有限字符集调制下的框架数字传输设计与分析

With the rapid development of society and economy and the advancement of informatization, increasing demand for wireless and mobile transmission service is witnessed. It is predicted that the global wireless and mobile transmission sevices in 2020 would increase over 1000-fold than those in 2010. At the same time, the concept and trend of low-carbon/green communications urge us to further lower the energy consume when we are going to greatly improve the communication capability. To accommodate the requirements of future wireless digital communications, the current project studies some key issues in the frame digital transmission system that was earlier proposed by us with high spectral efficiency, namely, the analysis of channel capacity and bit error rate of frame digital transmission systems modulated by finite alphabets, the construction of optimum frame waveforms under various criteria, and the algorithms for recovering information symbols with high performance and low complexity, etc. It is expected that the project can further refine and strengthen the theory of frame digital transmission, providing an effective solution to the challenge from spectrum scarcity and high energy consume, and laying the foundation for the development of next generation wireless transmission technologies.

随着社会与经济的发展和信息化程度的不断提高，人们对无线与移动数据传输业务的需求也日益增加。据预测，到2020年全球移动和无线数据传输业务将比2010年增长超过1000倍。同时，低碳/绿色通信概念的提出和发展趋势也促使我们在大力提升通信能力的同时，还必须进一步降低通信能耗。为适用未来无线数字通信发展的需要，本项目对我们之前提出的具有高频谱效率的框架数字传输系统中的若干关键问题展开进一步研究，包括有限字符集调制下框架数字传输系统的容量分析和误码率性能分析、不同准则下最佳框架波形的构建以及高性能低复杂度信息字符恢复算法的研究等。期望通过本项目的研究，可以进一步深化并拓展基于框架的数字传输理论，为解决无线传输中由频谱资源稀缺与低能耗等物理层挑战提供一条有效途径，并为下一代无线传输技术的发展奠定必要的理论基础。

本项目主要针对以框架函数作为调制载波的数字传输系统中的一些关键问题进行研究，包括有限字符集调制的框架传输系统信道容量、字符向量重构概率和误码率性能 分析以及接收端的低复杂度高性能检测算法设计等。研究结果表明，使用离散、有限、均匀字符集的框架数字传输系统可以在无需采用信号成形技术情况下渐近取得由Shannon容量定理指出的带限加性白高斯噪声（AWGN）信道的最大谱效率。同时，通过时频传输的“注水”功率分配和码率自适应技术来调节框架传输波形的幅度和能量弥散因子，以上结论可以进一步扩展到非白高斯噪声/谱成形信道。此外，通过凸松弛，我们提出了基于无穷范数最小化的二进制字符调制框架传输系统的检测算法，从而可以通过迭代递推的方式实现多项式复杂度字符检测。进一步地，借助于函数逼近的思想，通过指数-对数函数对无穷范数代价函数进行平滑化实现了框架数字传输信令系统中二元信号的重构。该方法可以以更低的计算复杂性取得较好的性能-复杂性折中。同时，我们对上述检测算法的字符可恢复性能进行了分析，得到字符重构概率的上界。希望本项目的研究成果对寻求无线传输中由频谱资源稀缺与高能耗等物理层挑战的有效解决途径有所启发，并对奠定下一代无线传输技术的发展理论基础能有所帮助。