OTFS水聲通信技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

林靜怡，孫宗鑫，劉宇飛

（1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室（哈爾濱工程大學(xué)）工業(yè)和信息化部，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

聲波是目前水下唯一有效的遠(yuǎn)程信息傳輸載體，水下聲（Under Water Acoustic，UWA）信道面臨著諸多挑戰(zhàn)，如通頻帶有限、較大的時延拓展、頻率選擇性衰落、易受多普勒效應(yīng)影響等[1]。

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其中多路復(fù)用的子載波頻率彼此正交。由于正交性，每個子載波的峰值將與其他子載波的零值重合。因此，即使各子載波在頻譜上彼此間存在部分重疊，在所需子載波的峰值處也不會受到其他子載波的干擾。同時，OFDM系統(tǒng)避免了使用非正交載波集的系統(tǒng)中普遍存在的帶寬效率損失。與早期系統(tǒng)相比，極大地提高了UWA通信系統(tǒng)的頻譜效率。由于OFDM調(diào)制及解調(diào)的實現(xiàn)復(fù)雜度較低，因此在高速率UWA通信系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-3]。

然而，時變信道會破壞子載波之間的正交性，從而產(chǎn)生載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI），ICI極大地降低了OFDM的性能?，F(xiàn)有的方法是縮短 OFDM的符號持續(xù)時間，減輕每個符號上的信道變化。然而，這一方法的主要缺點是由于符號持續(xù)時間和循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）的縮短導(dǎo)致了頻譜效率的降低[4]。所以，如何在高多普勒、高時延的水聲信道下提高水聲通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率是未來水聲通信技術(shù)的主要研究方向之一。

OTFS調(diào)制是2015年由Hadani 等人[5]提出的一種用于改善并解決高速移動通信系統(tǒng)中受到嚴(yán)重多普勒效應(yīng)及信道影響的方案。不同于傳統(tǒng)OFDM 調(diào)制的時頻（Time-Frequency，TF）域，OTFS在延遲多普勒（DELAY-DOppler，DD）域調(diào)制信息。DD域具有較強的時延容限和多普勒容限，同時具有全分集的潛力，這是支持可靠通信的關(guān)鍵之一。此外，OTFS調(diào)制可以在DD域中將一個時變衰落信道轉(zhuǎn)換為一個非衰落且時間無關(guān)的信道，使得其中所有調(diào)制符號的信道增益基本上是恒定的[5]。我們可以將OTFS看作另一種多載波調(diào)制方案，或者說可以將OTFS視為應(yīng)用于QAM符號的二維擴頻，然后使用OFDM或其他多載波調(diào)制方案，如廣義頻分復(fù)用（Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM）進行調(diào)制。將OTFS技術(shù)應(yīng)用于UWA通信，可以彌補OFDM技術(shù)在復(fù)雜快時變水聲信道條件下系統(tǒng)性能顯著下降的缺陷。鑒于大多數(shù)現(xiàn)有的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計都是為低移動性和低載波頻率場景設(shè)計的，OTFS技術(shù)為發(fā)射及接收機架構(gòu)和算法設(shè)計方面帶來了新的挑戰(zhàn)。為了充分釋放 OTFS技術(shù)的潛力，必須解決一系列問題，包括波形設(shè)計、信道估計、檢測以及多天線和多用戶設(shè)計等。

目前，針對OTFS調(diào)制技術(shù)方面的研究主要集中在無線電通信領(lǐng)域，且尚處于研究的初始階段。此外，OTFS調(diào)制技術(shù)在 UWA 通信領(lǐng)域的研究目前較少[6]，但已經(jīng)有部分學(xué)者通過將無線通信中的研究結(jié)果在水聲通信中展開了適用性研究并取得了一定成果。其中，主要集中于降低接收機復(fù)雜度、信道估計以及信號檢測等方面，具體形式以仿真分析及外場試驗為主，還未進行工程上的實現(xiàn)與應(yīng)用。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第1部分對OTFS技術(shù)以及OTFS-UWA 通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行介紹；第2部分對OTFS-UWA中的重點研究方向，包括波形設(shè)計、信道估計和均衡方法、不同的OTFS水聲通信方案、OTFS接收機設(shè)計；第3部分為對OTFS-UWA通信技術(shù)的展望。

1 OTFS-UWA技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前UWA通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的OFDM調(diào)制技術(shù)容易受到多普勒擴展的影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。如何在復(fù)雜多變的移動UWA通信場景下，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，是目前需要解決的關(guān)鍵問題。

2016年，HADANI等人首次提出了一種新型的二維調(diào)制技術(shù)，稱為正交時頻空調(diào)制，簡稱OTFS[5]。OTFS的調(diào)制解調(diào)如圖1所示。調(diào)制符號首先被映射到DD域，并通過逆辛–有限傅里葉變換（INVERSE SYMPLECTIC FINITE FOURIER TRANSFORM，ISFFT）和Heisenberg變換進行正交二維預(yù)編碼，將DD域信號轉(zhuǎn)化到TF域。然后在每個時隙使用多載波調(diào)制器，如OFDM或濾波器組多載波（Filter Bank Multicarrier，F(xiàn)BMC），進一步將 TF域信號轉(zhuǎn)化為時域信號，然后通過水聲信道進行傳輸。在接收端，采用多載波解調(diào)和二維正交解碼的級聯(lián)組合將接收到的信號轉(zhuǎn)換至DD域，并使用合適的信道估計器和均衡器在DD域中完成對發(fā)送符號的解調(diào)。

圖1 OTFS水聲通信系統(tǒng)框圖。Fig.1 Blcok diagram of OTFS underwater acoustic communicaiton system

與OFDM不同，OTFS中的用戶數(shù)據(jù)（星座符號）被轉(zhuǎn)化到DD域中，使用ISFFT將數(shù)據(jù)放置在TF網(wǎng)格中。在調(diào)制階段，添加CP或CP塊以避免信道時延擴展對解調(diào)過程造成的影響。從而將衰落、時變信道轉(zhuǎn)換為非衰落且與時間無關(guān)的信道。在該方案中，所有QAM符號經(jīng)歷相同的信道，并且信道中所有延遲多普勒分集分支也被相干地組合。

該方案有以下幾種優(yōu)勢：1）OTFS可在復(fù)雜信道條件下實現(xiàn)較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互，這在高速系統(tǒng)中尤其重要；2）在相同信噪比條件下，OTFS調(diào)制技術(shù)具有更優(yōu)的容錯能力；3）短包傳輸模式下，OTFS技術(shù)可顯著降低峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）；4）在對接收機的復(fù)雜度要求有限時，可提升多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)的容量[5]。

近年來，研究人員在原有的OTFS調(diào)制方案的基礎(chǔ)上開展了諸多改進型研究。Raviteja等人開發(fā)了OTFS信號的數(shù)學(xué)框架[4]，推導(dǎo)出了OTFS在DD域的調(diào)制解調(diào)的輸入輸出方程。文獻[5]建立了時延小于τmax和多普勒頻移范圍 (vmin,vmax)的多路雙色散信道上的OTFS調(diào)制模型。由于原始的OTFS輸入–輸出關(guān)系假設(shè)理想的脈沖整形波形在時間和頻率上都是雙正交的，根據(jù)Heisenberg不確定性原理，雙正交的理想波形是無法實現(xiàn)的[5]。所以，文獻[7]將 DD域的輸入–輸出關(guān)系作為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出實際脈沖整形波形的輸入–輸出關(guān)系，然后將其推廣到任意波形。在文獻[4]中，當(dāng)使用消息傳遞（Message Passing，MP）算法進行符號檢測時，可使 OTFS實現(xiàn)比OFDM更低的符號錯誤概率（Symbol Error Probability，SEP）。在此基礎(chǔ)上，文獻[7]提出只在OTFS幀的末尾添加了一個CP的方案，該方案可以顯著降低因脈沖整形波形雙正交性損失而產(chǎn)生的開銷。文獻[8]提出了利用嵌入式導(dǎo)頻符號進行信道估計的方法。研究結(jié)果表明，在誤差性能上，具有非理想信道估計的 OTFS優(yōu)于具有理想信道估計的OFDM。由于DD域的信道估計是利用DD域的稀疏特性實現(xiàn)的，文獻[9]–[11]對 OTFS系統(tǒng)中DD域的稀疏性進行了研究。

在水聲通信研究領(lǐng)域，廈門大學(xué)提出了一種基于 OTFS的單輸入單輸出（Single Input-Single Output，SISO）水聲通信方案[12]。從誤碼率（Bit Error Rate，BER）、頻譜效率以及PAPR共3個方面比較了OTFS以及OFDM在水聲信道環(huán)境下的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，基于OTFS的UWA通信方案在時變多徑水聲信道中的性能優(yōu)于 OFDM 和DFTs- OFDM方案。2019年11月，英國布里斯托大學(xué)的 BOCUS等人提出了一種基于大規(guī)模MIMO-OFDM的 OTFS系統(tǒng)來研究多用戶水聲通信方案[13]。文獻[12]和[13]中，分別研究了 SISO和MIMO場景下的OTFS-UWA通信。仿真結(jié)果表明，OTFS的性能均優(yōu)于OFDM。然而，在這2項工作中，都以接收端已知準(zhǔn)確的信道信息為假設(shè)前提。大連理工大學(xué)的研究人員提出了一種具有自適應(yīng)信道估計的時間反轉(zhuǎn)OTFS接收機[14]，分別在模擬信道和實測信道下進行了系統(tǒng)性能的評估。研究結(jié)果表明，采用所提出的二維被動時間反轉(zhuǎn)（Passive Time Reversal，PTR）接收機在較低復(fù)雜度的情況下能夠獲得較好的系統(tǒng)性能。

由于水聲通信信道與無線電信道特征差異較大，本文將進一步討論OTFS技術(shù)在水聲通信領(lǐng)域中的幾個重點研究方向。

2 OTFS-UWA中的重點研究方向

2.1 波形設(shè)計

文獻[5]中給出了OTFS的系統(tǒng)流程及描述，但未提供確切的實現(xiàn)方法及細(xì)節(jié)。部分研究工作假定OTFS系統(tǒng)脈沖波形在時間和頻率上都滿足正交條件，但由于Heisenberg不確定性原理的限制，在實際中難以實現(xiàn)。因此，研究OTFS實際脈沖整形波形的輸入–輸出關(guān)系是十分重要的。由圖1可知，OTFS調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)可以在傳統(tǒng) OFDM 架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一些預(yù)處理和后處理來實現(xiàn)[15]。因此，OTFS 中可以采用和 OFDM一樣的矩形波形，其優(yōu)點是易于實現(xiàn)，但缺點是將帶來較高帶外能量泄漏導(dǎo)致鄰道干擾，可采用頻率局部脈沖整形[16]及時域加窗技術(shù)[17]進行帶外泄漏衰減優(yōu)化。文獻[4]中，分析了滿足雙正交條件的理想脈沖整形波形和不滿足雙正交條件的矩形波形，前者只存在多普勒間干擾（Inter-Doppler Interference，IDI），后者則還附加了ICI和符號間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI）。因此，在符號檢測前需要先對上述的干擾項進行分析。通過適當(dāng)?shù)南嘁瓶梢韵?ICI和 ISI的干擾，通過MP算法并且只考慮最大的IDI干擾項，可以適當(dāng)?shù)鼐徑釯DI的干擾。MP算法可以有效地對大范圍的多普勒頻偏進行補償，具有低復(fù)雜度、高效等特征，使得OTFS系統(tǒng)使用實際矩形波形也可以達(dá)到近似理想脈沖整形波形的性能。

實際脈沖整形波形的輸入–輸出關(guān)系還可以推廣到其他波形。對于橢圓球面波形，它的帶外泄漏比矩形波形低得多，應(yīng)用于OFDM系統(tǒng)當(dāng)中時可降低系統(tǒng)的帶外干擾。由于信號和噪聲分量的比例相同，因此任意的發(fā)射波形并不影響最大似然（Maximum Likelihood，ML）檢測的性能。通過綜合考慮，可在實際應(yīng)用中選擇更具兼容性的矩形波形。

文獻[7]中比較了矩形和橢圓球面波整形下的OTFS系統(tǒng)性能。結(jié)果表明，采用矩形波時的整體性能比橢圓球面波高出約 5 dB。這是由于后者結(jié)構(gòu)中的一些邊緣符號存在較低的通道增益，從而對整體性能造成了影響，而矩形波的所有符號具有均勻的通道增益。因此，我們可以得到OTFS系統(tǒng)的帶外功率和誤碼性能之間的權(quán)衡關(guān)系。然而，使用橢圓球面波函數(shù)進行脈沖波形設(shè)計的 OTFS仍然能夠在分集增益（BER曲線斜率）方面優(yōu)于OFDM系統(tǒng)。

2.2 信道估計和均衡

在高移動性環(huán)境中，信道將在短時間內(nèi)劇烈波動。準(zhǔn)確估計OTFS系統(tǒng)的信道沖激響應(yīng)（Channel Impulse Response，CIR）對于解調(diào)過程來講是至關(guān)重要的。由于DD域信道的稀疏性和準(zhǔn)平穩(wěn)性，DD域的信道估計比TF域的復(fù)雜度更低[15]。然而，DD域的信道可能并不總是滿足稀疏性的[18]，因為OTFS的信道估計過程在現(xiàn)實應(yīng)用中面臨著多普勒效應(yīng)。若幀長足夠長，多普勒頻移的分辨率足夠高，則每個傳輸符號將會經(jīng)歷相同且緩慢變化的信道增益，此時不存在分?jǐn)?shù)多普勒彌散問題。然而，在實際應(yīng)用中幀長有限，由此帶來的分?jǐn)?shù)多普勒頻移不可忽略。一般地，OTFS系統(tǒng)的信道估計方法是獲取導(dǎo)頻信號在DD域的信道沖擊響應(yīng)[19]，但該方法只能獲取DD域中索引為整數(shù)的信道沖擊響應(yīng)，因此可以通過提高多普勒域的分辨率減輕 IDI效應(yīng)。由于分?jǐn)?shù)多普勒頻移不能直接從接收的導(dǎo)頻中獲得，因此IDI被視為是不可避免的。文獻[20]提出一種基于偽噪聲（Pseudo-Noise，PN）序列的信道估計方法來估計每條路徑的多普勒頻移，但若要精確估計分?jǐn)?shù)部分，將會造成較大的系統(tǒng)開銷。文獻[21]提出了一種利用DD域?qū)ьl響應(yīng)處理分?jǐn)?shù)多普勒信號的信道估計方法，并利用估計出的信道信息提出了一種OTFS低復(fù)雜度信道均衡方法。

OTFS信道估計需要對導(dǎo)頻符號進行設(shè)計，文獻[8]提出了一種將導(dǎo)頻符號嵌入在數(shù)據(jù)幀中的方法來進行信道估計。通過使用帶有若干保護零符號的導(dǎo)頻，將其嵌入包含信息符號的延遲多普勒網(wǎng)格上。不同的符號位置配置取決于信道有整數(shù)或是分?jǐn)?shù)多普勒路徑。該文探究了導(dǎo)頻符號、保護間隔、傳輸符號的不同占比以及不同信噪比下 OTFS系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，采用嵌入式導(dǎo)頻符號進行信道估計可以達(dá)到與理想信道估計相似的性能。同時，這種方法可以使得非理想信道估計的OTFS系統(tǒng)性能仍然優(yōu)于理想信道估計下的 OFDM系統(tǒng)性能。2021年，埃朗根紐倫堡大學(xué)根據(jù)信道在 DD域的稀疏性，提出了一種新的導(dǎo)頻模式和一種基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的信道估計算法，數(shù)值仿真結(jié)果表明，該算法在導(dǎo)頻開銷、導(dǎo)頻功耗和抗噪聲干擾方面具有優(yōu)越性[10]。

在MIMO系統(tǒng)中，OTFS為其增加了更大的可開發(fā)自由度，相對于TF域信道在不同時隙和子載波的不同聲源處可能會出現(xiàn)動態(tài)波動，DD域信道在時間域和空間域上都趨于準(zhǔn)平穩(wěn)，這可以實現(xiàn)高效的信道估計和MIMO檢測。

2019年5月，北京理工大學(xué)提出了一種基于三維結(jié)構(gòu)化正交匹配追蹤算法的信道估計方法，來解決OTFS大規(guī)模MIMO下行鏈路信道估計問題[11]。仿真結(jié)果表明，該算法能夠以較低的導(dǎo)頻開銷獲取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息。2020年，西安電子科技大學(xué)提出一種用于高移動性大規(guī)模MIMO-OTFS 網(wǎng)絡(luò)基于上行鏈路輔助的下行鏈路信道估計方案。在快速貝葉斯推理的幫助下，提出了一種低復(fù)雜度的方法來克服期望最大化的變分貝葉斯瓶頸。仿真結(jié)果表明，所提出的策略是有效的且具有較強魯棒性[22]。

2.3 SISO-OTFS及MIMO-OTFS

對于水聲信道中的信號干擾問題，研究人員對于UWA信道估計和多普勒補償方法已經(jīng)進行了廣泛的研究和研究[23-26]。通常使用循環(huán)前綴或?qū)ьl符號來研究和估計多普勒頻移，從而獲得信道特性的近似值，以犧牲數(shù)據(jù)開銷和頻譜效率來平衡影響。文獻[23]和[24]中提出了更精確的多普勒位移估計和補償方法，同時假設(shè)該方法能夠很好地處理ICI問題。對稱保護間隔迭代估計多普勒頻移，雖然可以提高估計精度，但計算量和導(dǎo)頻開銷較大。OTFS調(diào)制方案具有對抗高多普勒的優(yōu)勢，同時可以提高通信性能，結(jié)合水聲時變多徑信道，OTFS-UWA是一個值得研究的方向。應(yīng)用系統(tǒng)可主要分為SISO以及MIMO-OTFS。

廈門大學(xué)提出了一種基于OTFS的SISO水聲通信方案[12]并在 3種水聲信道環(huán)境下進行理論仿真。通信系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置為：海深100 m，發(fā)射深度20 m，接收深度50 m，頻段10～15 kHz，其中三種信道模型多普勒因子分別為 10-5，10-4，10-3，通信距離分別為1 km，1 km，1.3 km。比較了OTFS與OFDM和在這3種不同通信場景下的誤碼性能。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信噪比為10 dB時，OTFS系統(tǒng)的性能優(yōu)于OFDM，BER可達(dá)到 10-5量級。對于DD域的M×N個符號，其中M為時延網(wǎng)格數(shù)，N為多普勒網(wǎng)格數(shù)，OTFS可以將其擴展到整個帶寬和持續(xù)時間，實現(xiàn)全時頻分集。當(dāng)多普勒因子為 10-3且SNR為30 dB時，OFDM系統(tǒng)的BER量級達(dá)到 10-2左右。此外，還分析了不同CP添加方法下的頻譜效率和不同幀長下的 PAPR性能，并驗證了OTFS在BER性能和PAPR之間的權(quán)衡。結(jié)果表明，基于OTFS的UWA通信方案在時變多徑水聲信道中的性能優(yōu)于OFDM方案。

在海洋勘探和環(huán)境監(jiān)測中，常需將大量水下數(shù)據(jù)從水下航行器傳輸?shù)剿嬲綶27]，如視頻信息等，但因帶寬在遠(yuǎn)程聲鏈路上受到嚴(yán)重限制，使得這種需求對目前的UWA通信系統(tǒng)而言是一項艱巨的任務(wù)。因此，MIMO-OFDM 通信系統(tǒng)被認(rèn)為可以應(yīng)用于帶寬受限的水聲通信場景中，來提高可靠性和比特率[13]。英國布里斯托大學(xué)的BOCUS等人給出了基于多用戶大規(guī)模MIMO-OFDM的OTFS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)公式。此外，在模擬的1 km垂直配置的UWA通信系統(tǒng)中，根據(jù) BER和最大可實現(xiàn)比特率對MIMO-OTFS系統(tǒng)的性能進行了評估。仿真場景由接收陣列及移動平臺構(gòu)成，其中基站接收陣列由100個水聽器組成，可連接到水面船只或石油平臺。4個遙控水下航行器（remotely operated underwater vehicle，ROV）部署在不同的深度和距離，每一個都配有2～4個發(fā)射傳感器。ROV在上行鏈路同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿娲?，而基站則將控制信息傳輸?shù)较滦墟溌返拿總€ROV。仿真中的參數(shù)設(shè)置如下：聲速為1 500 m/s，帶寬為25 kHz，載波頻率32.5 kHz，水深1 000 m，接收深度為998 m，發(fā)射深度分別為1.8 m，1 m，1.5 m，0.5 m。仿真結(jié)果表明，在動態(tài) UWA通信中采用 OTFS 調(diào)制的通信系統(tǒng)性能優(yōu)于使用傳統(tǒng) OFDM 調(diào)制的通信系統(tǒng)。并在大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中，更大的調(diào)制階數(shù)可進一步提高帶寬利用率，因為基站的多個水聽器上接收到的信號線性組合可以平滑子載波上的信道失真，從而均衡每個子載波上的信道增益。但是對于OTFS技術(shù)來說，隨著發(fā)射傳感器數(shù)量的增加，BER亦會增加。

2.4 接收機研究

在OTFS通信系統(tǒng)中，發(fā)送的信息符號在DD域產(chǎn)生，接收信號可被認(rèn)為是由發(fā)送信號與DD域信道進行二維卷積而得[21]。OTFS接收機設(shè)計在一定程度上對系統(tǒng)性能起到了決定性作用。常見的非線性接收機是MP接收機，其具有接近ML的性能但復(fù)雜度較高且靈活性較差，可以從平衡接收機的復(fù)雜度和性能的角度進行深入研究[28]，如基于最大似然比合并的 Rake 迭代接收機[29]和變分貝葉斯接收機[30]等。

而OTFS 中的線性接收機可分為 DD 域線性接收機和時頻域線性接收機2類。DD 域接收機的性能相比于 TF域更好，但復(fù)雜度更高。文獻[31]提出了一種低復(fù)雜度線性接收機，其中采用低復(fù)雜度的最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）和迫零（Zero-Forcing，ZF）均衡器，不同于傳統(tǒng)均衡器中使用的反演方法，該方案可以在較低復(fù)雜度下為局部搜索技術(shù)提供精確的 MMSE和 ZF初始解，從而提高系統(tǒng)的性能。在文獻[12]–[13]中，分別研究了SISO和MIMO場景下的OTFS- UWA通信。在這2種應(yīng)用場景中，接收機處都假定有完美的信道信息。對于實際通信場景下的OTFS系統(tǒng)，并未給出相關(guān)結(jié)論。針對這個問題，大連理工大學(xué)的研究人員提出了一種具有自適應(yīng)信道估計能力的時間反轉(zhuǎn)OTFS接收機[14]，在統(tǒng)計仿真信道和實測信道下評估性能。根據(jù)文獻[32]可知，實驗在深度為20 m的水域中進行，海面條件相對平靜。環(huán)境聲速幾乎恒定。發(fā)射深度為19 m。接收有6個水聽器，深度為17.2～19.2 m。通信距離為5 km。載波中心頻率為17 kHz，帶寬為4 kHz。最大延遲擴展約為 5 ms。測量結(jié)果表明，提出的接收機可以在較低的復(fù)雜度下具有較低的 BER。同時，無論在仿真信道還是實測信道中，所提出的OTFS方案的性能都優(yōu)于OFDM方案。與現(xiàn)有方法相比，所提出的接收機可以以較低的復(fù)雜度實現(xiàn)MP接收機相似的性能。

3 OTFS-UWA通信技術(shù)展望

綜上，在OTFS水聲通信技術(shù)目前的研究中，主要方向為波形設(shè)計、信道估計和均衡、SISO、MIMO、接收機設(shè)計等。作為一種新興的波形，OTFS調(diào)制展現(xiàn)了新的機遇與挑戰(zhàn)。在水聲信道下的技術(shù)研究與應(yīng)用探索還面臨諸多難點問題：

1）OTFS的調(diào)制解調(diào)過程中包含了傳統(tǒng)的時頻域調(diào)制，從公開文獻中可知，通過增加一些預(yù)處理和后處理模塊，可使OTFS技術(shù)在傳統(tǒng)OFDM體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，這降低了 OTFS技術(shù)在水聲通信領(lǐng)域應(yīng)用的難度。然而，作為一種塊調(diào)制方案，OTFS系統(tǒng)比傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)有更高的延遲[15]。因此，要在兼容現(xiàn)有OFDM技術(shù)的同時，需要盡可能的保持其靈活性和固有優(yōu)勢，在性能和復(fù)雜度之間取得平衡。

2）在OTFS系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則中，當(dāng)M和N較大時，上述方法具有較高的復(fù)雜性。對于OTFS-UWA通信系統(tǒng)，由于M需要大于最大時延擴展，而UWA通信中的時延擴展遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無線通信。因此，將導(dǎo)致 UWA通信中 OTFS接收機設(shè)計復(fù)雜度相比無線OTFS接收機更高。傳統(tǒng)的 OTFS接收機如 MP、MMSE等計算復(fù)雜度高，難以在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。

3）OTFS可以實現(xiàn)高效的信道估計和MIMO檢測，但目前OTFS與MIMO結(jié)合的方案中，都未能充分利用發(fā)揮MIMO的優(yōu)勢。如何設(shè)計波束形成過程、預(yù)編碼以充分利用所有可用的空間自由度，以及如何對 MIMO-OTFS進行低復(fù)雜度檢測，是值得探索問題。此外，MIMO-OTFS系統(tǒng)性能與收發(fā)機數(shù)量關(guān)系的分析還未在公開發(fā)表文獻中見到。

4）在目前對于 OTFS接收機的研究中，大多數(shù)都是假定接收端都有完美的信道信息。水聲信道是一個十分復(fù)雜的時–空–頻變信道，在常見的海洋環(huán)境中，水聲信號傳播過程中存在多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)以及環(huán)境噪聲的影響，導(dǎo)致通信系統(tǒng)接收端在信號檢測時無法正確獲取信道信息，這對通信系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大的阻礙。同時信道中的相位起伏使得接收端的載波恢復(fù)和相干解調(diào)變得十分困難。因此，基于水聲信道的 OTFS系統(tǒng)研究相關(guān)的接收端信道估計和信號檢測方法是一個極具應(yīng)用價值的研究方向。

5）目前已公開文獻在對比水聲 OFDM 調(diào)制與OTFS調(diào)制通信系統(tǒng)方案時，僅考慮了可靠傳輸下接收端 BER的仿真與結(jié)果分析。但是在水聲通信系統(tǒng)中，除了比較關(guān)鍵的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)以外，還需要考慮通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸容量以及系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度及計算量。所以，相較于傳統(tǒng)的水聲OFDM通信系統(tǒng)設(shè)計方案，如何降低在水聲信道中應(yīng)用 OTFS調(diào)制技術(shù)的計算復(fù)雜度和部署實施時的設(shè)備復(fù)雜度是另外一個具有實際應(yīng)用價值的研究課題。

4 結(jié)束語

本文首先概述了OTFS的研究現(xiàn)狀，包括無線電通信領(lǐng)域及水聲通信領(lǐng)域的 OTFS技術(shù)研究進展。指出了OTFS-UWA中的關(guān)鍵技術(shù)，如波形設(shè)計、信道估計和MIMO-OTFS，并提供了相關(guān)的研究結(jié)果。最后，本文介紹了OTFS技術(shù)在水聲信道下應(yīng)用時面對的挑戰(zhàn)以及對未來的展望。

作為一種新的調(diào)制方式，OTFS技術(shù)所展示出的潛力使其值得被進一步的研究，以提升水聲通信系統(tǒng)性能。盡管目前已經(jīng)有一些文獻涉及到了 OTFS在UWA通信中的應(yīng)用，但數(shù)量較少且方向單一。如何將 OTFS技術(shù)在無線電通信領(lǐng)域的性能優(yōu)勢體現(xiàn)在水聲通信中，是需要進一步進行研究的問題。