基于无循环前缀OFDM无线传输机制的波形设计与干扰消除技术

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems use a cyclic prefix (CP) whose length is at least equal to channel's delay spread to overcome multipath interference caused by wireless. However, CP will result in the loss of spectral efficiency. Under the same number of subcarriers, the loss of spectral efficiency caused by CP will become more and more serious as the transmission rate increases. Therefore, in the futurist OFDM involved applications, CP will definitely become a bottleneck for performance improvement. To address this issue, we will design high-efficiency CP-free OFDM transmission methods but without sacrificing error rate performance:.1) Apply the feedback equalization algorithm and CP reconstruction technology to eliminate multipath interference in CP-free OFDM wireless transmissions, and optimize the proposed algorithm by comprehensive consideration of validity and reliability..2) Construct an interference alignment algorithm for CP-free OFDM wireless transmissions. Pre-eliminate the multipath interference at the transmitter, and thus the calculation error caused by noise can be avoided when the multipath interference is canceled at the receiver..3) Considering the scenario where the OFDM symbol is shorter than the delay spread, the CP-free OFDM wireless transmission method and the corresponding switching issues between different transmission methods will be designed and studied, respectively.

正交频分复用(OFDM)系统借助长于或等于时延扩展的循环前缀(CP)使其完全避免多径干扰的影响，然而CP却损失了频谱效率。在子载波数目一定的前提下，CP所致频谱效率的损失将随着传输速率的提高愈加严重。因此，在未来OFDM涉及的应用中，CP必将成为性能提升的瓶颈。为解决该问题，我们将在尽量不牺牲误码性能的前提下设计无CP(CP-free)的高效OFDM传输方法：.1) 利用反馈均衡算法和CP重建技术消除CP-free OFDM无线传输过程中的多径干扰，并综合考虑可靠性与有效性对算法进行优化。.2) 构建适用于CP-free OFDM无线传输的干扰对齐算法，在发射端对多径干扰进行预消除，避免在接收端进行干扰消除时引入噪声所致的计算误差问题。.3) 考虑OFDM符号长度短于时延扩展的情形，设计该情形下的CP-free OFDM无线传输方法并解决不同算法间的切换问题。

在5G中，基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）优化的波形与其对应的多址接入技术扮演重要的角色。在OFDM系统中，每一路并行数据流的带宽会小于多径信道的相干带宽，所以OFDM系统在一定程度上可以很好地抵抗多径信道的频率选择性衰落。但是，当OFDM工作在多径环境下的时候，频率选择性衰落仍然是一个重要的限制。为了解决这个问题，通常的做法是在OFDM符号之间插入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）。然而CP在本质上是一种冗余信号，会给频谱效率（Spectral Efficiency，SE）带来损失。就目前的情形来看，考虑到OFDM的诸多优势，CP带来的开销也许是可以承受的，但以长远的眼光来看，随着传输速率的提高，SE损失就会变大。在长时延扩展通信场景下，CP对频谱造成的开销可高达1/4，如果传输速率提高5倍，则频谱效率损失将增至5/8。这样的开销无论如何也不容忽视。因此，增长OFDM符号的长度仅仅是降低CP开销的权宜之计，而不是解决CP问题的根本性解决方案。本项目利用判决反馈均衡（Decision Feedback Equalization，DFE）算法和CP重建（CP Reconstruction，CPR）技术消除CP-free OFDM无线传输过程中的多径干扰，并综合考虑可靠性与有效性对算法进行优化，先后提出了RGI OFDM以在ZP OFDM与CP-free OFDM中达到一种权衡；提出了CP-Free OFDM NOMA技术进一步提高了CP-free的频谱效率。此外，本项目研究了干扰消除技术，提出了基于并行干扰消除（Parallel Interference Cancellation，PIC）的F-OFDM传输方案，可以更有效地对抗多普勒效应。不仅如此，本项目还在CP-free OFDM中引入了编码技术，互补码的应用使得系统拥有更低的误码率和更高的传输效率。整体来看，本项目执行期间稳步推进，严格执行并完成了申请书的计划，积极进行国内外学术交流，共发表国内外高水平论文17篇，申请发明专利7项，并培养硕士生6人、博士生3人。CP-free OFDM技术为6G无线通信提供了可行道路和可靠方案。