基于脉冲整形的DFT扩频OTFS峰均比抑制技术研究及其在多用户接入中的应用

《IEEE Communications Letters》：PAPR of DFT-s-OTFS with Pulse Shaping

本文针对正交时频空间(OTFS)调制在多普勒子载波数较大时峰均功率比(PAPR)过高的问题，研究了采用离散傅里叶变换扩频的DFT-s-OTFS方案。通过理论推导和仿真验证，首次系统分析了矩形和根升余弦(RRC)脉冲整形下交织与块状多普勒资源分配方案的PAPR上界。研究发现交织分配方案可显著降低PAPR并生成周期性时域信号，简化发射机设计。该研究为6G高移动场景波形设计提供了重要理论依据。

　　

在6G时代高移动性通信场景中，车辆网络、卫星通信等应用对波形设计提出了严峻挑战。传统正交频分复用(OFDM)技术存在对频偏敏感、峰均功率比(PAPR)较高等固有缺陷。正交时频空间(OTFS)调制作为一种新兴的波形技术，通过将信号映射到时延-多普勒域，能够充分利用信道的时间与频率分集，显著提升高移动场景下的传输可靠性。然而，当多普勒子载波数量较大时，OTFS系统同样面临PAPR过高的问题，这将导致射频功率放大器效率下降，制约其实际应用。

为突破这一技术瓶颈，都柏林圣三一学院的Jialiang Zhu等研究人员在《IEEE Communications Letters》上发表了关于DFT扩频OTFS(DFT-s-OTFS)的PAPR特性研究。该研究创新性地将DFT扩频技术应用于OTFS的多普勒维度，并系统分析了脉冲整形滤波器与资源分配策略对系统性能的影响。

研究团队采用理论推导与仿真验证相结合的方法，首先建立了DFT-s-OTFS的系统模型。在多用户上行链路场景下，每个用户被分配完整的时延资源和非重叠的多普勒子载波集，采用正交多普勒分多址(DoDMA)方案。通过K点DFT操作将数据符号扩展至分配的多普勒子载波，然后分别研究交织和块状两种资源分配方案。关键技术创新点包括：推导出矩形和RRC脉冲整形下PAPR的理论上界；发现交织分配可产生周期性重复QAM符号的时域信号；系统分析滚降因子对PAPR的影响机制。

研究结果部分，通过互补累积分布函数(CCDF)曲线验证了理论分析的正确性。在交织多普勒分多址方案中，矩形脉冲的PAPR上界仅取决于QAM星座图，而与子载波数量K无关。这一特性使得交织分配方案相比块状分配可实现7dB的PAPR降低。特别值得注意的是，交织分配产生的时域信号由重复的QAM符号构成，这一发现极大简化了发射机设计。对于RRC脉冲，研究团队精确推导出不同滚降因子β下的峰值增益g₀，当β≤0.5时最大值出现在t=Δτ/2处，且g₀随β增加而减小；当β>0.5时最大值出现在t=0处，g₀随β缓慢线性增长。

仿真结果表明，在M=128、N=32、Q=4、K=8的系统参数下，DFT-s-OTFS相比传统OTFS可降低10dB的PAPR。随着调制阶数从4-QAM增加到64-QAM，PAPR仅呈现适度单调增长。特别重要的是，子载波数量K的变化对交织分配方案的PAPR影响甚微（约0.5dB），而对块状分配则导致PAPR线性增加，这一发现为系统参数优化提供了重要指导。

滚降因子分析显示，当β从0增加到0.5时，PAPR逐渐下降，之后保持相对稳定。交织分配的理论上界与仿真结果高度吻合，证明了推导的严谨性。误码率(BER)性能测试采用扩展车辆A(EVA)信道模型，速度500km/h，使用最小均方误差(MMSE)均衡器。结果显示DFT-s-OTFS与传统OTFS性能相当，证实了该方案在显著降低PAPR的同时不会牺牲传输可靠性。

本研究的重要意义在于首次系统揭示了脉冲整形与资源分配策略对DFT-s-OTFS系统PAPR的联合影响机制。所提出的交织分配方案不仅实现了显著的PAPR降低，还通过生成周期性时域信号简化了发射机结构。研究成果为6G高移动性通信系统的波形设计提供了理论依据和技术路径，对推动OTFS技术在车辆通信、卫星通信等场景的实际应用具有重要价值。该研究建立的PAPR分析框架可为未来波形优化和系统设计提供重要参考。