超奈奎斯特非正交频分复用系统基础理论与关键技术研究

With the explosive growth of data services such as mobile Internet, big data and cloud computing, the capacity of optical transmission system is faced with the pressure of expansion. The capacity of faster-than-Nyquist (FTN) system can achieve 25 percent larger than that of Nyquist system without any influence of performance, so that FTN gradually becomes research hotspot in recent years. Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) signal has been subject to increased interests in academic field because it has high spectral efficiency, good scalability, mature digital signal processing algorithms and resistance to intersymbol interference caused by chromatic dispersion. To improve the spectral efficiency further, non-orthogonal frequency-division multiplexing (NOFDM) with smaller subcarrier spacing becomes research hotspot recently, but FTN-NOFDM has not been reported. This project proposes the transmission scheme based on FTN-NOFDM system, and focuses on the following aspects: 1) Generation method of the FTN-NOFDM signal; 2) Channel equalization scheme for FTN-NOFDM system; 3) Algorithms about suppression and elimination of inter-carrier interference. Through the above innovative theoretical research and scientific experimental research, we will study the basic theory of FTN-NOFDM deeply, conquer the core technology of transmission system, master the research scheme with independent intelligent property right. The research results will establish a solid foundation for the application of large capacity and high spectral efficiency FTN-NOFDM transmission system.

随着移动互联网、大数据和云计算等数据业务持续爆炸式增长，光纤传输系统的容量面临不断扩容的压力。超奈奎斯特(FTN)系统的容量在同等性能下比奈奎斯特系统高25%，逐渐成为近几年来的研究热点。而光正交频分复用(OFDM)信号以其频谱效率高、扩展性好、均衡算法成熟，和抗色散等优点近十几年来受到传输领域的重点关注；为进一步提高频谱效率，载波间隔更小的非正交频分复用(NOFDM)方案近年来成为研究热门方案，但未见能实现FTN的NOFDM系统报道。本项目提出基于FTN的NOFDM系统传输方案，重点研究FTN-NOFDM系统中：1）信号产生方法；2）信道均衡方案；3）载波间干扰抑制和消除算法。通过以上创新性理论研究和科学实验研究，深入探究FTN-NOFDM系统的基础理论，攻克系统传输的各项核心技术，掌握具有自主知识产权的研究方案，研究成果可为大容量高谱效FTN-NOFDM传输系统的应用奠定坚实基础。

随着数据业务的爆炸式增长，光纤传输系统容量面临不断扩增的压力。本项目主要面向大容量、高谱效光纤传输系统的应用需求，研究超奈奎斯特（FTN）系统传输方案，其容量在同等性能下可以比奈奎斯特系统高出25%。以光正交频分复用（OFDM）为代表的多载波调制信号以其频谱效率高、扩展性好、均衡算法成熟以及抗色散等优点受到传输领域的重点关注。为进一步提高频谱效率，OFDM的子载波间隔进一步压缩，生成非正交频分复用信号（NOFDM）信号。基于此，本项目提出超奈奎斯特非正交频分复用（FTN-NOFDM）系统方案，该方案既具有FTN系统传输容量上的优势，又具备传统多载波调制的优点。因此，本项目旨在研究FTN-NOFDM系统的基础传输理论、攻克关键技术，重点研究FTN-NOFDM系统中：1）信号产生方法；2）信道均衡方案；3）载波间干扰抑制和消除算法。.针对以上三项关键技术问题，本项目提出基于分数阶变换的信号生成方式，包括分数阶傅里叶变换、分数阶哈特莱变换和分数阶余弦变换，其中分数阶余弦变换可以生成载波间干扰更小的FTN-NOFDM信号；针对信道均衡，本项目研究了时域均衡、频域均衡方案，并提出了时频域联合均衡方案。相对于单独采用时域均衡，其收敛特性可以提升10倍以上、计算复杂度可以降低76%左右，而且时频域联合均衡方案可以实现更优的系统性能。针对载波间干扰抑制和消除算法，本项目针对FTN-NOFDM系统研究比较了多种载波间干扰消除算法，发现树形搜索算法不仅可以实现最佳性能，运算复杂度还可以降低至最大似然检测的1%以下。另外，提出了三种简化的树形搜索算法，在计算复杂度和载波间干扰消除的性能上各具优势。.项目组在相关领域共发表论文54篇，其中SCI检索论文34篇，包括Optics Express，Optics Letter，IEEE Journal of Lightwave Technology，IEEE Photonics Journal, IEEE Photonics Technology等光通信领域国际知名期刊，EI检索论文20篇，包括OFC、OECC、ACP等光通信领域顶级会议，申请了14项国家发明专利。.本项目的成果可有效支撑下一代大容量、高谱效光纤传输系统的发展，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。