MATLAB R2024a新增特性：支持OTFS調制方案

2024年4月4日，MathWorks正式宣布推出MATLAB和Simulink產品系列版本R2024a，其重點新增功能在于簡化AI和無線通信工程師和研究人員的工作,釋放人力資源。

根據官方發布的版本更新信息，重點在于Satellite Communication Toolbox的更新，這得益于目前LEO衛星互聯網的快速興起。

MathWorks表示，R2024a 中的Satellite Communications Toolbox更新讓衛星通信工程師能夠對場景進行建模，并提供基于標準的工具來設計、仿真和驗證衛星通信系統與鏈路。此外，工程師還可以使用工具箱在設計射頻組件和地面站接收器的同時設計物理層算法，生成測試波形，并執行黃金參考設計驗證。

R2024a 還包括對流行的 MATLAB 和 Simulink 工具的重要更新，包括：

Computer Vision Toolbox提供多種算法、函數和 App，可用于設計和測試計算機視覺、三維視覺和視頻處理系統。該產品包含為二維和三維視覺任務設計算法、標注數據和生成代碼的功能。

Deep Learning Toolbox包含一系列算法、預訓練模型和App，為您設計和實現深度神經網絡提供框架。該工具箱支持如變換器等架構，以及導入和協同仿真 PyTorch 和 TensorFlow 模型。

Instrument Control Toolbox可將 MATLAB 直接連接到各種儀器，如示波器、函數生成器、信號分析器、電源設備和分析儀器。儀器資源管理器可用于管理具有 IVI 和 VXI Plug&Play 驅動程序的設備，無需編寫代碼。

另外值得注意的是，在CommunicationsToolbox中，新增了OTFS Modulation。

正如此前相關文章提到的OTFS調制技術，目前學術界正就其理論基礎和鏈路模型等進行研究，6G推進組相關任務小組也在積極挖掘其潛在應用能力。

在R2024a版本中，OTFS Modulation示例仿真了一個使用正交時頻空間(OTFS)調制的通信鏈路，并突出了與標準正交頻分復用(OFDM)調制相比，其載波間干擾(ICI)消除能力。OTFS是一種多載波調制技術，在由高多普勒多徑組成的信道環境中具有抵抗能力。大多數現代無線系統使用OFDM，在高多普勒信道中受到影響，因為它無法消除ICI。示例實現了一個簡單的OTFS發送器和接收器，通過帶有移動散射體的信道過濾數據，并使用估計的信道參數在延遲多普勒(DD)域中均衡信道，以檢測傳輸的碼字。

在高多普勒信道中，信道特性變化迅速，導致信道相干時間較低。相干時間與信道系數可變性成反比。多年來，OFDM一直是各種無線系統的調制方案選擇。對于OFDM，高多普勒信道環境需要頻繁的信道測量和ICI。

OFDM在時頻(TF)域中傳輸數據，每個數據符號在其自己的正交頻率子載波中。參考(導頻)符號允許信道測量，但占用傳輸帶寬的一部分。由于信道特性的快速變化，導頻信號必須頻繁發送。這導頻取代了數據，因此降低了吞吐量。

在高多普勒多徑信道中，由于散射體的相對速度不同，各路徑具有不同的頻率偏移，導致OFDM受到ICI的影響。不同路徑的頻移破壞了無干擾符號檢測所必需的頻域正交性。

正如當前的5G-NTN應用于LEO衛星通信，為了克服星地之間的多普勒頻偏，需要實施頻偏預補償技術。

OTFS調制則從信號跨域處理的角度出發，另辟蹊徑，探索一種新的調制方式。OTFS調制消除了頻繁測量信道的需要，因為它在延遲多普勒域中傳輸數據。該區域表示相對于接收器具有延遲(傳輸延遲)和速度(多普勒頻移)的移動散射體。假設有限數量的散射體，散射體的信道表示就變成了一個稀疏矩陣(延遲域信道矩陣除了一些非零的條目表示散射體外，大部分為零)。有效的信道估計和均衡技術利用了這種稀疏性。此外，如果散射體保持穩定的速度，則信道在DD域中是準平穩的。對導頻傳輸的需求減少，有效吞吐量增加。

由于其抗高多普勒信道特性，OTFS被認為是5G NR和6G的候選調制技術，以滿足高速用例的新要求。

總的來說，OTFS是一種很有前途的調制方案，可以抵消移動環境中高多普勒的影響。這個示例介紹了延遲多普勒域的概念，移動信道對該域中傳輸符號的影響，以及如何調制和解調OTFS符號。使用OTFS和OFDM在同一信道上傳輸相同的數據，并在簡單的信道估計和均衡后觀察它們的誤碼率，結果表明OTFS可以有效地對抗ICI，而OFDM則不能。

目前文獻中有更精確的信道估計和更有效的數據檢測方法。這個示例使用一個簡單的信道估計技術和一個直接的信道均衡方法來展示OTFS在高多普勒信道中優于OFDM的優點。

在《Delay-DopplerCommunications Principles and Applications》一書中，作者總結了嵌入式導頻DD域信道估計、輔助嵌入式導頻延時域信道估計等信道估計方法，并且總結了OTFS的單抽頭頻域均衡、LMMSE均衡、MP均衡、MRC均衡等方法。

值得進一步研究的是，在基于目前成熟的無線通信技術框架下（如5G），數字基帶和中射頻的處理在多大程度上可以繼承和擴展。例如加入必要的信道編解碼，以及OTFS接收機同步技術問題。OTFS的信道均衡相對于OFDM更為復雜，并且在實時性要求較高的場景下，需要尋找性能較好、復雜度硬件計算可接受的工程化方案。

審核編輯：劉清