[发明专利]一种计算复杂度低的正交时频空调制的均衡方法

摘要

一种计算复杂度低的正交时频空OTFS调制的均衡方法，是基于线性最小均方误差的迭代并行干扰消除，对正交时频空调制在时频双选信道下的二维码间干扰进行均衡的方法。该方法能够有效利用重构符号的协方差矩阵缓解残余二维码间干扰对OTFS系统性能的影响，以便更好地利用时频二维增益，提高系统可靠性；还利用时频二维分解和辛傅里叶变换的性质对LMMSE‑PIC中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，降低该均衡方法的计算复杂度，使之仅与传输符号总数呈准线性关系，与信道稀疏程度无关而提高系统有效性。本发明的上述性能优势能使正交时频空调制在时频双选信道下显著地提高时频二维分集增益，提高非理想信道译码器反馈时的接收机性能，推广应用前景看好。

主权项

1.一种计算复杂度低的正交时频空调制OTFS(Orthogonal Time Frequency Space Modulation)的均衡方法，其特征在于：所述方法是基于线性最小均方误差迭代并行干扰消除LMMSE‑PIC(Linear Minimum Mean Squared Error based Parallel Interference Cancellation)的OTFS均衡方法，该方法利用重构信号的协方差矩阵缓解残余二维码间干扰对OTFS系统性能的影响，以便更好地利用时频二维增益，提高系统可靠性；还利用时频二维分解和辛傅里叶变换SFT(Symplectic Fourier Transform)的性质对LMMSE‑PIC中的逆矩阵进行一阶纽曼级数近似，以降低该均衡方法的计算复杂度，使之仅与传输符号总数呈准线性关系，与信道稀疏程度无关而提高系统有效性；所述方法包括以下操作步骤：步骤1，初始化设置相关参数：根据系统的时延要求，设置最大迭代次数I_max；首先设置初始化的迭代次数I＝1，因首次迭代时，没有可用的信道译码反馈信息，故初始化信道译码器反馈的、对于编码比特的先验对数似然比向量为零向量；式中，向量L^a中的上标(·)^a表示先验，下标K和M分别是子载波数量和OTFS符号数量，Q为正交振幅调制星座QAM(Quadrature Amplitude Modulation)星座集合Ξ的调制阶数，上标[·]^T表示矩阵转置；需要说明的是，信道译码器提供的对数似然比格式是编码比特为0的概率与其为1的概率比值的自然对数；步骤2，软调制重构传输向量：利用先验对数似然比向量L^a作为输入，重构OTFS在延时‑多普勒平面的传输星座点向量d＝[d₁,d₂,...,d_MK]^T，输出关于d的大小为KM的软符号均值向量和大小为KM×KM的对角协方差矩阵其中，输出的软符号均值向量μ^a中的第k+(m‑1)K个元素为：式中，的两个自然数下标k和m分别是子载波和OTFS符号的序列号，两者的最大值分别是K和M；Σ和Π分别是累加和连乘的运算符号，∈是“归属于”符号，是表示对星座集合中的全部元素使用括号内的公式，再对该公式返回的值进行求和的运算符号，p(·)是计算括号内事件发生概率的运算符号，编码比特向量z与星座点χ的对应公式是z:自然数下标q是星座点χ对应的编码比特向量z的序列号，其最大值为Q；z_q是编码比特向量z的第q个元素，tanh是双曲正切函数运算符号，其是通过查表法或cordic算法对其进行低复杂度近似计算；输出的对角协方差矩阵的第k+(m‑1)K个对角元素为：式中，|·|是对复数取模的运算符号；因第一次迭代的Σ^a＝I_KM，即在I＝1时的步骤1，初始化设置L^a为零向量，根据和的两个计算公式，能够直接设置软符号均值向量μ^a＝0_KM和对角协方差矩阵Σ^a＝I_KM，都不需要消耗计算复杂度；上述两式中的0_KM表示大小为KM×1的零向量，I_KM表示大小为KM×KM的单位矩阵；步骤3，对延时‑多普勒平面上的接收信号使用逐成分非偏的CWCU‑LMMSE(component‑wise conditionally unbiased linear minimum mean squared estimator)估计器执行均衡处理：利用步骤2得到的软符号均值向量μ^a＝0和对角协方差矩阵Σ^a＝I_KM，对输入的延时‑多普勒平面的接收信号b使用CWCU‑LMMSE估计器对二维码间干扰进行均衡处理后，输出关于d的大小为KM的外部均值向量和大小为KM×KM的外部对角协方差矩阵：式中，上标(·)^e表示外部；根据CWCU‑LMMSE的原理，输出的外部均值μ^e和外部对角协方差矩阵Σ^e分别为：式中，(·)^‑1是矩阵求逆的运算符号，偏移修正矩阵Θ的表达式为：Θ＝diag(U^HΛ^H(ΛUΣ^aU^HΛ^H+σ²I_KM)^‑1ΛU)；其中，diag(·)表示输出一个对角矩阵，其对角元素由括号内矩阵的对角元素组成；因为CWCU‑LMMSE估计器中的逆矩阵(ΛUΣ^aU^HΛ^H+σ²I_KM)^‑1的计算复杂度的阶数高达O((KM)³)，上述公式中的O表示复杂度阶数，故根据辛傅里叶变换性质：UU^H＝U^HU＝I_KM，使用一阶纽曼Neumann级数对该逆矩阵运算进行近似：式中，(·)^H和tr(·)分别是矩阵转置和矩阵求迹的运算符号，因使用上述低复杂度近似计算的替代，使得偏移修正矩阵Θ的表达式被简化为：式中，为先验协方差的样本均值，为标量，故藉由上式可知，Θ的计算转换为只需要计算标量θ，故输出的外部均值向量μ^e就相应地简化为：步骤4，逐符号高斯近似输出对数似然比：利用步骤3得到的外部均值μ^e和外部对角协方差矩阵Σ^e作为输入，与信道译码反馈先验对数似然比向量L^a结合，输出大小为KMlog₂Q的外部对数似然比向量步骤5，信道译码反馈：利用步骤4得到的外部对数似然比向量L^e作为输入，经过解交织器处理后，送至采用包括BCJR译码算法的软信道译码器进行译码处理后；判断迭代次数I＜I_max是否成立；若是，则将译码器输出的软信息，再经过交织器处理作为先验对数似然比向量L^a输入，并更新迭代次数I＝I+1后，继续执行步骤2的相应操作；若否，即已经达到最大迭代次数，则根据译码器输出的软信息对信息比特进行判决，并终止迭代处理，结束全部流程。