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基于正交时频空调制的水声通信关键技术研究

基于正交时频空调制的水声通信关键技术研究

作者：林静怡哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制技术是一种用于无线通信中,改善并解决高速移动通信系统受到的严重多普勒效应及信道影响的方案。通过将信号放置在时延-多普勒域进行调制而非时频域,可使OTFS相比传统的正交频分复... 详细信息

正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制技术是一种用于无线通信中,改善并解决高速移动通信系统受到的严重多普勒效应及信道影响的方案。通过将信号放置在时延-多普勒域进行调制而非时频域,可使OTFS相比传统的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术能够更有效地抵抗多普勒频移效应,同时具有更低的信号峰均比和发射机复杂度,可有效消除或改善OFDM系统受到的水声双扩展信道的影响,进而提升水声通信系统的稳定性。本文对基于OTFS调制方式的水声通信系统关键技术进行了研究,利用OTFS技术可以与多载波调制解调器良好结合的优势基础,构建了一种基于OTFS调制的水声通信系统。在时变水声信道下,从噪声强度、多途及多普勒效应等方面对其进行了理论仿真与实际测试,并通过仿真以及实测数据解调结果对基于OTFS的水声通信系统的性能进行了评估和验证。首先介绍了 OTFS以及OFDM调制技术的基本架构,针对时变水声信道的复杂性,从衰减和噪声、多途、多普勒效应、时变性等方面进行理论仿真分析。基于时变声传播模型建立起能够完整描述信道测试系统性能的时变水声信道模型。在射线声学模型的基础上增加发射机与接收机之间的相对运动以及风速影响海洋随机起伏界面特性等环境因素对于信道的影响,对不同参数设定下的水声信道特性进行仿真分析,更精细地表示了水声信道变化特征,为后续水声通信系统的建立提供了信道假设基础。在理论研究的基础上,本文构建了一种基于OTFS的水声通信系统。详细介绍了OTFS水声通信系统的基本架构,通过在上述建立的时变水声信道模型下进行了仿真,仿真结果表明,在双扩展信道的恶劣环境条件下,随着信噪比的增大,OTFS系统整体上较OFDM系统误码率降低的幅度更大,且表现出了更佳的抗多普勒频移能力。当误码率处于10-4的量级时,编码后的OTFS-BPSK的系统性能较OFDM-BPSK系统提升了近2dB。该方法已于2022年12月在中国荆门漳河水库进行了浅水实验验证。实验数据表明,在0.5～1km的水平范围内,收发双方处于相对运动状态下,编码后的OTFS-BPSK的误码率达到了 4.41×10-4,当误码率处于10-3的量级时,编码后的OTFS-BPSK 比 OFDM-BPSK性能提升1.5dB左右。由仿真及实验结果表明,OTFS水声通信系统可以作为传统OFDM系统的备选方案,这为提升高速水声通信系统的稳健性方面提供了新的思路和研究方向。

关键词：水声通信正交时频空调制时变水声信道

车联网系统中基于正交时频空调制传输体制研究

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车联网系统中基于正交时频空调制传输体制研究

作者：梁文龙杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着车联网技术的发展,V2X(Vehicle to Everything)场景在3GPP定义的场景中最高单车移动速度为140km/h,车对车最高相对移动速度将达到280km/h。后续演进标准中单车绝对移动速度提高到200m/h,载波频率将从原来的6GHz延展到毫米波频段。... 详细信息

随着车联网技术的发展,V2X(Vehicle to Everything)场景在3GPP定义的场景中最高单车移动速度为140km/h,车对车最高相对移动速度将达到280km/h。后续演进标准中单车绝对移动速度提高到200m/h,载波频率将从原来的6GHz延展到毫米波频段。由此可见,未来e V2X/NR-V2X中的多普勒效应会更加严重。正交时频空调制(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)技术由于对时变无线信道的鲁棒性与正交频分复用(Orthogonal Frequency Di vision Multiplexing,OFDM)的兼容性,已经成为了第六代(6-Generation,6G)无线通信系统的候选调制方式。它通过将调制后的数据符号放置在时延-多普勒域中,并将其扩展到时频域,从而在高速场景下利用了时间与频率选择信道下的全分集增益。该技术具有重要的研究与实用意义。可重构智能反射表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS),由于其具有无源可控硬件结构,一定程度上解决了信道不可控的难题,被视为6G中一项关键技术。为了解决车联网系统中由于高速移动产生的多普勒效应影响通信质量的问题,本文在OTFS系统中引入RIS,提出了一种OTFS系统中基于匹配滤波的多普勒分集算法,由车联网系统中获得发射端,RIS辅助系统、接收端的相对位置以及用户的速度,构建系统几何模型。基于位置信息估计不同路径信号的多普勒频偏对接收信号进行多普勒谱搬移,接着对搬移后的接收信号进行匹配滤波。基于此多普勒分集方案的特点,本文提出了一种基于多普勒干扰抑制能力最大化的多RIS优化选择方案。仿真结果表明本文提出的基于匹配滤波的多普勒分集算法相对于传统的OTFS系统可获得更好的误码性能。此外,本文所提出的多RIS优化选择算法与随机RIS选择算法相比,其误码性能可获得较大改善。由于OTFS继承了OFDM对同步误差的敏感性,OTFS系统在设计时必须考虑到高多普勒频移下的定时同步。为了解决这个问题,本文提出了一种OTFS系统中基于时延-时间域导频序列的定时同步的方法,首先通过分析导频扩展到时延-时域之后的导频序列特征,发现其与Zaddoff-Chu序列的关系,之后推导出导频序列转换系数矩阵,对时延-时域的数据通过转换系数矩阵进一步处理,最终使时延-时域内的导频序列转换为Zaddoff-Chu序列进行发送。在接收端利用Zaddoff-Chu序列良好的自相关与互相关特性,分别估计时延维度与时间维度的偏移量,然后得到符号起始位置。仿真结果表明提出的定时同步算法相对于传统的基于导频的定时同步方法以及传统的定时同步方法有着更高的准确性与更低的复杂度。

关键词：正交时频空调制可重构智能反射面车联网技术多普勒分集算法 RIS选择算法定时同步方法

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基于正交时频空调制的感知信号处理算法

无线电通信技术 2023年第1期49卷 100-109页

作者：熊礼亮刘喜庆公佳龙彭木根北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876

在高移动性场景中,利用正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制实现通感一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)技术具有显著优势。然而,OTFS-ISAC的波形设计及其信号处理极具挑战因而成为了悬而未决的难题... 详细信息

在高移动性场景中,利用正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制实现通感一体化(Integrated Sensing and Communication,ISAC)技术具有显著优势。然而,OTFS-ISAC的波形设计及其信号处理极具挑战因而成为了悬而未决的难题。针对OTFS-ISAC感知接收处理时性能受限的问题,提出了基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)和基于正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)的感知信号处理算法。利用MMSE准则最小化均方误差进行感知,根据残差与原子相关性最大的准则迭代获得雷达感知信道的稀疏逼近元。仿真结果表明,相较于已有研究,所提方法不仅能准确感知目标,还获得了显著的感知性能增益,验证了所提方法的正确性与有效性。

关键词：正交时频空调制通感一体化感知信号处理最小均方误差正交匹配追踪

正交时频空调制峰均比降低及限幅噪声恢复技术研究

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正交时频空调制峰均比降低及限幅噪声恢复技术研究

作者：高爽西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着移动通信的发展,现代通信系统必须满足高速率移动场景下的高质量通信需求,正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制作为一种新型的二维调制技术,将调制信号所经历的衰落、时变信道转换为具有恒定增益的非衰落、与时... 详细信息

随着移动通信的发展,现代通信系统必须满足高速率移动场景下的高质量通信需求,正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制作为一种新型的二维调制技术,将调制信号所经历的衰落、时变信道转换为具有恒定增益的非衰落、与时间无关的信道,显著提升了系统在高移动场景下的性能。本文主要对正交时频空调制降低PAPR(Peak to Average Power Ratio,PAPR)方法和限幅噪声恢复方法进行研究。首先,本文介绍了OTFS系统的信号模型,分析OTFS系统在时延-多普勒域的信号检测算法和信道估计方法,通过仿真实验,对比了不同检测算法在静态和时变信道下不同的系统性能。然后,理论分析了OTFS系统峰均功率比(PAPR)的定义和PAPR的概率分布,为后续的算法设计提供基础。接着,为了降低OTFS系统的PAPR,本文研究了传统的限幅法,限幅滤波法和简化的限幅滤波法。在此基础上,提出了一种基于传统ICF(Iteration Clipping and Filtering,ICF)方法的降低嵌入式导频OTFS系统PAPR的新方法。该方法通过合理利用导频和数据保护间隔提供的自由度对限幅噪声进行滤波,降低了信号PAPR。同时,通过动态调整滤波系数,保证了该方法在PAPR和BER性能之间有一个良好的权衡。结果表明,与传统的限幅法相比,所提方法可有效降低系统PAPR,BER性能也有显著提升。最后,基于压缩感知算法,提出了一种基于可靠性压缩感知的限幅噪声恢复方法。该方法首先通过初始估计获得ICF限幅噪声的可靠观测,然后利用限幅噪声的稀疏特性,采用压缩感知算法实现限幅噪声的有效恢复。仿真结果表明,采用提出的限幅噪声恢复方法能够有效改善ICF的误码性能。

关键词：正交时频空调制峰均功率比限幅滤波法限幅噪声压缩感知

OTFS系统SBL-Turbo压缩感知信道估计算法

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信号处理 2024年第6期40卷 1074-1081页

作者：张华卫刘佳蒋占军李翠然唐喜娟兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070

针对正交时频空调制(OTFS)系统由多普勒频移引起的信道估计准确度下降的问题,本文提出了一种联合无线信道在时延-多普勒域稀疏特性的SBL-Turbo压缩感知信道估计算法。首先,对时延-多普勒域稀疏信道建模,使其服从以噪声功率为条件的高斯... 详细信息

针对正交时频空调制(OTFS)系统由多普勒频移引起的信道估计准确度下降的问题,本文提出了一种联合无线信道在时延-多普勒域稀疏特性的SBL-Turbo压缩感知信道估计算法。首先,对时延-多普勒域稀疏信道建模,使其服从以噪声功率为条件的高斯先验分布,利用稀疏贝叶斯学习模块估计得到稀疏信道的均值与方差,并结合期望最大化算法更新高斯先验模型中的参数。其次,引入了LMMSE(线性最小均方误差)估计器模块,该模块对稀疏信道的后验分布进行再估计,提高估计的准确度。通过对每个模块估计得到的信道后验分布进行数据处理,使得模块的输入值与输出值解耦,进而减少模块间的错误传播。最后,两个模块采用Turbo结构迭代估计信道的后验分布,得到信道状态信息。实验结果表明,相较于其他估计方法,该算法能够显著提高信道估计的精度,并且改善系统的误码率性能,能够有效地解决OTFS系统中由多普勒频移引起的信道估计问题。

关键词：正交时频空调制信道估计压缩感知稀疏贝叶斯学习

基于时延-多普勒域信号稀疏性的OTFS帧同步算法

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电信科学 2024年第5期40卷 49-61页

作者：陈杨杨海艳程恺英刘恒马征中国西南电子技术研究所四川成都610036 西南交通大学信息编码与传输实验室四川成都610031 中国人民解放军93216部队北京100085

针对单导频结构的正交时频空(orthogonal time frequency and space,OTFS)调制系统接收信号特性,提出了一种基于时延-多普勒域的帧同步算法,该算法无须在发送信号中插入前导码,而是利用单导频OTFS帧结构特征,通过计算接收信号在时延-多... 详细信息

针对单导频结构的正交时频空(orthogonal time frequency and space,OTFS)调制系统接收信号特性,提出了一种基于时延-多普勒域的帧同步算法,该算法无须在发送信号中插入前导码,而是利用单导频OTFS帧结构特征,通过计算接收信号在时延-多普勒域的稀疏度并结合单导频位置的变化对帧同步位置进行判断。仿真实验结果表明,所提方案在高信噪比下有一定性能优势,且随着移动速度的增加,所提方案相较于对比方案的性能优势更加明显,因此,更适合应用于高速甚至超高速移动通信场景中。

关键词：正交时频空调制单导频结构稀疏性帧同步

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面向太赫兹通信的改进OTFS波形调制与设计

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无线电通信技术 2024年第3期50卷 535-540页

作者：龚晔刘瑞霖慕镐泽侯延昭北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876

太赫兹(Terahertz,THz)通信在6G网络中展现了潜在的重要性,具有高传输速率、强抗干扰能力和易于信号检测等优点。回顾了已有的THz信道建模工作,分析了关键参数如分子吸收效应和传播距离的早期模型,以及基于纳米网络小粒子散射效应的时... 详细信息

太赫兹(Terahertz,THz)通信在6G网络中展现了潜在的重要性,具有高传输速率、强抗干扰能力和易于信号检测等优点。回顾了已有的THz信道建模工作,分析了关键参数如分子吸收效应和传播距离的早期模型,以及基于纳米网络小粒子散射效应的时域和频域信道模型。强调了THz通信技术面临的挑战,如功率放大器效率和多普勒扩展效应,这些限制了THz的传输距离和性能。鉴于这些挑战,提出了对波形设计的新要求,对增强正交时频空(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)波形进行了设计和研究,以减少高速移动带来的多普勒效应,搭建物理层仿真链路模型测量改进OTFS的性能。通过仿真和性能比较,展示了所提增强OTFS波形相对于传统波形的优越性。

关键词：太赫兹通信正交时频空调制路径损耗

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一种基于小数倍多普勒信道的OTFS信道估计方法

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计算机应用研究 2024年第3期41卷 900-904页

作者：夏麒煜王华华李峰重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

针对现有正交时频空(OTFS)调制系统的信道估计中存在的高峰均比和小数倍多普勒信道下估计困难及复杂度高的问题,提出了一种基于序列导频的匹配滤波(SMF)信道估计方法。该算法首先将序列导频与数据联合成帧,依靠序列的自相关性获取路径... 详细信息

针对现有正交时频空(OTFS)调制系统的信道估计中存在的高峰均比和小数倍多普勒信道下估计困难及复杂度高的问题,提出了一种基于序列导频的匹配滤波(SMF)信道估计方法。该算法首先将序列导频与数据联合成帧,依靠序列的自相关性获取路径数、时延和整数倍多普勒;然后通过互相关匹配滤波估计小数倍的多普勒抽头和信道增益,从而得到信道状态信息;最后根据小数倍信道整数采样的特征,更新信道增益和信道初始相位。仿真结果表明,该方法相比基于嵌入式脉冲导频的信道估计,改善了峰均比,并提高了信道估计性能。相比于传统的序列导频,该方法可以估计得到小数倍多普勒抽头,估计的信道状态信息更准确。该信道估计方法更具有普遍性。

关键词：正交时频空调制信道估计峰均比序列导频

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基于通感一体化的车联网信号波形设计研究

长江信息通信 2024年第5期37卷 212-215页

作者：雷祖华中国电信股份有限公司重庆客户服务调度中心运营管理部重庆400900

6G网络以其对空天地海实现的全覆盖和通感算智技术的融合应用,可支持“万物智联”下的各种应用。在基于通信感知一体化的车联网应用中,为了满足目标对象的通信和定位、测距、测速等感知需求,在无线接口则需要波形设计、波束赋形等空口... 详细信息

6G网络以其对空天地海实现的全覆盖和通感算智技术的融合应用,可支持“万物智联”下的各种应用。在基于通信感知一体化的车联网应用中,为了满足目标对象的通信和定位、测距、测速等感知需求,在无线接口则需要波形设计、波束赋形等空口关键技术的支持。通过通信感知一体化网络系统中无线空口的信号波形设计方案进行研究,对比分析多种方案的特点及其对车联网应用的适应性。特别对可解决感知信号多普特频移的正交时频空调制方案的实现方式和调制过程进行具体探究,分析了其峰值平均功率比,并对其应用于车联网可能面临的挑战进行了探讨。

关键词： 6G 车联网通感一体化正交时频空调制多普特频移

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