MATLAB 2024a

1、算法描述

基于光学OTFS系统的ACO-OTFS与DCO-OTFS传输方案对比研究

摘要

随着光无线通信与可见光通信技术的持续发展，系统对高频谱效率、高功率效率以及复杂信道适应能力的要求不断提升。正交时频空调制技术由于能够在延迟-多普勒域中对时变信道进行更为稳定和紧凑的表示，近年来逐渐成为新型调制体制研究的重要方向。当OTFS技术应用于强度调制直接检测光通信系统时，发射信号必须满足非负约束，因此传统双极性基带波形无法直接用于光发射链路。在这一背景下，如何构造适用于光学发射的单极性OTFS信号，成为系统设计中的关键问题。ACO-OTFS与DCO-OTFS正是在这一需求下形成的两种典型实现方案。

DCO-OTFS通过在双极性实值信号基础上引入直流偏置，使发送波形整体迁移到非负区间，从而满足光学传输条件。该方法结构直观，便于与传统OTFS框架衔接，且具有较高的频谱利用能力，但其不足在于直流偏置会带来额外功率消耗，当偏置不足时还可能引入裁剪失真。ACO-OTFS则通过特定的映射方式和非对称裁剪机制，将裁剪噪声限制在不承载有效信息的维度上，从而在不依赖较大直流偏置的条件下实现单极性传输。该方法在功率受限场景下具有明显优势，但其有效频谱利用率相对较低，系统吞吐能力受到一定约束。

本文围绕ACO-OTFS与DCO-OTFS两种方案的信号构造方式、传输机理及性能特征展开分析，重点比较二者在误码率、频谱效率、功率效率以及峰均比等方面的差异。研究表明，DCO-OTFS与ACO-OTFS分别对应速率优先和能效优先两种不同设计思路，二者并不存在绝对意义上的优劣关系，而是在不同应用目标下体现出不同的适用性。本文的研究可为光学OTFS系统的理论分析与工程实现提供参考。

关键词

OTFS；ACO-OTFS；DCO-OTFS；光无线通信；可见光通信；频谱效率；功率效率；误码率

1 引言

在现代通信系统中，信道环境日益复杂，尤其是在存在多径扩展、时间选择性衰落以及较强动态变化的场景中，传统调制方式往往难以在系统鲁棒性、传输效率和实现复杂度之间取得理想平衡。OTFS作为一种面向延迟-多普勒域设计的调制方法，通过将信息符号映射到延迟-多普勒域，再经由相应变换生成时域发送信号，使得原本复杂快速变化的时频信道能够在新的表示空间中呈现出更为稳定的结构特征。这一思想不仅提高了系统对高速时变信道的适应能力，也为新型无线与光通信系统的联合设计提供了新的研究路径。

当OTFS被引入光无线通信系统后，其优势同样具有吸引力。光无线通信具有带宽资源丰富、频谱免授权、抗电磁干扰能力强等特点，在室内高速接入、车联网、工业通信以及水下光通信等领域具有广阔应用前景。然而，光通信链路通常采用强度调制直接检测方式，其本质决定了发射端只能发送非负光强信号。相比之下，OTFS调制在基带形式上通常表现为双极性波形，因此必须经过适当的单极性处理后才能进入光发射环节。由此，面向光学约束的OTFS信号构造成为当前研究中的重要问题。

在众多实现方法中，DCO-OTFS与ACO-OTFS是最具代表性的两类方案。DCO-OTFS继承了DCO-OFDM的基本思想，通过引入直流偏置实现非负发送；ACO-OTFS则沿用了ACO类结构的核心理念，利用特定子载波映射和非对称裁剪特性，在无需较大偏置的前提下完成单极性传输。二者均能满足光学发送条件，但在频谱利用、功率分配、失真形成机制及性能表现方面存在明显差异。因此，对ACO-OTFS与DCO-OTFS进行系统而客观的比较，既具有理论意义，也具有实际工程价值。

2 光学OTFS系统原理

OTFS系统的基本思想是将信息符号首先映射到延迟-多普勒域，然后通过二维变换关系将其转换到时频域，进一步生成时域发送波形。与传统多载波调制方法相比，OTFS并非直接在频域独立处理每个子载波，而是通过二维映射将整个时频资源作为统一整体加以组织。这样一来，系统能够更充分地利用信道在延迟与多普勒两个维度上的结构特性，从而提升抗时变和抗多径干扰能力。

在光学OTFS系统中，除常规OTFS调制处理外，还必须解决基带信号的单极性发送问题。由于光强不能为负，双极性实值信号必须被转化为满足非负约束的单极性波形。不同的单极性构造方法决定了系统在功率利用、资源分配和失真特性上的不同表现。因此，光学OTFS系统的关键不仅在于延迟-多普勒域调制本身，也在于如何设计合理的单极性变换过程，使系统在满足物理约束的同时保留尽可能多的有效信息。

光学OTFS的整体传输链路通常包括符号映射、延迟-多普勒域构造、二维变换、实值化处理、单极性转换、光信道传输以及接收端逆处理等多个环节。其中，单极性转换部分对系统性能影响尤为显著。DCO-OTFS和ACO-OTFS正是在这一环节体现出根本区别。

3 DCO-OTFS与ACO-OTFS的实现机理

DCO-OTFS的核心思想是在获得双极性实值OTFS波形后，通过加入适当直流偏置使信号整体上移，从而使大部分甚至全部样值进入非负区间。该方法实现过程较为直接，系统结构也相对清晰，便于分析和实现。从频谱资源利用角度看，DCO-OTFS通常能够充分利用可用维度，因此具有较高的频谱效率和较强的吞吐能力。其不足之处主要体现在两个方面。首先，直流偏置本身并不携带有效数据信息，却占用了发射平均功率，因此降低了功率利用率。其次，当偏置幅度受限时，仍可能有部分负值样点被裁剪，这将导致附加失真并影响误码性能。

ACO-OTFS则采用了不同的思路。该方案通过将有效信息映射到特定的资源位置，并利用由此产生的时域结构特性，使得负半轴裁剪带来的失真主要落入不承载有效信息的维度。这样一来，系统无需引入过大的直流偏置即可完成非负发送，从而显著改善了功率利用效率。对于平均光功率受限的场景，这一特性尤为重要。然而，这种结构设计意味着并非全部传输维度都用于承载有效数据，因此ACO-OTFS在频谱效率方面通常低于DCO-OTFS。可以认为，ACO-OTFS是通过牺牲部分资源利用率来换取更优的能量利用方式。

从系统设计思想上看，DCO-OTFS更强调对传输资源的充分利用，更适合吞吐率要求较高的应用场景；ACO-OTFS则更强调在功率受限条件下的有效传输，更适合对平均发射功率较为敏感的环境。两种方案分别体现了不同的设计目标和优化方向。

4 两种方案的性能对比分析

4.1 误码率性能分析

误码率是评价通信系统可靠性的重要指标。在对ACO-OTFS与DCO-OTFS进行误码率比较时，必须充分考虑比较口径的一致性。若仅以样点信噪比作为横坐标，而忽略平均光功率、单比特有效能量以及资源利用率之间的差异，则所得结果可能带有明显偏向性。尤其是在DCO-OTFS中，部分发射功率被直流偏置占用，这部分能量虽然提高了光强均值，却不直接承载有效信息；而ACO-OTFS由于不依赖较大的偏置，其有效信息能量占比通常更高。因此，在不加区分的条件下，ACO-OTFS可能呈现出更优的误码率表现。

在更加公平的比较框架下，应尽量统一平均光功率和单比特有效能量，以Eb/N0等更具可比性的参数作为主要评价依据。在这一条件下，ACO-OTFS在功率受限场景中仍具有一定优势，主要原因在于其裁剪噪声分布更加可控，而DCO-OTFS则可能因偏置不足或裁剪效应而出现附加性能损失。不过，DCO-OTFS在某些高偏置条件或特定参数配置下也能够获得较为稳定的误码率表现。因此，误码率层面的比较并不能简单归结为某一方案绝对优于另一方案，而应结合系统约束条件进行具体分析。

4.2 频谱效率与吞吐能力分析

频谱效率是衡量单位带宽资源内信息承载能力的重要指标。由于DCO-OTFS能够较充分地使用系统可用维度，其频谱利用率通常高于ACO-OTFS。在带宽资源受限且系统强调高速率传输的场合，DCO-OTFS往往更具优势。相比之下，ACO-OTFS为了实现结构化裁剪和无偏置单极性传输，通常仅在部分维度上加载有效信息，因而其吞吐能力受到一定限制。

这一差异决定了两种方案的适用场景并不相同。若系统目标是追求更高的传输速率和更强的资源利用能力，则DCO-OTFS通常更符合需求；若系统更关注平均功率受限条件下的稳定传输与能量利用效率，则ACO-OTFS更具吸引力。

4.3 功率效率分析

在光通信系统中，平均光功率往往是设计中的关键约束。DCO-OTFS的主要问题在于直流偏置会消耗一定比例的发射功率，而这部分功率并不直接提高有效数据承载能力。由此可见，DCO-OTFS虽然在频谱利用上表现较好，但其功率利用率并不占优。ACO-OTFS通过避免大幅度偏置，将更多发射能量集中于有效信息成分，因此在功率效率方面具有天然优势。

对于照明通信一体化、低功耗接入以及平均光强严格受限的系统而言，这种差异尤为重要。ACO-OTFS能够在较低功率消耗下维持一定的传输可靠性，体现出较强的实际应用潜力。

4.4 峰均比与波形特性分析

峰均比反映了发送波形的峰值与平均值之间的关系。对于多载波类系统而言，较高的峰均比会增加发射端对线性动态范围的要求，也可能加剧非线性失真。OTFS在时域中的波形特征与其二维调制结构密切相关，而单极性处理方式又进一步影响了最终发送信号的统计特性。DCO-OTFS中直流偏置的引入会改变波形平均值和峰值分布，ACO-OTFS中非对称裁剪则会形成另一种统计特性。因此，两种方案在峰均比表现上通常存在差异。

峰均比并不是孤立指标，它与系统的裁剪效应、功率效率和接收性能密切相关。合理分析两种方案的峰均比特征，有助于更加全面地理解其工程实现难点和性能边界。

5 仿真结果讨论

在仿真分析中，应综合考察误码率、吞吐率、平均光功率、单比特能量、裁剪比例及峰均比等多个方面，而不能单纯依赖某一项指标下结论。对ACO-OTFS和DCO-OTFS而言，最重要的是建立公平一致的比较口径。只有在统一平均光功率、统一有效能量定义并合理设置噪声条件的基础上，仿真结果才具有较强参考价值。

从一般规律看，若以系统能效和功率利用为优先目标，ACO-OTFS通常更有优势；若以频谱效率和传输速率为主要目标，DCO-OTFS则更具竞争力。仿真结果的意义并不在于简单证明某一方案全面领先，而在于揭示两种方案在不同性能维度上的权衡关系。通过这种对比，可以更加清晰地认识光学OTFS系统设计中的核心矛盾，即频谱效率、功率效率与误码性能之间的平衡问题。

6 结论

本文围绕光学OTFS系统中的ACO-OTFS与DCO-OTFS两种单极性传输方案进行了较为系统的分析。研究表明，DCO-OTFS通过直流偏置实现非负发送，结构清晰，易于与传统OTFS框架结合，且具有较高的频谱利用率和较强的吞吐能力，但其不足在于直流偏置会带来额外功率开销，并可能引入裁剪失真。ACO-OTFS则通过结构化映射与非对称裁剪机制完成单极性传输，无需依赖较大直流偏置，因此在功率利用和部分可靠性指标上更具优势，但其频谱效率相对较低。

总体来看，ACO-OTFS与DCO-OTFS分别对应能效优先和速率优先两种不同设计取向，二者并不存在绝对意义上的优劣之分。实际系统中应根据应用场景、功率约束、速率需求以及复杂度要求进行合理选择。后续研究还可进一步结合不同信道模型、调制阶数和接收检测算法，对两种方案的性能边界开展更加深入的分析，以推动光学OTFS技术的进一步发展。

2、仿真结果演示