【摘 要】
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近年来,随着半导体技术的发展,用计算复杂度换取频谱效率增益的非正交传输技术成为空口波形设计领域的研究热点,以缓解爆炸式增长的数据流量需求和有限频谱资源之间的矛盾。作为非正交传输技术的代表,超奈奎斯特（Faster-than-Nyquist,FTN）传输比经典奈奎斯特（Nyquist）速率传输使用更窄的符号间隔,在人为引入符号间干扰（Inter-symbol Interference,ISI）的条件
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近年来,随着半导体技术的发展,用计算复杂度换取频谱效率增益的非正交传输技术成为空口波形设计领域的研究热点,以缓解爆炸式增长的数据流量需求和有限频谱资源之间的矛盾。作为非正交传输技术的代表,超奈奎斯特（Faster-than-Nyquist,FTN）传输比经典奈奎斯特（Nyquist）速率传输使用更窄的符号间隔,在人为引入符号间干扰（Inter-symbol Interference,ISI）的条件下,实现波特率和频谱效率提升。围绕当前单载波FTN传输技术发展面临的两个关键难题:1)在空间复用情况下FTN容量增益评估;2)基于预编码的FTN波形设计与低复杂度符号检测,本文开展了FTN系统容量的理论分析、发射-接收机设计方法等研究,主要工作及贡献如下:1、建立FTN信号在多输入多输出（Multiple-input Multiple-output,MIMO）瑞利衰落信道传输时离散时间观测模型,得出遍历容量公式,为MIMO-FTN传输奠定理论基础。容量分析考虑了信道抽头系数在时域、时延域和空域的相关性以及FTN调制导致的噪声相关性,并利用收发天线空域相关性可分离这一广泛使用假设和积分中值定理,对容量计算进行简化。分析表明:MIMO-FTN系统可以同时获得复用增益和FTN增益;FTN增益在不同信道条件下基本一致,但在频率选择性衰落信道下的增益稍高于平坦衰落信道。2、打破传统FTN调制只能在时间方向一维压缩的局限,提出时频二维压缩FTN（Time-Frequency Compressed FTN,TFC-FTN）调制技术:利用预编码创造频域方向的压缩,并在收端采用低复杂度迭代最小均方误差均衡对抗FTN-ISI,以及考虑发射信号频谱模板约束情况下、以均衡器输出均方误差最小为目标设计预编码器。仿真表明:TFC-FTN比TC-FTN中的ISI水平更低,解调性能较采用高复杂度迭代BCJR检测的TC-FTN方案也更优。3、针对多径衰落信道下的FTN传输系统,提出在发端利用线性预均衡消除FTN-ISI,使得接收端线性频域信道估计以及均衡信道引入的ISI时不受FTN-ISI影响,从而提升信道估计精度和信道均衡性能。另外,线性预均衡辅助的信道估计方案较传统方案在降低复杂度同时也降低导频开销一倍以上。4、针对相位噪声影响下的高阶正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation,QAM）FTN传输系统,为实现低复杂度检测,将FTN-ISI和相噪分离处理。具体地,发端采用Tomlinson-Harashima预编码（Tomlinson-Harashima Precoding,THP）消除FTN-ISI,而收端采用导频辅助相噪补偿。本文提出基于导频能量缩减和相位旋转的两种导频设计方案解决传统基于4-QAM符号的相噪导频设计会被THP破坏的问题;提出成型脉冲优化方法,提升解调性能和增大FTN可达压缩比。仿真结果表明:压缩因子为6/7的4096-QAM FTN方案在达到超高阶16384-QAM Nyquist方案的频谱效率时,取得约6 d B的检测信噪比增益,且增加的复杂度几乎可忽略不计。5、针对受相噪恶化的MIMO-FTN传输系统,在利用THP消除FTN-ISI的基础上,扩展基于能量缩减的导频设计到多天线系统,并提出基于正交导频序列和扩展卡尔曼滤波的两种低复杂度、可同时消除相噪和天线间干扰的算法。另外,通过在导频序列中插入哑符号,使系统可在更大压缩比下工作或同一压缩比下取得更好的导频开销与解调性能的折中。本文工作拓展了单载波FTN传输在空间复用情况下容量理论,提出的基于预编码的TFC-FTN波形设计技术、以及FTN-ISI与链路干扰解耦方法等增大了FTN可达压缩比与频谱效率增益,有效降低了FTN符号检测复杂度,为推动FTN传输技术在大容量、高频谱效率通信场景的应用奠定了理论基础。
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