OTFS調(diào)制技術(shù)的基本原理和優(yōu)缺點

知識的島嶼越大，奇跡的海岸線就越長。——拉爾夫·w·索克曼

在前面的文章中，筆者多次提到OTFS調(diào)制技術(shù)。OTFS (Orthogonal Time Frequency Space) 是一種新興的調(diào)制技術(shù)，它采用了一種全新的傳輸域，將傳統(tǒng)的時域和頻域相結(jié)合。OTFS技術(shù)充分利用時間和頻率的正交性，提供了更好的時延和多路徑傳播環(huán)境下的高容量、高可靠性通信解決方案。

傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)在多徑傳播環(huán)境中面臨多徑衰落問題，這會導(dǎo)致信號失真和傳輸性能下降。相比之下，OTFS技術(shù)通過在時延-多普勒域（TF域）中傳輸數(shù)據(jù)，能夠從傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)中脫離，并有效克服多徑衰落問題。

OTFS發(fā)射機(jī)

OTFS技術(shù)的基本原理是將時域和頻域信息都編碼在傳輸時域頻率矩陣中。這通過將時域符號序列與頻域符號序列進(jìn)行卷積運(yùn)算來實現(xiàn)，得到傳輸時域頻率矩陣。在接收端，利用接收到的傳輸時域頻率矩陣，通過解卷積運(yùn)算還原出原始的時域和頻域數(shù)據(jù)。

OTFS接收機(jī)

OTFS技術(shù)目前仍處于研究和發(fā)展階段，尚未被廣泛商用。然而，它在未來的通信系統(tǒng)中具有潛力，特別是在對于高容量、高速率和復(fù)雜信道條件要求較高的場景中。隨著對OTFS技術(shù)的深入研究和進(jìn)一步發(fā)展，我們有理由相信它將在通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

從目前學(xué)術(shù)界的研究和工業(yè)界樣機(jī)研制看，OTFS作為潛在的候選波形，有望未來的6G、7G等中被考慮。

關(guān)于OTFS調(diào)制技術(shù)的書籍相對較少，論文比較多，主要有：

1.OTFS: Orthogonal Time Frequency Space Modulation-A Waveform for 6G

2.Delay-Doppler Communications Principles and Applications

3.博士論文：Orthogonal Time Frequency Space (OTFS)Modulation for Wireless Communications

此外有比較多的期刊論文和碩博論文，在針對OTFS的收發(fā)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，以及在通感一體化、雷達(dá)和6G通信等方向進(jìn)行研究，商業(yè)界也有部分公司正在研制樣機(jī)。

ISFFT與SFFT變換對

作為工程師，我們負(fù)責(zé)落地，一些比較前沿的理論，可以保持適當(dāng)接觸，把握行業(yè)發(fā)展趨勢。

從目前來看，技術(shù)都是一步步演進(jìn)，OTFS作為OFDM的衍生波形，有其優(yōu)勢，也有其劣勢。

正如《Delay-Doppler Communications Principles and Applications》中第9章分析指出OTFS的優(yōu)劣，以及值得研究的幾個方向。

OFDM在高速移動場景存在固有缺陷。在高速移動情況下，無線信道是雙重選擇性的，其中多徑效應(yīng)導(dǎo)致ISI和多普勒頻移。因此，信道在OFDM符號內(nèi)發(fā)生變化，這導(dǎo)致子載波之間的正交性喪失。這又會導(dǎo)致嚴(yán)重的載波間干擾(ICI)和性能下降。在這種情況下，OFDM的低復(fù)雜度檢測和信道估計是非常具有挑戰(zhàn)性的。多個多普勒難以均衡，子信道增益不相等，最差的多普勒決定了性能。我們可能需要使用強(qiáng)大的信道編碼來彌補(bǔ)這些缺點。此外，為了估計這種快速變化的信道，OFDM將需要一個非常高的導(dǎo)頻開銷，影響頻譜效率。

與OFDM不同的是，OTFS在延遲多普勒域而不是時頻域的二維正交基函數(shù)上復(fù)用信息符號。這種二維正交基函數(shù)是專門設(shè)計用來對抗時變多徑信道的動態(tài)特性的。因此，OTFS將衰落時變多徑信道轉(zhuǎn)換為稀疏緩慢時變信道。

時延多普勒信道響應(yīng)

在時域觀測時，OTFS的正交基函數(shù)跨越了一個NM維空間。在接收端，這些函數(shù)都受到信道相同尺度的影響，但對于具有P路徑的高遷移率多徑信道，這些函數(shù)會干擾其他基函數(shù)。因此，接收器的正交性丟失，并且出現(xiàn)了來自其他符號的一些ISI。幸運(yùn)的是，少量的路徑P ?NM仍然可以讓我們很容易地平衡這種干擾。我們可以使用非常低的復(fù)雜性最大比率合并(MRC)檢測來實現(xiàn)與消息傳遞(MP)檢測相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

在高機(jī)動性信道中，傳統(tǒng)的時頻域無法捕捉到受多普勒頻移影響的獨(dú)立傳播路徑。相比之下，時延多普勒域?qū)崿F(xiàn)了稀疏且緩慢時變的信道表示，從而可以對每個傳播路徑的參數(shù)進(jìn)行簡單估計。單個導(dǎo)頻符號可用于估計整個OTFS幀的每個路徑的延遲、多普勒頻移和增益。假設(shè)存在P條具有不同整數(shù)延遲和多普勒頻移的傳播路徑，則在時延多普勒域中隔離傳輸?shù)膶?dǎo)頻符號在接收器處產(chǎn)生P個不同的非零采樣，這些采樣定義了延遲多普勒信道響應(yīng)。對于分?jǐn)?shù)階多普勒頻移，可以通過在接收機(jī)上大量不同的非零樣本來估計延遲多普勒信道響應(yīng)。

延時域信道矩陣

但是，在信道估計、PAPR、多用戶通信、導(dǎo)頻設(shè)計等方面，存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

例如，該書第7章中的嵌入式導(dǎo)頻信道估計不估計每個延遲路徑中的分?jǐn)?shù)多普勒頻移。相反，它估計全多普勒信道響應(yīng)樣本?；蛘?，我們可以單獨(dú)估計分?jǐn)?shù)多普勒頻移，以適應(yīng)全多普勒信道響應(yīng)。然而，這種非線性估計過程可能導(dǎo)致在某些信道條件下不準(zhǔn)確的信道估計，如緊密間隔的分?jǐn)?shù)多普勒頻移。此外，噪聲會顯著影響估計的準(zhǔn)確性。因此，估計分?jǐn)?shù)多普勒頻移是一個值得研究的有趣的開放問題。

對于嵌入式導(dǎo)頻信道估計，另一個問題是峰均功率比(PAPR)，它決定了發(fā)射功率放大器(PA)的效率。當(dāng)PAPR較低時，說明系統(tǒng)在線性區(qū)域有效運(yùn)行，而當(dāng)PAPR過高時，系統(tǒng)會在非線性區(qū)域運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。有關(guān)文獻(xiàn)表明，OTFS的最大PAPR隨時隙數(shù)N線性增長，而不是像OFDM那樣隨子載波數(shù)M線性增長。因此，N

時域信道估計的ZP-OTFS (N = 8,M = 9)系統(tǒng)中的導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)放置示意圖

多用戶通信中的另一個挑戰(zhàn)是上行信道估計，因為在給定帶寬和時間持續(xù)內(nèi)可以傳輸?shù)膶?dǎo)頻數(shù)量受到幀大小、信道的延遲和多普勒擴(kuò)展的限制?？赡苄枰嗟膶?dǎo)頻來容納更多的用戶，并且必須開發(fā)一些避免導(dǎo)頻碰撞或解耦重疊導(dǎo)頻的機(jī)制。這一點，以及在非常高的移動性信道中高效的多用戶檢測，仍然是OTFS的一個開放問題。

OTFS BER性能示意圖

OTFS在靜態(tài)和高移動性多徑信道中都提供了出色的性能。性能增益是通過ISFFT在跨越整個時間和帶寬資源的二維正交基函數(shù)上傳播信息符號的結(jié)果，從而利用了時頻分集。我們可以把OTFS中的ISFFT看作是時頻域的二維預(yù)編碼。

從硬件實現(xiàn)角度看，2D的FFT/IFFT變換需要更多的資源。目前一些研究單位正在利用FPGA實現(xiàn)OTFS系統(tǒng)，研究樣機(jī)用于驗證實用性。

總之，對于OTFS調(diào)制，是一個可以研究的方向，但從目前商業(yè)化角度看，該技術(shù)是不成熟的，并且在復(fù)雜信道環(huán)境下的實際效果尚不清楚。

由于筆者不是通信波形方面的專家，感興趣的讀者可進(jìn)一步深入研究。

審核編輯：湯梓紅