超奈奎斯特传输技术:面向6G的应用价值与挑战

超奈奎斯特（FTN）传输技术通过压缩发送符号时域/频域间隔,在一个符号周期内重叠发送多流数据,从而打破了奈奎斯特脉冲波形的正交性,实现了在有限带宽内传输更多数据的目的。首先,阐述了FTN的技术原理,梳理了其发展现状;其次,分析相关的关键性问题——明确了FTN容量与香农容量的关系,以及相关技术的内在联系;最后,讨论了 FTN在 6G通信中的应用可能性,提出了其应用价值和挑战：FTN 是一种可逼近香农容量的高谱效传输方案,但接收机复杂度过高可能成为其在 6G 应用中的关键阻碍。     

6G背景下超奈奎斯特技术的机遇

超奈奎斯特技术是未来6G的关键技术之一。简要介绍超奈奎斯特技术的技术原理、实现方案和技术应用。结合目前的研究进展,探寻超奈奎斯特技术在未来6G中的应用前景,并对该技术的发展做出展望。     

超奈奎斯特传输技术:现状与挑战

超奈奎斯特传输技术作为一种非正交传输技术,近年来受到了广泛的关注.不同于传统的正交传输信号,超奈奎斯特信号的符号传输速率因为超过了奈奎斯特无码间串扰速率而带来了不可避免的符号间干扰,然而这一传输方式也被证明可以带来更高的信道容量.因此超奈奎斯特技术成为了一种具有高频谱利用率的新型传输方法,也为带宽受限的通信场景带来了新的解决方案,并且其在卫星信道以及第五代移动通信的回程链路中的应用成为了研究热点.本文对超奈奎斯特传输的概念与原理、容量计算、实现方式、检测方法以及性能与应用做了详细的总结并对其目前的技术难点进行了讨论.     

超奈奎斯特信号载波频偏估计的梯度下降算法

超奈奎斯特（Faster-than-Nyquist, FTN）传输技术是一种基于时域压缩的信号调制技术，具有更高的传输速率及频带利用率，但是却引入了无限长的码间串扰（inter-symbol interferences , ISIs），这对载波频偏估计提出了新的挑战。对于FTN信号的频偏估计，传统算法在门限和精度等方面都有所下降。本文将梯度下降算法应用到载波频偏估计中，通过迭代搜索的方式，获得对频偏的精确估计。估计过程中直接通过数据部分进行估计，不需要借助额外的导频序列。仿真结果表明，梯度下降法与传统算法在性能上相比有了较好的改善，虽然具有较多的迭代次数和运算量，但是却能够较好地适应FTN信号的特性。梯度下降法不仅在门限范围内更靠近克拉美罗界（Cramer-Rao bound，CRB），而且在整个频段上具有更稳定的性能。      

基于连续干扰消除的超奈奎斯特信号迭代接收技术

为了消除超奈奎斯特(FTN)调制技术引入的干扰,设计了基于连续干扰消除(SIC)的Tur-bo迭代均衡接收机.对于单载波FTN系统,首先建立了FTN信号等效模型,然后接收机根据等效模型和译码器输出的软信息重建干扰,并通过多次连续干扰消除和译码逐步消除,具有较低的复杂度.同样地,在多载波FTN系统中,根据译码器输出的软信息和成型脉冲的时频特性重建引入的干扰并通过多次迭代给予消除.仿真表明,在加速因子不是太小时,基于SIC-Turbo均衡的接收机能够有效消除干扰,可获得近似正交传输时的误码性能.     

高速与高阶的超奈奎斯特比较

超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist, FTN)可以提高通信系统的频谱效率(Spectrum Efficiency, SE)。除了较小时间压缩因子(Time Packing Factor, TPF)和星座点数M的高速FTN之外,较大TPF和M的高阶FTN也可以增加SE。在相同SE的条件下,本文采用外信息转移(Extrinsic Information Transfer, EXIT)图分析和数值仿真等方法来比较高速和高阶FTN。针对高速和高阶FTN,本文采用基于EXIT图的骨干粒子群优化(Bare-Bones Particle Swarm Optimization, BB-PSO)算法来优化两者的信道编码,获得高速和高阶FTN的最优性能。结果表明：与高速FTN相比,高阶FTN在性能和复杂度方面更有优势。     

TH预编码的超奈奎斯特系统残余干扰消除算法

超奈奎斯特(Faster-Than-Nyquist, FTN)技术能够有效提高传输系统的频谱效率,然而代价是引入了严重的码间串扰(Inter-Symbol Interference, ISI)。在基于Ungerboeck模型的FTN系统中的发送端使用TH预编码(Tomlinson-Harashima Precoding, THP)并不能完全有效消除FTN系统所引入的ISI,会存在残余ISI。对此,针对FTN系统中的残余干扰提出了两种接收端检测算法,分别是基于后向串行干扰消除(Backward Serial Interference Cancellation, BSIC)的无迭代检测算法和基于连续干扰消除(Successive Interference Cancellation, SIC)的Turbo迭代均衡改进算法,并通过蒙特卡洛方法寻找最优的扩展取模间隔。计算机数值仿真结果表明,在选定的扩展取模间隔下,两种接收端检测算法在FTN系统的加速因子为0.8和0.9时均能有效消除FTN技术所引入的ISI,其误码率趋近于奈奎斯特正交传输性能。     

对6G关键技术发展的思考

以5G为基础,6G将构建空天地海泛在通信网络,并采用多种先进技术来进一步提升系统容量、能量与频谱效率、可靠性以及传输时延等核心技术指标。作为非正交传输技术的代表,超奈奎斯特传输(FTNs)不仅可以实现频谱资源的高效利用,还可与多种6G候选关键技术进行联合设计来提升系统核心技术指标,因此极具应用潜力。     

无穷范数松弛的低复杂度超奈奎斯特检测

超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist,FTN)速率传输可以有效提高频谱效率,但这种非正交传输方式引入的严重码间串扰相应提高了接收端的处理难度。针对该问题,设计了一种基于循环成块传输的低复杂度检测算法。最优检测被建模为无约束的二元二次规划(Boolean Quadratic Program,BQP)问题,为了求解该NP-hard问题,采用无穷范数约束松弛原问题的非凸可行解集,并基于次梯度下降法提出松弛问题的有效优化算法。数值仿真结果表明,所提算法在误比特率(Bit Error Rate,BER)性能上优于频域均衡,且在可接受的性能损失范围内算法执行效率远高于理论最优的最大似然序列估计(Maximum Likelihood Sequence Estimation,MLSE)。     

一种基于SIC的NOMA下行链路信号检测方法

面对频谱效率和系统容量等方面出现的新需求,传统的多址方式已经不能满足需要,业内提出一种新的多址方式NOMA。NOMA具有频谱利用率高、系统容量大等优点,但是其传统的下行链路串行干扰消除检测技术中的检测算法是基于硬判决的,检测性能差。介绍了NOMA链路实现的基本原理,并提出一种改进的串行干扰消除检测方法,即直接计算比特的软信息来完成软判决,恢复干扰信号后再做消除。最后通过仿真分析验证,该算法可以提高串行干扰消除检测的检测性能。     

光接入网络中的数字信号处理技术

采用先进的数字信号处理(DSP)技术,在发射机和接收机分别引入预处理和后处理,以提高光接入网络的频谱效率并延长传输距离。研究了一种基于光超奈奎斯特(Super-Nyquist)滤波的类9状态正交振幅调制(9QAM)信号多模均衡(MMEQ)后端DSP算法,使用这种方案,能够有效提高频谱效率,实现了频谱效率高达4 bps/Hz的正交移相键控(QPSK)信号传输;还研究了一种基于数字SuperNyquist信号前端预处理的方案,此方案的优点是不需要光预滤波即可达到相同的频谱效率。使用一个采用直接调制激光器(DML)、直接探测和数字均衡技术的高速无载波幅度相位-64状态正交振幅调制(CAP-64QAM)系统,在20 km标准单模光纤(SSMF)上实现了创纪录的60 Gbit/s CAP-64QAM信号传输;使用相干探测,实现了速率高达100 Gbit/s的64状态正交振幅调制-正交频分复用(16QAM-OFDM)实时传输系统,解决了实时OFDM信号处理中的关键问题。     

5G全双工技术浅析

首先阐述了实现全双工技术的最大挑战是自干扰,其次以发射信号为参考,通过一些电路算法实现逐级消除自干扰,进一步验证了全双工技术的可行性,为提高5G频谱效率提供了参考价值,最后指出了全双工技术实现商业化所面临的一些挑战。     

征文通知:6G超大规模MIMO技术

面向2030+,第六代移动通信(6G)将实现太比特峰值速率、微秒级时延和超广域覆盖。为了实现这些指标需求,超大规模多天线(MIMO)技术将在未来的6G空口无线传输中作为最重要的关键技术之一。超大规模MIMO是在现有大规模MIMO基础上的进一步演进。通过部署超大规模的天线阵列,应用新材料,引入新的工具,超大规模MIMO技术可以获得更高的频谱效率、更灵活的网络覆盖、更高的定位精度、更高的能量效率等。     

面向6G的编码调制和波形技术

针对未来6G对更高的频谱与功率效率,以及更高的可靠性与更低时延的技术指标需求,研究了基于LDPC码的混合多层编码(MLC)和比特交织编码调制(BICM)方案,与传统的BICM方案相比,所提方案能达到更好的误码率性能与更低的复杂度.在此基础上,面向未来6G移动通信中的高频段、高速移动场景,对新型波形技术——正交时频空(O...     

面向6G的新型多址与波形技术

随着互联网终端海量接入,传统正交多址接入（orthogonal multiple access,OMA）技术接入效率低, 5G NR 系统面临拥塞及高时延问题,并且在高速场景下,基于正交频分复用（orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM）的系统由于多普勒效应性能严重恶化。为满足6G在高速移动场景下低时延、高可靠、海量接入需求,首先,结合正交时频空间（orthogonal time frequency space,OTFS）和图样分割多址接入（pattern division multiple access,PDMA）技术,提出了一种OTFS-PDMA联合方案;然后,推导PDMA传输码字在时延-多普勒（delay-Doppler,DD）域采用不同分配方式的系统输入-输出关系;最后,提出了一种基于期望传播算法（expectation propagation algorithm,EPA）的低复杂度接收机。仿真结果表明,OTFS-PDMA较传统的OTFS-OMA技术能够显著提升误码率性能;对于规则码本,不同码字分配方案性能相似,而对于非规则码本,发送信号采用集中式扩频优于离散式扩频,且对于离散式扩频,PDMA 扩频信号沿多普勒轴分配,系统可取得较好性能;此外EPA接收机性能优于其他传统接收机。     

5G双工技术剖析

首先介绍5G双工技术的主要原理,然后罗列5G双工技术的主要优势,最后重点对5G双工技术的实现难点如互干扰的抑制方法、自干扰的消除方法等进行分析.     

面向频谱数据库的电磁频谱检测系统

频谱数据包含无线电信号的全息特征,针对频谱数据结构复杂、数据量大且利用率低的问题,提出一种基于频谱数据库的电磁信号检测系统。在实现通用的频谱检测功能的前提下,将频谱数据实时地保存到数据库中,用于后期有效信息的提取和分析。系统使用上位机向主控模块发送频谱检测的指令,由主控模块驱动信号采集模块进行数据采集并将其存储到数据库中。实例验证了系统的可行性以及数据的准确性,为实现对有限频谱资源的高效利用提供了一种新思路。     

频谱空穴检测及其仿真

感知无线电接收机为了感知其周围的无线电环境,首要的工作就是对其周围存在的信号进行检测。本文针对感知无线电系统中最为关键的频谱空穴检测技术进行了研究。通过对3种信号检测技术的比较,选择循环平稳特征检测法作为感知无线频谱的方法并对该方法进行了仿真。此外．对控制实体根据频谱感知的结果、从频谱中检测出频谱空穴区域的功能、以及感知无线电接收机与感知无线电发射机进行协调的功能也进行了仿真。     

面向6G网络的频谱定价机制演进与展望

6G网络的异构性和复杂性将进一步提高,可用频段愈渐短缺,迫切需要更为灵活高效的频谱资源管理模式。使用市场化定价手段促进频谱资源的高效利用,为纾解6G频谱短缺困境提供了解决方案。首先简要分析了6G移动网络的频谱资源新特点,接着梳理了数十年来频谱管理和定价机制的演进进程,包括基于博弈论、拍卖模型的定价机制研究和基于人工智能的定价机制研究等成果。最后,对面向6G移动网络的频谱定价机制进行了展望,为标准化工作提供借鉴和参考。     

广播电视信号传输及检测技术

广播电视作为大众传媒的重要形式,在人们的日常生活中扮演着重要的角色。广播电视信号传输和检测技术的发展,不仅能够提高节目传输的质量和效率,而且可以保证观众获得更好的观看体验。随着技术的不断进步和人们对高质量内容的需求增加,对广播电视信号传输和检测技术的研究变得越来越重要。为此,以广播电视信号传输和检测技术为切入点,分析其关键技术及影响因素,并探讨相关技术的发展趋势,旨在为广播电视行业从业人员提供参考和借鉴。