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。     

面向6G的超奈奎斯特波形及其检测技术

6G系统峰值数据传输速率需求为1Tbps,对通信系统的容量和频谱效率提出了巨大挑战。由此,超奈奎斯特传输作为一种高效的传输方式备受瞩目,其独特之处在于能够在不增加带宽和天线的情况下提升系统容量和频谱效率。从单载波传输到多载波传输,对超奈奎斯特传输的机理与波形、现有模型的干扰及相应的信号检测技术进行重点论述。对超奈奎斯特传输在载波恢复、同步、正交频分复用和多输入多输出方面的发展进行综述。最后,探讨超奈奎斯特传输在未来移动通信系统的发展发向和潜在的研究思路。     

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。      

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。     

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.     

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)。     

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。     

一种基于FPGA的FTN-VLC系统设计与测试

为了提升可见光通信（VLC）系统的传输速率和频谱利用率,设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）超奈奎斯特（FTN）-VLC系统。该系统主要由FPGA、数/模（D/A）转换器、低通滤波器、雪崩二极管、电流/电压（I/V）转换器和电压比较器组成。对系统的软件和硬件进行了仿真分析和性能测试。仿真与测试结果表明：当传输距离为0.5 m时,系统的数据传输速率可达10 Mb/s,频谱利用率较同等条件下的奈奎斯特光通信系统提升了18.25%。     

Faster-than-Nyquist transmission based on multi-layer superposition

Faster-than-Nyquist (FTN) signaling technique has received much attention recently as an effective way of enhancing the spectral efficiency.In order to reduce the detection complexity for FTN signals,a multi-layer superposition transmission approach was present.In addition,how to calculate upper bounds on the highest information transmission rate was shown and how to choose suitable component codes was suggested.Numerical results show that the system with different code rates and power on each layer outperforms the system with only power variance on each layer,meanwhile results also imply that given the roll-off factor of the pulse shaping function is not zero,the proposed system is superior to the orthogonal system with a higher modulation format.     

Optimization for faster-than-Nyquist signaling based combining under multi-path channel

We propose a faster-than-Nyquist (FTN) signaling based combining scheme to increase the achievable rate for the single-input-single-output (SISO) system and the single-carrier system under the multi-path channel, where the combining scheme aims to combine the signals received at all symbol periods during the channel length for each transmitted symbol. An important feature of the FTN signaling based combining scheme is that the transmitter ceases the transmission for b symbol periods after transmitting each symbol. By proposing the optimization algorithm for finding the optimum b that maximizes the achievable (information) rate, we propose in this paper the optimal FTN signaling based combining scheme. We first establish the optimization problem and then present a theorem for proving the existence of the optimum b that maximizes the lower bound of the average achievable (information) rate. On the basis of this theorem, we present the steps of the proposed optimization algorithm. Numerical results are provided, and they confirm that the proposed optimization algorithm can find the optimum b.     

共路信令(电话用户部分)跟踪结果的分析

共路信令特别适应未来通信业务的发展．与随路信令相比，有许多优点，已广泛应用于公众电话交换网、综合业务数字网、移动通信网、智能网和网络操作管理维护中。结合共路信令消息基本形式及常见消息格式的描述，对数字程控交换机之间共路信令(电话用户部分)的跟踪结果进行了分析，有助于提高维护人员对电信设备的维护能力。     

时延约束下公共信道信令网络的可靠性分析

本文给出一种新的网络可靠性评估法.该方法通过修正GENERATE算法,以状态概率不增的次序生成了网络的最大概值有效状态,构成网络状态空间的满足给定范围概率的子空间.通过在子空间上做时延分析,获得了网络运行的动态可靠性指标和稳态可靠性指标.最后以此方法评估了公共信道信令网络的运行性能.     

共路信令(综合业务数字网用户部分)跟踪结果的分析

对公共信道信令系统中的综合业务数字网用户部分(ISUP)和电话用户部分(TUP)进行了简单的比较。在阐述综合业务数字网(ISDN)用户部分消息一般格式的基础上，对数字程控交换机局间的ISDN信令跟踪结果进行了详细的分析，这有助于维护人员对电信设备的调测和维护，为公众提供更好的服务。     

上海7号信令链路负荷能力的测试

为了建成上海市 7号信令网 ,保证全网的安全割接过渡 ,需要对设计方案中正常工作时每根链路承担 0 2E的设计依据进行验证。因此 ,模拟实际情况 ,运用模拟呼叫机和人工拨测相结合的方式 ,对全网所有在用制式 :DMS 1 0 0、F 1 5 0、S 1 2 40 ,进行了满负荷实测。经过测试 ,积累大量数据 ,并得出相应结论 :DMS STP、F 1 5 0符合厂商设计指标 ,分别达到 0 49E、0 5 4E ;S 1 2 40没有符合要求 ,在保证通信质量的条件下 ,只能在 0 2 3E以下使用。另外 ,S 1 2 40系统只有 2根A链路时 ,若一根发生故障 ,另一根因超负荷而翻转 ,就必须将话务量降低到一定程度才能恢复。     

CCSK信号盲检测中的码同步问题

CCSK码字的同步不同于DSSS系统的PN码同步．他的实现不适合采用DSSS系统的序贯检测法;“多码字相关平滑匹配”法相对于序贯检测法具有明显的优势是CCSK信号盲检测中实现码字同步的一种快速有效方法。