是将信息符号调制在时延-序列域。OTSM沿序列域进行沃尔什-哈达玛逆变换(InverseWalsh-Had-mardTransform,IWHT)11,12将置于时延-序列域中的信息符号转换为时延-时间域，最后在时域中进行信号传输和接收。与OTFS沿多普勒域进行IFFT相比，沃尔什-哈达玛变换(Walsh-HadmardTransform,WHT)只涉及加法和减法运算，因此OTSM有着更低的调制复杂度。同时，OTSM有着与OTFS类似的性能，为高移动性无线信道实现可靠通信提供了一种低复杂度调制方案。对于2维调制的检测算法方面，2018年，Rav-iteja等人13,14利用时延-多普勒域信道的稀疏性提出了一种基于消息传递(MessagePassing,MP)的迭代检测算法，但MP算法需要通过大量迭代不断逼近最优性能，计算复杂度极高。2020年，Thaj等人15针对OTFS提出了一种基于最大比合并(MaximalRatioCombining,MRC)的低复杂度迭代判决反馈均衡器(DecisionFeedbackEqualizer,DFE)。仿真结果表明，与目前最先进的MP检测器相比，该检测器在性能和复杂度上都得到了很好的提高。2021年，Thaj等人针对OTSM提出了一种低复杂度迭代检测器。类似于文献16提出的二级均衡器，首先在时频域设计一个单抽头最小均方均衡器抑制载波间干扰，随后在时域中采用高斯-赛德尔(Gauss-Seidel,GS)迭代检测进一步消除残余符号干扰。然而在高多普勒频移无线信道中，单抽头最小均方均衡器性能十分有限，严重影响GS迭代检测算法的收敛速度和误码性能。为实现高移动性无线信道中数据的可靠传输，本文针对OTSM系统提出了一种新的二级均衡器。首先在时域中逐块进行MMSE检测，随后利用GS迭代算法进一步消除残余符号干扰。为进一步降低系统复杂度，本文利用信道矩阵的稀疏性和带状结构对其进行低复杂度LU分解17，并通过前向替换和后向替换算法避免了矩阵求逆运算。仿真结果表明，所提算法与传统基于单抽头均衡的GS迭代检测相比有显著的性能提升，当采用4QAM调制且误码率为106时性能增益为1.211dB，采用16QAM调制且误码率为104时性能增益为1.785dB。2 OTSM系统结构x,y CNM1Tf=NTB=Mff=1/T本文将以矩阵形式表示OTSM系统模型，图1给出了OTSM、OTFS以及OFDM之间的转换关系。假设分别表示发送和接收信息符号，OTSM信号帧的持续时间和带宽分别为和，其中。OTSM系统收发框图如图2所示。2.1 发送端x=xT0,xT1,.,xTM1TMxm CN1,m=0,1,.,M 1X CMN在发送端，信息符号被分成个符号向量，随后将其放置于时延-序列域矩阵，其中矩阵列和行的索引分别表示时延-序列网格的时延和序列抽头索引。图1不同离散信息符号域与相应调制方案之间的关系第6期李国军等：高速移动环境下OTSM迭代检测算法研究2099X=x0,x1,.,xM1T(1)XxmNX中最后 行符号向量设为零向量，其中 表示离散信道时延扩展长度。如图2所示，零填充(ZeroPadding,ZP)有助于避免由信道时延扩展引起的块间干扰。对符号向量进行点WHT(归一化后与沿序列域做IWHT等价)，得到时延-时间域矩阵X=x0,x1,.,xM1T=X WN(2)Xs CNM1对矩阵逐列向量化得到符号向量s=vec(X)(3)ss(t)符号向量 经过脉冲整形和数模变换后以的形式传输到无线信道。2.2 接收端r(t)r CNM1rY在接收端，接收到的时域信号经模数变换之后得到时域向量，将 矩阵化得到时延-时域矩阵Y=vec1N,M(r)(4)YN对矩阵进行点WHT得到接收到的时延-序列域信息符号Y=y0,y1,.,yM1T=Y WN(5)2.3 信道和输入输出关系Phiiviimaxvmax考虑一个具有条传播路径的时变信道，其中,和分别是第 条路径的路径增益，时延和多普勒频移。令和分别表示信道中的最大时延扩展和多普勒频移，则信道时延扩展长度和多普=maxMf=vmaxNT=20 MN=65536=16 MN=65536勒扩展长度分别为和，其中为向上取整函数。假设考虑一个载波频率为4GHz、子载波间隔为15kHz,N=128,M=512的OTSM系统，采用3GPP所提出的扩展车辆信道模型(ExtendedVehicularAmodel,EVA)，时延-多普勒扩展长度可以计算为,。基于时延-多普勒域的信道脉冲响应可以表示为h(,v)=Pi=1hi(i)(v vi)(6)相应的连续时变信道冲激响应函数可表示为g(,t)=vh(,v