正交时频空波形优化关键技术研究

作     者：许向楠 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨平

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：正交时频空 峰值平均功率比 分段压扩函数 帝国主义竞争算法 选择性映射 

摘      要：未来第六代移动通信(The sixth-generation of mobile communications,6G)将具有更高的性能和更多维度的新能力,根据6G业务的泛在性和行业应用的丰富性,其将包含高移动性宽带(High Moving Speed Broadband,HMSBB)、超高速宽带(Ultra High Rate Broadband,UHRBB)和超低时延高可靠(Ultra Low Latency and High Reliability,ULLHR)等七大典型应用场景。其中HMSBB场景将满足高移动速度下的高数据率覆盖需求,但是在该场景下需要克服高移动性的多普勒频移来保证通信质量。正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)是近几年提出的一种新型多载波技术,它可以通过相应的变换将无线时变信道转化为时延多普勒域上近似平稳的二维信道,从而表现出对多普勒频移的鲁棒性,因此它在6G中具有很好的应用前景。然而,作为一种多载波技术,OTFS也存在峰均比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)过高的问题。一般来说,通信系统中功率放大器的动态范围是有限的,当高PAPR信号的瞬时功率超过了放大器的线性范围,将导致信号的非线性失真,从而导致系统性能的下降。另一方面,较高的带外功(Out-of-Band,OOB)率辐射也是 OTFS 的一个问题,因为较高的 OOB 功率辐射会产生邻近信道干扰,最终影响通信的质量。本文联合PAPR和OOB功率辐射两个方面对OTFS这一波形进行优化,主要内容如下:第一章介绍了 OTFS的背景和发展前景、以及OTFS的研究现状。第二章详细介绍了 OTFS系统的基本原理与信号模型,然后推导了 OTFS信号PAPR的上界,给出了表征其PAPR的互补累积分布函数(Complementary Cumulative Distribution Function,CCDF)的解析表达式。第三章首先通过一些经典的方式来对OTFS的PAPR进行抑制,并结合仿真结果分析其性能。具体而言,基于传统的压扩算法,提出分段压扩函数方案,该方案通过修改信号幅值的分布,来最大限度降低信号在压扩过程中的失真程度。仿真结果表明,分段压扩函数在PAPR和误比特率(Bit Error Rate,BER)方面均优于传统的μ律压扩。针对SLM算法,采用帝国主义竞争算法(Imperialist Competition Algorithm,ImCA)对其进行改进,提出智能的ImCA-SLM方案。仿真结果表明,在PAPR抑制上,ImCA-SLM相比于SLM具有很大程度的提升。第四章把第三章的研究进行了扩展。首先在多输入多输出系统中,把ImCA-SLM和分段压扩函数方案进行了分析与扩展。然后基于ImCA-SLM,通过CP-OTFS对信号进行时域加窗,在降低PAPR的同时抑制OOB功率辐射,在接收端进行重构来补偿信号的失真,仿真结果表明该方案能够有效抑制PAPR和OOB功率辐射,并且不会对信号造成失真。随后基于Saleh模型,研究了分段压扩函数方案在非线性条件下的性能。仿真结果表明,在两种非线性的条件下,分段压扩函数的BER性能均优于传统的μ律压扩。最后在第五章对全文进行了简要总结并且指出了本文相关工作在研究过程中的不足和未来的研究方向。