面向高速移动环境的二级信号检测算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023050580

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (4): 1236-1241.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023050580

• 网络与通信 • 上一篇

面向高速移动环境的二级信号检测算法

王华华, 张旭(), 李峰

重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065

收稿日期:2023-05-15 修回日期:2023-06-08 接受日期:2023-06-09 发布日期:2023-08-01 出版日期:2024-04-10
通讯作者: 张旭
作者简介:王华华（1981—），男，重庆人，高级工程师，硕士，主要研究方向：移动通信基带信号处理
张旭（1998—），男，江西上饶人，硕士研究生，主要研究方向：信道均衡；1971415548@qq.com
李峰（1999—），男，河南三门峡人，硕士研究生，主要研究方向：正交时频空间调制、物理层算法。
基金资助:
重庆市自然科学基金资助项目(cstc2021jcyj?msxmX0454)

Secondary signal detection algorithm for high-speed mobile environments

Huahua WANG, Xu ZHANG(), Feng LI

School of Communications and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China

Received:2023-05-15 Revised:2023-06-08 Accepted:2023-06-09 Online:2023-08-01 Published:2024-04-10
Contact: Xu ZHANG
About author:WANG Huahua， born in 1981， M. S.， senior engineer. His research interests include mobile communication baseband signal processing.
ZHANG Xu， born in 1998， M. S. candidate. His research interests include channel equalization.
LI Feng， born in 1999， M. S. candidate. His research interests include orthogonal time frequency space modulation， physical layer algorithm.
Supported by:
Chongqing Natural Science Foundation(cstc2021jcyj-msxmX0454)

摘要/Abstract

摘要：

正交时间序列复用（OTSM）可以以更低的复杂度实现类似正交时频空间（OTFS）调制的传输性能，为未来需要低复杂度收发器的高速移动性通信系统提供一种有前景的解决方法。针对现有的基于时域的高斯-赛德尔（GS）迭代均衡效率不高的问题，提出二级信号检测算法。首先在时域进行低复杂度线性最小均方误差（LMMSE）检测，其次采用连续超松弛（SOR）迭代算法进一步消除残余符号干扰。为进一步提高收敛效率和检测性能，对SOR算法进行线性优化得到改进SOR（ISOR）算法。仿真实验结果表明，与SOR算法相比，ISOR算法在增加较低复杂度前提下可以提升检测性能并加快算法收敛。与GS迭代算法相比，ISOR算法采用16QAM调制且误码率为 $10 - 4$ 时有1.61 dB的增益。

关键词: 正交时间序列复用, 正交时频空间调制, 连续超松弛, 信号检测, 线性最小均方误差, 符号干扰

Abstract:

Orthogonal Time Sequency Multiplexing （OTSM） achieves transmission performance similar to Orthogonal Time Frequency Space （OTFS） modulation with lower complexity， providing a promising solution for future high-speed mobile communication systems that require low complexity transceivers. To address the issue of insufficient efficiency in existing time-domain based Gauss-Seidel （GS） iterative equalization， a secondary signal detection algorithm was proposed. First， Linear Minimum Mean Square Error （LMMSE） detection with low complexity was performed in the time domain， and then Successive Over Relaxation （SOR） iterative algorithm was used to further eliminate residual symbol interference. To further optimize convergence efficiency and detection performance， the SOR algorithm was linearly optimized to obtain an Improved SOR （ISOR） algorithm. The simulation experimental results show that compared with SOR algorithm， ISOR algorithm improves detection performance and accelerates convergence while increasing lower complexity. Compared with GS iterative algorithm， ISOR algorithm has a gain of 1.61 dB when using 16 QAM modulation with a bit error rate of $10 - 4$ .

Key words: Orthogonal Time Sequency Multiplexing (OTSM), Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation, Successive Over Relaxation (SOR), signal detection, Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE), symbol interference

中图分类号:

TN926

王华华, 张旭, 李峰. 面向高速移动环境的二级信号检测算法[J]. 计算机应用, 2024, 44(4): 1236-1241.

Huahua WANG, Xu ZHANG, Feng LI. Secondary signal detection algorithm for high-speed mobile environments[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(4): 1236-1241.

图/表 12

图1 高速移动环境下信号时延扩展和多普勒扩展示意图

Fig. 1 Schematic diagram of signal delay extension and Doppler expansion in high-speed mobile environment

图2 不同离散信息符号域与调制方案的关系

Fig. 2 Relationship between different discrete information symbol domains and modulation schemes

表1 OTSM关键变量

Tab. 1 OTSM key variables

参数	含义
$X ∈ C M × N$	发送端二维时延序列信息符号
$x m ∈ C N × 1$	发送端时延序列向量
$X ˜$	发送端二维时延时间矩阵
$x ˜ m = W N ⋅ x m$	发送端时延时间向量
$s = v e c (X ˜)$	发送端时域符号向量
$s n = C M × 1$	时域块
$Y ∈ C M × N$	接收端二维时延序列信息符号
$y m ∈ C N × 1$	接收端时延序列域向量
$Y ˜$	接收端二维时延时间矩阵
$y ˜ m = W N ⋅ y m$	接收端时延时间向量
$r ∈ C N M × 1$	接收端时域符号向量
$r n ∈ C M × 1$	时域块信号
$T f = N T$	OTSM帧总持续时间
$B = M Δ f$	OTSM帧总带宽
$G ∈ C N M × N M$	时域离散信道模型

表1 OTSM关键变量

Tab. 1 OTSM key variables

参数	含义
$X ∈ C M × N$	发送端二维时延序列信息符号
$x m ∈ C N × 1$	发送端时延序列向量
$X ˜$	发送端二维时延时间矩阵
$x ˜ m = W N ⋅ x m$	发送端时延时间向量
$s = v e c (X ˜)$	发送端时域符号向量
$s n = C M × 1$	时域块
$Y ∈ C M × N$	接收端二维时延序列信息符号
$y m ∈ C N × 1$	接收端时延序列域向量
$Y ˜$	接收端二维时延时间矩阵
$y ˜ m = W N ⋅ y m$	接收端时延时间向量
$r ∈ C N M × 1$	接收端时域符号向量
$r n ∈ C M × 1$	时域块信号
$T f = N T$	OTSM帧总持续时间
$B = M Δ f$	OTSM帧总带宽
$G ∈ C N M × N M$	时域离散信道模型

图3 系统模型和时域输入输出关系

Fig. 3 System model and time-domain input-output relationship

图4 时域信道矩阵

Fig. 4 Time-domain channel matrix

图5 二级信号检测流程

Fig. 5 Secondary signal detection process

表2 系统仿真参数

Tab. 2 System simulation parameters

参数	值	参数	值
子载波数 $M$	64	调制方式	4QAM，16QAM，64QAM
符号数 $N$	8，16，32	信道模型	扩展车辆信道模型^［16］
载波频率	4 GHz	最大时延扩展	4^［4］
子载波间隔	15 kHz	信道估计	理想估计^［17］
移动速度	0~800 $k m / h$	信道多普勒频谱	Jakes

表2 系统仿真参数

Tab. 2 System simulation parameters

参数	值	参数	值
子载波数 $M$	64	调制方式	4QAM，16QAM，64QAM
符号数 $N$	8，16，32	信道模型	扩展车辆信道模型^［16］
载波频率	4 GHz	最大时延扩展	4^［4］
子载波间隔	15 kHz	信道估计	理想估计^［17］
移动速度	0~800 $k m / h$	信道多普勒频谱	Jakes

图6 不同w值的性能图（N×M=16×64）

Fig. 6 Performance charts with different w values （N×M=16×64）

图7 不同算法检测性能比较（N×M=16×64）

Fig. 7 Detection performance comparison among different algorithms （N×M=16×64）

图8 ISOR和SOR迭代次数比较（N×M=16×64）

Fig. 8 Iteration number comparison between ISOR and SOR （N×M=16×64）

图9 不同速度下不同算法误码性能比较（N×M=16×64）

Fig. 9 BER performance comparison of different algorithms at different speeds （N×M=16×64）

图10 不同N、M参数下ISOR误码性能比较

Fig. 10 ISOR BER performance comparison with different parameters N and M

参考文献 17

1	CHAHINE A S， OKONKWO U A K， NGAH R. Study the performance of OFDM radio over fiber for wireless communication systems［C］// Proceedings of the 2008 IEEE International RF and Microwave Conference. Piscataway： IEEE， 2008： 335-338. 10.1109/rfm.2008.4897393
2	HADANI R， RAKIB S， TSATSANIS M， et al. Orthogonal time frequency space modulation［C］// Proceedings of the 2017 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Piscataway： IEEE， 2017： 1-6. 10.1109/wcnc.2017.7925924
3	ZEMEN T， HOFER M， LÖSCHENBRAND D， et al. Iterative detection for orthogonal precoding in doubly selective channels ［C］// Proceedings of the 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal， Indoor and Mobile Radio Communications. Piscataway： IEEE， 2018：1-7. 10.1109/pimrc.2018.8580716
4	THAJ T， VITERBO E， HONG Y. Orthogonal time sequency multiplexing modulation： analysis and low-complexity receiver design［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2021， 20（12）： 7842-7855. 10.1109/twc.2021.3088479
5	THAJ T， VITERBO E. Orthogonal time sequency multiplexing modulation［C］// Proceedings of the 2021 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Piscataway： IEEE， 2021： 1-7. 10.1109/wcnc49053.2021.9417451
6	HARMUTH H F. Applications of Walsh functions in communications［J］. IEEE Spectrum， 1969， 6（11）： 82-91. 10.1109/mspec.1969.5214175
7	瞿辉洋. 基于转换域调制的多载波系统信道估计与均衡［D］. 成都：电子科技大学，2021：1-9.
	QU H Y. Channel estimation and equalization for transform-domain modulation based multi-carrier system ［D］. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2021：1-9.
8	RAVITEJA P， PHAN K T， HONG Y， et al. Interference cancellation and iterative detection for orthogonal time frequency space modulation［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2018， 17（10）： 6501-6515. 10.1109/twc.2018.2860011
9	THAJ T， VITERBO E. Low complexity iterative rake decision feedback equalizer for zero-padded OTFS systems［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（12）： 15606-15622. 10.1109/tvt.2020.3044276
10	CHENG J， JIA C， GAO H， et al. OTFS based receiver scheme with multi-antennas in high-mobility V2X systems［C］// Proceedings of the 2020 IEEE International Conference on Communications Workshops. Piscataway： IEEE， 2020：1-6. 10.1109/iccworkshops49005.2020.9145313
11	李国军，龙锟，叶昌荣，等. 高速移动环境下OTSM迭代检测算法研究［J］. 电子与信息学报， 2023， 45（6）： 2098-2104. 10.11999/JEIT220541
	LI G J， LONG K， YE C R， et al. Research on OTSM iterative detection algorithm in high-speed mobile environment ［J］. Journal of Electronics & Information Technology， 2023， 45（6）： 2098-2104. 10.11999/JEIT220541
12	RAVITEJA P， HONG Y， VITERBO E， et al. Practical pulse-shaping waveforms for reduced-cyclic-prefix OTFS［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（1）： 957-961. 10.1109/tvt.2018.2878891
13	刘刚，娄增进，林勤华，等. 大规模MIMO系统中的改进CG迭代算法［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2022，49（4）：8-15.
	LIU G， LOU Z J， LIN Q H， et al. Improved CG iterative algorithm in massive MIMO systems ［J］. Journal of Xidian University （Natural Science）， 2022，49（4）：8-15.
14	YAN H， YU W. A low complexity LMMSE receiver for Orthogonal Time Frequency Space （OTFS） system with synchronization errors［C］// Proceedings of the 2021 IEEE 6th International Conference on Signal and Image Processing. Piscataway： IEEE， 2021： 887-891. 10.1109/icsip52628.2021.9688962
15	NHAT CHONG C， HONG T THI， KHAI L DUC. Hardware implementation of the efficient SOR-based massive MIMO detection for uplink［C］// Proceedings of the 2019 IEEE-RIVF International Conference on Computing and Communication Technologies. Piscataway： IEEE， 2019：1-6. 10.1109/rivf.2019.8713667
16	3GPP. LTE Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） radio transmission and reception： ETSI TS， 3GPP TS 36.104 version 14.3.0 Release 14 ［S］. ［S.l.］： 3GPP， 2017. 10.1201/9781420072112-10
17	RAVITEJA P， PHAN K T， HONG Y. Embedded pilot-aided channel estimation for OTFS in delay-Doppler channels［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（5）： 4906-4917. 10.1109/tvt.2019.2906357

[1]	周围, 向丹蕾, 郭梦雨. MIMO-GFDM系统中低复杂度动态禁忌搜索检测算法的改进[J]. 计算机应用, 2019, 39(4): 1133-1137.
[2]	张刚, 高俊鹏. 组合型幂指函数三稳态随机共振微弱信号检测[J]. 计算机应用, 2018, 38(9): 2747-2752.
[3]	李慧敏, 张治中, 李琳潇. LTE-A系统中基于小区参考信号的信道估计算法[J]. 计算机应用, 2018, 38(7): 2009-2014.
[4]	郝静, 杜太行, 江春冬, 孙曙光, 付超. 调参随机共振在超高频微弱信号检测中的应用[J]. 计算机应用, 2016, 36(9): 2374-2380.
[5]	商庆健, 张金敏, 王厅长. 基于有效K均值有效极限学习机的混沌海杂波背景中微弱信号检测[J]. 计算机应用, 2015, 35(3): 896-900.
[6]	李卫斌张迎新郭新明张伟. 微弱GPS信号的翻转位预测捕获算法[J]. 计算机应用, 2013, 33(12): 3473-3476.
[7]	刘磊范铁生王银斌李智慧唐春鸽. 基于信号包络分析的并行微弱信号检测算法[J]. 计算机应用, 2012, 32(08): 2133-2136.
[8]	李世平王隆. 结合最小均方误差的改进球形译码检测算法[J]. 计算机应用, 2012, 32(02): 385-387.
[9]	刘晓明王建东王旭东. 基于参数化时频分析的反辐射导弹检测[J]. 计算机应用, 2010, 30(11): 3108-3110.
[10]	李东明王典洪严军. 小波域利用Duffing振子检测的图像水印算法[J]. 计算机应用, 2009, 29(2): 436-439.

面向高速移动环境的二级信号检测算法

Secondary signal detection algorithm for high-speed mobile environments

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 17

相关文章 10

编辑推荐

Metrics