超Nyquist码元速率通信系统信号设计与接收理论研究

Inter-symbol interference(ISI) will be caused when Faster-Than-Nyquist(FTN) signaling is applied, and it will degrade the system performance according to the traditional communication theory. In 1975, Mazo told us that system performance will not be degraded as long as the transmission rate is not beyond 24.7% faster than the Nyquist rate, because the minimum euclidean distance is not changed though ISI exists. In 2009, Rusek extended Mazo's idea of FTN to multicarrier system, and showed that the system spectral efficiency will be increased to two times of OFDM system while keep the same performance. Although FTN signaling and receive theroy are not thoroughly investigated, its concept provides a new viewpoint for high speed communication and transmission. So there will be significant practical and theoretical meaning. . The following contents about FTN transmission will be covered in this project. Firstly, we will investigate the optimal signal designing theory and method of FTN transmission system. Then the optimal receive theory and low complexity receiver framework will be investigated. Lastly, we will extend FTN technology to the fading channel and analyze the feasibility, to promote the reasearch of new style high spectral communication system.

以超Nyquist码元速率传输时，会引起符号间干扰（ISI），传统理论认为这必然导致通信系统性能下降。1975年Mazo指出二进制码元极限传输速率只要不超过Nyquist速率的24.7%，尽管存在ISI，但信号最小欧氏距离没有变化，误码性能同样不受影响；2009年Rusek 等人将Mazo思想推广至多载波系统，研究证实：在误码性能不变情况下，系统频带利用率可比正交频分复用系统提高近一倍。尽管目前超Nyquist传输在信号设计及接收理论与方法等方面还不完善，但它的出现为高速通信及其传输理论提供了崭新的视角和方法，具有重要的理论及现实意义。. 本项目拟在超Nyquist码元传输速率下：1）研究最佳信号设计理论与方法；2）研究信号的最佳接收理论，并探索低复杂度接收机结构；3）推广到衰落信道，分析论证其可行性，以推进新型高效通信体制的探究。

超Nyquist（FTN）传输技术作为一种超越Nyquist准则的非正交传输技术，通过人为压缩发送符号间隔，有效提高了系统数据速率，与传统正交传输方式相比，具有更高的频谱利用率。FTN的出现改变了人们对于已有频率资源及其利用方式的认知，课题组依托该青年科学基金项目，深入研究FTN传输系统的信号设计和接收技术，对丰富信息传输理论有着重要意义。. 项目研究内容主要包括FTN发送端信号设计、接收算法以衰落信道下的FTN传输等内容。1）研究了FTN传输机理，基于矩阵模型，提出了采用Cholesky分解的发送端优化预编码方案；针对多载波FTN系统，基于时频局域优化设计了一种高精度的成型滤波器，既能满足离散正交条件，也能将映射模块复杂度降低一至两个数量级；以互信息最大化为目标函数，提出了一种新的发送功率分配方案，有效结合迭代注水算法和贪婪算法的优势，实现功率资源的合理配置；2）研究了FTN接收理论，推导了最佳接收机结构；基于频域均衡，提出了基于噪声预测判决反馈均衡器的FTN接收算法，以及低复杂度迭代分组判决反馈均衡（LCIBDFE）算法，结果表明，在3次迭代时，能保持性能不变但复杂度下降25.6%；基于矩阵模型，提出了一种双向干扰消除算法，结果表明，当加速因子为0.85，中等误码率时，该方案比传统均衡算法有约1dB的性能优势，且避免了矩阵分解运算，复杂度大大降低；针对多载波FTN传输，从精确串扰消除和有色噪声白化两个角度，对迭代模块的内译码器进行优化，设计了新的系数匹配模块和基于系数矩阵奇异值分解的噪声白化模块，将串扰消除的精度提高近五个百分点，且在低信噪比范围内有效提高了系统性能。3）研究了衰落信道条件下的FTN传输，结果表明，双向干扰消除算法和Cholesky预编码相结合的方案在非理想带限信道下依然适用；在慢衰落信道下，增加CP或PN序列的长度，LCIBDFE接收算法仍然能检测出FTN信号，但性能有所损失，且复杂度随多径数呈线性增长；当信道频率选择性衰落严重时，推导了得出单载波迭代分组判决反馈均衡算法，有效提高了系统性能。