高速移動通信系統中OTFS分數多普勒信道估計加窗研究

蔣占軍 劉慶達 張 鈜 劉 歡

(蘭州交通大學電子與信息工程學院 蘭州 730070)

1 引言

正交時頻空間(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)是一種能夠適應未來高速移動通信系統中時變信道特性的調制技術。與正交頻分復用(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換為時延多普域中的時不變2維信道，使發送符號受到較小的子載波干擾[1,2]，并且同一個OTFS數據幀中的所有符號都經歷了與時間選擇無關的慢衰落，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，能夠在減少導頻數目的同時進行有效的信道估計，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，即非整數的采樣在整數離散化網格中會導致多普勒頻移的彌散，進而形成額外的分數多普勒頻移虛擬路徑，從而產生多普勒間干擾(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確性，增加估計時計算的復雜度。

為了能夠估計出分數多普勒信道的狀態信息(Channel State Information, CSI)，嵌入式輔助導頻信道估計方法通過將設計好的導頻圖案添加到OTFS時延多普勒域輸入輸出關系中，利用閾值比較的方式能夠比較準確地估計出等效信道的CSI，但不能準確估計出每條真實物理路徑中信道CSI，從而導致較為復雜的信號檢測，并且該方法需要的導頻信噪比較高，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時域輸入輸出關系，通過匹配濾波能夠估計出每條實際物理信道的分數多普勒頻移，但系統需要較大的計算量才能準確估計小數部分，并且該方法對序列2維相關性要求較高[9]。為了降低匹配過程中的計算復雜度，文獻[10]提出了一種在時延多普勒域中進行匹配濾波的信道估計算法，該算法首先利用獨自成幀的脈沖導頻估計出等效信道，然后通過互相關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雜度，但該方案在估計等效信道時所占導頻資源較大，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，本文設計了一種節省導頻資源的脈沖匹配濾波(Pilot Resource Saving-Pulse Matched Filtering, PRS-PMF)信道估計算法，并在其基礎上通過對OTFS系統進行加窗設計，進一步提高了分數多普勒信道估計的準確性和系統誤碼率性能。

2 分數多普勒信道下OTFS系統輸入-輸出模型

圖1 OTFS系統框圖

3 導頻資源節省的脈沖匹配濾波信道估計算法(PRS-PMF)

3.1 等效信道分析與導頻設計

圖2 分數/整數多普勒矩形窗口多普勒域信道擴展對比

圖3 脈沖導頻圖案設計

圖4 嵌入式導頻輔助導頻圖案設計

3.2 PRS-PMF算法實現

表1 導頻圖案資源占用率(%)比較

表2 計算復雜度比較

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系統在經過PRS-PMF信道估計，加DC窗后PRS-PMF信道估計及文獻[9]中的基于PN序列的信道估計后分別進行均方誤差和誤碼率性能分析，OTFS系統參數由表4列出。

加窗雖然會降低窗口響應的旁瓣電平，減少主瓣整數樣點數量，但也會降低主瓣的電平，為了適應PRS-PMF信道估計算法，應將DC窗口時域響應乘以系數以使主瓣電平達到矩形窗水平。但這種操作會帶來兩個方面的問題：一是旁瓣下降電平設置太大，DC窗口響應主瓣中除被估計點的其他整數樣點電平會大于矩形窗口的整數樣點電平；二是旁瓣下降電平設置太小，DC窗口響應旁瓣中整數樣點電平會大于矩形窗口的整數樣點電平。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 仿真參數設置

圖5 不同旁瓣電平的DC窗口對加窗匹配函數的影響

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系統分別使用文獻[6]PN序列信道估計算法，本文改進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[9]PN序列信道估計算法的OTFS系統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系統的性能，添加DC窗PRS-PMF信道估計算法的OTFS系統性能最好，幾乎接近理想信道估計下的OTFS系統性能。另外，實際的高速移動場景下，OTFS時延多普勒信道進行多普勒域離散化時通常會產生小數，特殊情況下會是整數，以上理論推導和仿真實驗都表明，添加DC窗PRS-PMF信道估計算法具有一定的普遍性，即能夠較準確地對OTFS分數和整數多普勒信道進行估計。結果還表明，與OFDM相比，OTFS對多普勒頻移具有更強的魯棒性。

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 結束語

本文在互相關匹配濾波信道估計算法的基礎上，提出降低導頻占用資源的OTFS PRS-PMF信道估計算法。該算法在等效信道估計過程中將數據和導頻設計在同一個OTFS幀中，并用FFT方法降低互相關匹配濾波時的計算復雜度。最后利用加窗的方法提高了信道估計的準確度，改善了系統誤碼率性能。然而，本文只考慮了OTFS的一種系統，下一步可對不同OTFS系統設計相應的窗函數，并擴展到MIMO-OTFS系統中上下行鏈路的信道估計。