MATLAB R2024a新增特性：支持OTFS调制方案

2024年4月4日，MathWorks正式宣布推出MATLAB和Simulink产品系列版本R2024a，其重点新增功能在于简化AI和无线通信工程师和研究人员的工作,释放人力资源。

根据官方发布的版本更新信息，重点在于Satellite Communication Toolbox的更新，这得益于目前LEO卫星互联网的快速兴起。

MathWorks表示，R2024a 中的Satellite Communications Toolbox更新让卫星通信工程师能够对场景进行建模，并提供基于标准的工具来设计、仿真和验证卫星通信系统与链路。此外，工程师还可以使用工具箱在设计射频组件和地面站接收器的同时设计物理层算法，生成测试波形，并执行黄金参考设计验证。

R2024a 还包括对流行的 MATLAB 和 Simulink 工具的重要更新，包括：

Computer Vision Toolbox提供多种算法、函数和 App，可用于设计和测试计算机视觉、三维视觉和视频处理系统。该产品包含为二维和三维视觉任务设计算法、标注数据和生成代码的功能。

Deep Learning Toolbox包含一系列算法、预训练模型和App，为您设计和实现深度神经网络提供框架。该工具箱支持如变换器等架构，以及导入和协同仿真 PyTorch 和 TensorFlow 模型。

Instrument Control Toolbox可将 MATLAB 直接连接到各种仪器，如示波器、函数生成器、信号分析器、电源设备和分析仪器。仪器资源管理器可用于管理具有 IVI 和 VXI Plug&Play 驱动程序的设备，无需编写代码。

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

正如此前相关文章提到的OTFS调制技术，目前学术界正就其理论基础和链路模型等进行研究，6G推进组相关任务小组也在积极挖掘其潜在应用能力。

在R2024a版本中，OTFS Modulation示例仿真了一个使用正交时频空间(OTFS)调制的通信链路，并突出了与标准正交频分复用(OFDM)调制相比，其载波间干扰(ICI)消除能力。OTFS是一种多载波调制技术，在由高多普勒多径组成的信道环境中具有抵抗能力。大多数现代无线系统使用OFDM，在高多普勒信道中受到影响，因为它无法消除ICI。示例实现了一个简单的OTFS发送器和接收器，通过带有移动散射体的信道过滤数据，并使用估计的信道参数在延迟多普勒(DD)域中均衡信道，以检测传输的码字。

在高多普勒信道中，信道特性变化迅速，导致信道相干时间较低。相干时间与信道系数可变性成反比。多年来，OFDM一直是各种无线系统的调制方案选择。对于OFDM，高多普勒信道环境需要频繁的信道测量和ICI。

OFDM在时频(TF)域中传输数据，每个数据符号在其自己的正交频率子载波中。参考(导频)符号允许信道测量，但占用传输带宽的一部分。由于信道特性的快速变化，导频信号必须频繁发送。这导频取代了数据，因此降低了吞吐量。

在高多普勒多径信道中，由于散射体的相对速度不同，各路径具有不同的频率偏移，导致OFDM受到ICI的影响。不同路径的频移破坏了无干扰符号检测所必需的频域正交性。

正如当前的5G-NTN应用于LEO卫星通信，为了克服星地之间的多普勒频偏，需要实施频偏预补偿技术。

OTFS调制则从信号跨域处理的角度出发，另辟蹊径，探索一种新的调制方式。OTFS调制消除了频繁测量信道的需要，因为它在延迟多普勒域中传输数据。该区域表示相对于接收器具有延迟(传输延迟)和速度(多普勒频移)的移动散射体。假设有限数量的散射体，散射体的信道表示就变成了一个稀疏矩阵(延迟域信道矩阵除了一些非零的条目表示散射体外，大部分为零)。有效的信道估计和均衡技术利用了这种稀疏性。此外，如果散射体保持稳定的速度，则信道在DD域中是准平稳的。对导频传输的需求减少，有效吞吐量增加。

由于其抗高多普勒信道特性，OTFS被认为是5G NR和6G的候选调制技术，以满足高速用例的新要求。

总的来说，OTFS是一种很有前途的调制方案，可以抵消移动环境中高多普勒的影响。这个示例介绍了延迟多普勒域的概念，移动信道对该域中传输符号的影响，以及如何调制和解调OTFS符号。使用OTFS和OFDM在同一信道上传输相同的数据，并在简单的信道估计和均衡后观察它们的误码率，结果表明OTFS可以有效地对抗ICI，而OFDM则不能。

目前文献中有更精确的信道估计和更有效的数据检测方法。这个示例使用一个简单的信道估计技术和一个直接的信道均衡方法来展示OTFS在高多普勒信道中优于OFDM的优点。

在《Delay-DopplerCommunications Principles and Applications》一书中，作者总结了嵌入式导频DD域信道估计、辅助嵌入式导频延时域信道估计等信道估计方法，并且总结了OTFS的单抽头频域均衡、LMMSE均衡、MP均衡、MRC均衡等方法。

值得进一步研究的是，在基于目前成熟的无线通信技术框架下（如5G），数字基带和中射频的处理在多大程度上可以继承和扩展。例如加入必要的信道编解码，以及OTFS接收机同步技术问题。OTFS的信道均衡相对于OFDM更为复杂，并且在实时性要求较高的场景下，需要寻找性能较好、复杂度硬件计算可接受的工程化方案。

审核编辑：刘清