非地面网络场景下正交时频空间调制的实用定时同步方法

《Electronics》：Practical Timing Synchronization for OTFS for NTN Scenario Vladislav Borshch, Eugeniy Rogozhnikov and Artem Konovalchikov

　　

精确的定时和频率同步对于在非地面网络（NTN）中部署正交时频空（OTFS）调制至关重要，因为NTN中通常存在严重的多普勒频移和低信噪比（SNR）条件。研究人员提出了一种实用的同步方法，该方法在时延-多普勒（delay-Doppler）网格中周期性地插入基于m序列的导频（以5G NR（新空口）的主同步信号（PSS）为例进行说明）。利用OTFS的映射特性，该方法能够实现鲁棒的匹配滤波检测，用于联合粗定时和粗频率同步，并能进行连续的相位漂移跟踪，而无需增加传输冗余。数值仿真表明，与近期的一种实用基线方法相比，所提方法实现了略低的峰均功率比（PAPR）和约3 dB的检测门限改善。该算法适用于5G/6G NTN链路，例如低地球轨道（LEO）卫星星座，并且能够在低信噪比甚至负信噪比条件下可靠工作。

**非地面网络场景下OTFS同步技术研究：背景、方法与展望**

**研究背景与意义**
当前及未来的3GPP 5G和6G移动通信标准旨在实现地面网络与非地面网络（NTN）的无缝集成。非地面网络包括无人机（UAV）、航天器以及高空平台（如飞机和平流层气球）。其中，低地球轨道（LEO）卫星星座尤为重要，它们能提供全球覆盖，同时具备低时延和高数据速率，可实现与地面网络相当的服务质量。LEO卫星星座的关键特征包括高卫星速度（每秒数公里量级）和长通信距离（约300-1200公里）。这些特征使得星载有效载荷与地面用户设备之间的同步和信号捕获极具挑战性，尤其是在低信噪比甚至负信噪比条件以及存在显著多普勒频移的情况下。

正交时频空（Orthogonal Time-Frequency Space, OTFS）调制已被确定为6G系统的候选调制方案之一。与正交频分复用（OFDM）相比，OTFS对多普勒损伤具有更强的鲁棒性。这一优势对于非地面网络，特别是LEO星座，尤为相关。与OFDM在时频域分配资源元素不同，OTFS在时延-多普勒域映射符号，并通过发射端变换将其扩展到整个时延域。这一特性使得OTFS具有比OFDM更低的峰均功率比（PAPR）。降低的PAPR放宽了对星载和地面设备中模拟前端和功率放大器的要求。

然而，在NTN场景下部署OTFS面临严峻的同步挑战。现有的一些OTFS同步方法依赖于类脉冲、短时、高功率的导频信号，这会显著增加PAPR。另一些方法虽然通过使用带循环前缀（PCP）的Zadoff-Chu（ZC）序列来降低PAPR，但在低或负SNR下性能不佳。此外，许多现有方案在实现时要么占用了大量频谱资源，降低了频谱效率，要么难以在低/负SNR信道中有效工作。因此，开发一种能够在高多普勒、低SNR的NTN环境下实现高效、低开销、低PAPR的实用同步算法，对于推动OTFS在5G/6G NTN中的应用具有重要意义。本论文发表在《Electronics》期刊上，旨在解决这一关键问题。

**关键技术方法概述**
研究人员提出了一种基于m序列导频信号的OTFS定时同步方法。该方法的核心是将已知的导频序列（以5G NR的PSS信号为例）按照特定规则周期性地插入到OTFS的时延-多普勒资源网格中。在接收端，通过一组匹配滤波器对接收到的时域基带信号进行并行处理，每个滤波器对应一个预设的频率偏移。通过计算各滤波器输出与已知导频序列的互相关，并寻找最大相关峰值，可以联合估计出粗定时偏移（TO）和粗载波频率偏移（CFO）。该方法利用了OTFS调制将信号扩展到整个时频域的特性，以及m序列良好的自相关特性，实现了在低SNR下的鲁棒检测。

**研究结果与发现**
**4. 提出的时间同步算法**
研究人员详细描述了导频信号在OTFS资源网格中的插入方式以及接收端的粗同步流程。导频序列（如5G NR PSS）被周期性地沿多普勒轴插入，在时延轴上从零延迟资源元素开始放置。这种周期性放置会在发射信号中产生多个时域的导频副本，从而支持初始同步和连续的相位漂移跟踪。接收算法通过一个匹配滤波器组并行处理多个频率偏移分支的信号，通过互相关峰值检测同时获得定时和粗频率对齐。

**5. 仿真**
通过数值仿真，研究人员在设定的系统参数下（包括OTFS网格大小、导频插入周期等）评估了所提算法的性能。仿真结果表明，与参考文献[5,7]中的算法相比，所提算法在定时同步错误概率方面表现出约3 dB的性能提升。这意味着在相同条件下，所提算法将零定时错误的概率大约提高了一倍，或者说，在SNR降低3 dB时仍能保持相同的定时错误水平。同时，所提算法的误码率（BER）性能与对比算法相似，但在特定SNR范围内，由于同时受到加性高斯白噪声（AWGN）和定时误差的影响，BER性能会略有下降。

**6. 结果与讨论**
**6.1. 峰均功率比（PAPR）**
所提算法的PAPR约为13 dB，比参考文献[7]中的方法低约1 dB。这得益于其导频在时延-多普勒网格中的填充方式不同，无需像[7]中那样在导频信号附近设置零电平保护间隔。

**6.2. 开销**
所提算法的同步开销（指导频信号和空保护资源元素占用的资源元素数量）比参考文献[5]和[7]分别减少了1.1倍和4倍。这是因为减少了时延-多普勒网格中未使用的资源元素数量。

**6.3. 同步性能**
在所研究的信道中，所提算法的正确检测概率曲线表明，其检测门限比参考文献[7]中的算法改善了约3 dB。这一改善得益于匹配滤波原理的运用以及使用了更长的时域参考信号进行全序列相关。相比之下，[5,7]中的算法仅处理其同步信号宽度的一半（信号与其循环前缀之间的相关），这种窗间相关方法在低或负SNR信道中难以应用。

**6.4. 复杂度**
对于研究的系统模型，所提算法处理单个OTFS时隙所需的复数乘法运算量显著高于参考文献[5,7]中的算法。这是该算法的一个缺点。然而，研究人员指出，这些运算主要由乘累加操作构成，适合在卫星载荷和用户终端常用的FPGA和DSP架构上实现，其计算负载与实时实现兼容。

**6.5. 与5G及未来系统的集成**
所提算法的一个显著特点是使用了先验已知的参考序列（如5G NR PSS），这有助于与现有5G NR标准中的初始接入过程和N_ID⁽²⁾检测过程保持兼容。如有需要，该序列可替换为m序列或Gold序列家族的其他成员，以维持现有系统与未来系统之间的正交性。

**结论与未来展望**
**7. 结论**
本文提出了一种使用基于m序列的导频信号实现OTFS调制初始时间和频率同步的实用方法。在误码率性能相似的情况下，所提算法在表2定义的参数下，将检测门限改善了3 dB，同时将峰均功率比降低了1 dB，并将同步开销减少了10%。信号检测通过匹配滤波实现。与引言中讨论的算法相比，所提方法简化了粗时间同步过程。此外，同一导频信号可用于估计粗频率偏移，从而减少了传输冗余。导频的周期性可以动态调整，以权衡冗余和信道估计精度。所提出的同步算法适用于存在高多普勒频移和低信噪比的信道，这使其对于同时存在这两种条件的非地面LEO通信系统特别相关。所提出的信号使得该算法能够与5G+系统集成并与前几代系统共存。

未来工作包括几个重要方向：使用Quadriga框架进行复杂的信道和各种环境建模；针对LEO NTN场景研究自适应导频设计（调整T_sync周期）、增量处理以及性能与开销的权衡；验证多用户和多天线场景；优化计算复杂度；以及通过未来提出的帧结构进行硬件验证。