无线通信中的波形与多址接入技术解析

### 无线通信中的波形与多址接入技术解析 #### 1. 超奈奎斯特（FTN）信号传输 超奈奎斯特（FTN）信号传输技术旨在通过提高数据速率来提升效率。几十年前就有研究发现，二进制 sinc 脉冲可以在不增加误码率的情况下，以超过奈奎斯特定理规定的速度进行传输，尽管会引入码间干扰（ISI）。后来，这一理念被扩展到频域，用于减小子载波间隔。 FTN 的发射信号可以表示为： \[x(t) = \sum_{k=-N}^{N} \sum_{n=0}^{N_{sub}-1} s_{k,n} g(t - k\Delta T T) e^{j2\pi\Delta F n t / T}\] 其中，\(\Delta T \leq 1\) 是时间压缩因子，意味着脉冲以 \(1/\Delta T\) 倍的速度更快地传输；\(\Delta F \leq 1\) 是频率压缩因子，表示频谱效率提高了 \(1/\Delta F\) 倍。 由于不同的 FTN 系统时间和频率间隔不同，直接实现缺乏足够的灵活性。因此，基于投影方案设计了 FTN 映射器，用于 FTN 信令系统以提供灵活性。同时，调制模块中需要进行循环扩展，使系统能够在 FTN 和奈奎斯特模式之间轻松切换。不过，当 FTN 信令的波特率超过奈奎斯特波特率时，不可避免地会在时域引入 ISI 和/或在频域引入载波间干扰（ICI），所以设计具有 ISI 和/或 ICI 抑制能力的接收器以恢复原始传输数据是一个重要问题。 #### 2. 候选波形比较 3GPP 对多种候选波形进行了研究，最终选择 CP - OFDM 作为下行链路和上行链路的默认波形。这些候选波形基于 FFT/IFFT 处理、额外滤波、加窗或预编码，以实现更高的时频定位、更低的带外（OOB）频谱泄漏和更高的吞吐量。 - **滤波**：通过应用具有预设频率响应的数字滤波器来抑制 OOB 发射是一种直接的方法，如 F - OFDM 和 UFDM 就属于此类。但在时分双工（TDD）系统中，等效复合信道的延迟扩展可能超过循环前缀（CP）大小和保护周期，导致 ISI，并对下行到上行的切换时间施加限制。此外，考虑功率放大器（PA）非线性和其他非理想射频处理效应时，OOB 发射性能可能会显著下降。而且，滤波技术通常会增加峰均功率比（PAPR），不利于高频载波通信。 - **加窗**：用于防止连续两个 OFDM 符号之间的急剧变化，从而减少 OOB 发射。将位于扩展符号边缘的时域样本乘以升余弦窗系数是一种广泛使用的实现方式，如加窗 OFDM 和加权重叠相加 OFDM 波形就采用了这种方法。该技术一般对 PAPR 增加影响较小或无影响，且与滤波技术相比复杂度较低。然而，由于符号扩展导致的 ISI 可能会降低检测性能。 - **预编码**：在 IFFT 之前对输入数据进行线性处理通常称为预编码，有助于改善 OOB 发射和降低 PAPR。例如，DFT - S - OFDM 波形因其相对于传统 OFDM 具有较低的 PAPR 特性，被用于 LTE 上行链路传输。NR 中还提出了一些 DFT - S - OFDM 的变体，如零尾（ZT）DFT - S - OFDM。与基于滤波的波形相比，基于 DFT - S - OFDM 的波形通常更容易保持 PA 的线性操作，同时降低 OOB 发射的恶化程度。此外，适当修改调制方案，如 \(\pi/2\) - BPSK 可以极大地帮助这些波形实现极低的 PAPR。但需要注意的是，即使没有冗余间隔，仍然可能会出现 ISI。在基于 DFT 的预编码技术中，其他类型的预编码矩阵通常存在不理想的复杂度和兼容性问题。 PAPR 是 OFDM 波形常被提及的缺点之一。在实际应用中，采用波峰因子降低（CFR）技术来降低 PAPR，并使用数字预失真算法来校正模拟硬件放大信号时引起的任何失真。这些技术有助于实现更高效的 PA 设计，并减轻 PAPR 和频谱再生的主要限制。传统上，这些技术仅应用于基站侧，但目前也用于移动设备，主要是为了降低功耗，例如使用包络跟踪技术来降低静态功耗。 矩形脉冲（即 sinc 函数）的频谱除了所需的峰值外，还有一些旁瓣，导致矩形脉冲函数理论上具有无限带宽，从而产生 OOB 发射。此外，连续的 OFDM 符号相互独立，因此在时域中存在固有的不连续性，这在频域中表现为频谱杂散。通过应用时域加窗可以改善这种典型特性，使符号之间的过渡更加平滑，但该技术会引入连续符号之间的重叠，影响信号质量并导致更高的误差向量幅度（EVM）。 以下是几种候选波形特性的比较表格： | 波形类型 | OOB 抑制 | PAPR 影响 | 复杂度 | 检测性能影响 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 滤波（F - OFDM、UFDM） | 较好 | 增加 | 较高 | 可能因 ISI 下降 | | 加窗（加窗 OFDM、加权重叠相加 OFDM） | 较好 | 较小或无影响 | 较低 | 可能因 ISI 下降 | | 预编码（DFT - S - OFDM） | 较好 | 降低 | 适中 | 可能因 ISI 下降 | #### 3. 多址接入方案 蜂窝网络由分布在地理区域的多个固定基站组成，覆盖区域被划分为多个小区，移动台与附近的一个或多个基站进行通信。在蜂窝通信方案的物理层和介质访问层中，主要有两个问题：多址接入和干扰管理。多址接入问题涉及如何在同一小区内的用户之间共享系统的整体无线电资源（即时间、频率、码、空间、功率）；干扰管理问题则关注不同小区同时信号传输所造成的干扰。在网络层，一个重要问题是当用户从一个小区移动到另一个小区时，通过切换操作从一个基站切换到另一个基站，为用户提供并维持无缝连接。 常见的多址接入方案有： - **正交频分多址（OFDMA）**：是 OFDM 方案的多用户变体，通过为不同用户分配时频资源子集来实现多址接入，允许多个用户同时传输数据。在 OFDMA 中，无线电资源是时间（整数个 OFDM 符号）和频率（多个连续或非连续子载波）上的二维区域。类似于 OFDM，OFDMA 使用多个紧密间隔的子载波，这些子载波被分组为资源块，称为子信道化。子信道化可以根据移动台的信道条件和服务要求分配子信道，使 OFDMA 系统能够在同一时隙内为