1 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

移動(dòng)通信的興起可以追溯到20世紀(jì)20年代，但真正意義上的蓬勃發(fā)展是從70年代開始的。20世紀(jì)70年代末誕生了代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）,1G系統(tǒng)以模擬調(diào)頻、頻分多址（FDMA）為主體技術(shù)，其中，1978年底蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的出現(xiàn)是現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)里程碑。蜂窩概念實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，真正解決了公用移動(dòng)通信系統(tǒng)需求容量大與頻率資源有限的矛盾，一直沿用至今。1G的代表系統(tǒng)有美國(guó)和澳大利亞的AMPS系統(tǒng)，歐洲的ETACS系統(tǒng)以及日本的NTT系統(tǒng)。但這類系統(tǒng)共同的缺點(diǎn)是系統(tǒng)容量小，無法滿足飛速發(fā)展的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需要。所以，模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)很快就被90年代出現(xiàn)的第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)所取代。

第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）是完全數(shù)字化的系統(tǒng)，采用時(shí)分多址（TDMA）或窄帶碼分多址（CDMA）作為多址接入技術(shù)。與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、業(yè)務(wù)種類多、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、系統(tǒng)易于集成等優(yōu)勢(shì)。由模擬通信到數(shù)字通信的轉(zhuǎn)化，是移動(dòng)通信發(fā)展的又一大飛躍。2G的典型應(yīng)用系統(tǒng)有歐洲的GSM、北美的IS-95 CDMA以及日本的PDC系統(tǒng)，其主要業(yè)務(wù)是傳輸話音和低速率的數(shù)據(jù)，這一代移動(dòng)通信系統(tǒng)還支持低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

隨著人們對(duì)高質(zhì)量的多媒體通信需求的日益增長(zhǎng)，90年代后期，以寬帶碼分多址（CDMA）作為多址接入技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）就是具有更高的傳輸速率和對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持。3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有歐洲的WCDMA、北美的cdma2000和中國(guó)提出的TDS-CDMA。盡管3G系統(tǒng)在通信容量與質(zhì)量方面比2G系統(tǒng)有了較為明顯的改善，然而對(duì)于高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說，采用單載波TDMA系統(tǒng)和寬帶CDMA系統(tǒng)都存在很大的缺陷。由于無線信道的時(shí)延擴(kuò)展性，高速數(shù)據(jù)流符號(hào)的時(shí)間寬度相對(duì)較窄，符號(hào)之間存在嚴(yán)重的符號(hào)間干擾（ISI），這對(duì)單載波的TDMA系統(tǒng)的均衡器提出了更高的要求，濾波器的抽頭數(shù)目要足夠大，訓(xùn)練序列的長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)，這樣均衡算法的復(fù)雜度太高，實(shí)時(shí)性變差。對(duì)于寬帶CDMA系統(tǒng)，在帶寬一定的前提下，高速數(shù)據(jù)流的速率和擴(kuò)頻增益之間存在矛盾，高速數(shù)據(jù)流的擴(kuò)頻增益不能太大，這樣又限制了CDMA系統(tǒng)抗噪聲的優(yōu)點(diǎn)，從而系統(tǒng)的軟容量受到影響；如果保持原來的擴(kuò)頻增益，則需要增加信號(hào)的帶寬。

為了在有限的頻段上為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)為規(guī)避CDMA專利壁壘，4G系統(tǒng)中需要采用全新的調(diào)制技術(shù)以使整個(gè)系統(tǒng)的頻譜效率較現(xiàn)有的技術(shù)提高一個(gè)量級(jí)以上。正是在這樣的技術(shù)背景下，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，可以有效的抑制信號(hào)多徑傳播造成的ISI，具有很強(qiáng)的抗多徑信道干擾能力；同時(shí)各子載波之間的正交性，使得各子信道頻譜可以交疊使用，提高了頻帶利用率；另一方面，在發(fā)射和接收端都采用多個(gè)天線的多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)由于在提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜利用率方面極具潛力。不僅如此，OFDM技術(shù)還易于結(jié)合MIMO技術(shù)，更大限度地提高數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)中物理層信息傳輸?shù)目煽啃?。如果再結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制，自適應(yīng)編碼以及動(dòng)態(tài)子載波分配，動(dòng)態(tài)比特分配等技術(shù)，其性能可以進(jìn)一步得到提高。因此，OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì)，成為了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)字調(diào)制技術(shù)。

圖1 移動(dòng)通信演進(jìn)歷程

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5th Generation Mobile Communication System，5G）作為繼4G 之后的無線通信技術(shù)，旨在為用戶提供了增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景（Enhance Mobile Broadband，eMBB）服務(wù)、大規(guī)模機(jī)器類通信場(chǎng)景（Massive Machine Type Communications，mMTC）服務(wù)和高可靠低時(shí)延通信場(chǎng)景（Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC）服務(wù)，其在峰值速率、移動(dòng)性、時(shí)延、頻譜效率、用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、能量密度和能效方面要有數(shù)量級(jí)指標(biāo)性的提升。OFDM技術(shù)以其對(duì)頻率選擇性具有魯棒性，大規(guī)模MIMO 技術(shù)以其的頻譜效率和能量效率，二者成為5G系統(tǒng)空口關(guān)鍵技術(shù)。 此外，自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)根據(jù)信道條件動(dòng)態(tài)調(diào)整傳輸參數(shù)，在保證誤碼率要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了吞吐量的更大化，提高了頻譜效率，也是5G 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2020年前后，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)在全球逐步商用，標(biāo)志著移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)了從“人聯(lián)”走向“萬物互聯(lián)”。近年來,隨著自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、沉浸式擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興服務(wù)的不斷演進(jìn), 6G移動(dòng)通信系統(tǒng)需要將傳統(tǒng)定位、探測(cè)、成像等無線感知功能同無線傳輸功能深度融合,同時(shí)利用廣泛分布的算力進(jìn)行輔助計(jì)算處理,實(shí)現(xiàn)感知通信計(jì)算的交叉融合,即未來的6G網(wǎng)絡(luò)將推動(dòng)人聯(lián)、物聯(lián)向智聯(lián)轉(zhuǎn)變，成為通信感知計(jì)算一體化融合網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)地，6G網(wǎng)絡(luò)為提升的通信系統(tǒng)容量和感知精度，在沿用5G移動(dòng)通信系統(tǒng)大規(guī)模MIMO OFDM調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬頻帶資源和增強(qiáng)信號(hào)處理能力，如采用毫米波頻段傳輸技術(shù)、太赫茲傳輸技術(shù)和人工智能技術(shù)等。

綜觀移動(dòng)通信的演進(jìn)過程，數(shù)字通信系統(tǒng)面臨日益增長(zhǎng)的用戶容量和系統(tǒng)容量的需求，其必然要求占用更大頻譜資源和更多空域資源，相應(yīng)地，數(shù)字調(diào)制技術(shù)也會(huì)不斷更新迭代以適應(yīng)更加豐富的系統(tǒng)頻域和空域資源，比如3G系統(tǒng)采用寬帶CDMA調(diào)制技術(shù)和高頻率空間復(fù)用因子的蜂窩組網(wǎng)技術(shù)，4G則采用能夠適應(yīng)更寬頻帶的OFDM調(diào)制技術(shù)和使用更多空域資源的MIMO技術(shù)，5G采用毫米頻段傳輸技術(shù)、寬帶OFDM技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)等，未來數(shù)字調(diào)制技術(shù)必將能夠更好地支持高頻段、大帶寬和多天線通信系統(tǒng)。

2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)

如前所述，OFDM調(diào)制技術(shù)具有下述優(yōu)點(diǎn)：1）通過子信道頻帶相互交疊且正交，頻帶利用率提高了一倍；2）與單載波調(diào)制系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)更好地抑制信道頻率選擇性衰落的影響，這是因?yàn)镺FDM系統(tǒng)將信道劃分成若干個(gè)近似平坦衰落的子信道，此時(shí)對(duì)于每個(gè)子信道而言，均衡只需將信號(hào)除以子信道對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)；3）通過采用長(zhǎng)度大于信道更大延遲的循環(huán)前綴，OFDM系統(tǒng)消除或幾乎消除了字符間干擾。不僅如此，如果信道在一個(gè)OFDM字符周期內(nèi)不變，子載波間干擾也能夠消除；4）OFDM系統(tǒng)對(duì)于窄帶噪聲和脈沖噪聲具有很強(qiáng)的抑制作用，這是因?yàn)檫@樣的噪聲只對(duì)應(yīng)頻域上特定的子載波，因而對(duì)所有的子載波上的信號(hào)采用適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)編碼，就可以克服上述噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響；5）OFDM系統(tǒng)可以方便地根據(jù)子信道的頻率響應(yīng)特性，采用灌水原理對(duì)各子信道上的發(fā)射功率進(jìn)行分配，改善系統(tǒng)性能；5）OFDM將信道等效為多個(gè)平坦衰落的子信道，因此能與MIMO技術(shù)高效結(jié)合，而MIMO技術(shù)在提高無線通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜利用率方面極具潛力，因此MIMO-OFDM調(diào)制技術(shù)可以有效提升通信系統(tǒng)容量和傳輸可靠性。

因此，OFDM技術(shù)和MIMO-OFDM技術(shù)成為當(dāng)前數(shù)字通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)調(diào)制技術(shù)，以其具有能很好地支持高頻段、大帶寬和多天線通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，相信該調(diào)制技術(shù)在今后一段時(shí)期內(nèi)也將繼續(xù)作為通信系統(tǒng)的主流調(diào)制技術(shù)。

圖2 OFDM系統(tǒng)離散時(shí)間等效模型框圖

另一方面，OFDM調(diào)制技術(shù)同時(shí)也存在以下主要缺點(diǎn)：1）存在較高的峰值均值功率比：由于OFDM系統(tǒng)中在發(fā)射端采用IFFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，OFDM信號(hào)具有很大的幅度范圍，為了不失真地傳輸信號(hào)，發(fā)射端和接收端對(duì)射頻發(fā)送和接收器件的線性度要求很高。如果發(fā)射端或接收端的線性度工作范圍受限不能滿足OFDM系統(tǒng)要求，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)失真以及帶外能量泄漏，這些非線性失真都會(huì)嚴(yán)重地降低系統(tǒng)性；2）系統(tǒng)對(duì)同步具有較高的要求：時(shí)間同步敏感，接收端需要知道OFDM字符幀的起始點(diǎn)以及信道的時(shí)延長(zhǎng)度，以便于接收和發(fā)送端能夠同步，接收端才能準(zhǔn)確地將循環(huán)前綴從接收信號(hào)中分離；頻率同步敏感：OFDM發(fā)端的基帶信號(hào)調(diào)制到規(guī)定的載波，然后發(fā)送出去，雖然載波的頻率對(duì)于收、發(fā)端都已知，但是由于收、發(fā)端的晶振頻率之間誤差導(dǎo)致載波頻率偏移。所有這些頻率偏移都會(huì)破壞OFDM系統(tǒng)子載波間的正交性，導(dǎo)致信道間干擾。因此，接收端的頻率偏移估計(jì)和補(bǔ)償對(duì)于OFDM系統(tǒng)至關(guān)重要。3）快衰落信道中性能較差：快時(shí)變信道中，一個(gè)字符周期內(nèi)的信道不變假設(shè)不成立，移動(dòng)系統(tǒng)中多普勒頻移或頻展會(huì)破壞子載波間的正交性，此時(shí)系統(tǒng)性能急劇惡化，由于子信道不再具有平坦衰落特性，信道均衡將變得非常復(fù)雜。除此之外，由于信道參數(shù)數(shù)量大大增加，信道估計(jì)將是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的問題。4）自適應(yīng)調(diào)制復(fù)雜度高：作為OFDM調(diào)制技術(shù)特點(diǎn)之一，OFDM系統(tǒng)可以方便地根據(jù)子信道的頻率響應(yīng)特性，采用灌水原理對(duì)各子信道上的發(fā)射功率進(jìn)行分配，實(shí)時(shí)改變各子載波的調(diào)制類型和編碼方式，提高系統(tǒng)容量和功率效率，即OFDM系統(tǒng)可以通過自適應(yīng)調(diào)制方法改善系統(tǒng)性能。但傳統(tǒng)OFDM自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)以子信道為基礎(chǔ)進(jìn)行的功率分配和調(diào)制階數(shù)適配，對(duì)于子載波數(shù)較大和快時(shí)變信道場(chǎng)景，這樣的自適應(yīng)調(diào)制方法計(jì)算復(fù)雜度高，不能滿足于高速通信的需求。

此外，雖然MIMO系統(tǒng)的信道容量會(huì)隨著天線數(shù)目的增加近似呈線性增長(zhǎng)，但與此同時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜度也會(huì)增加，并且系統(tǒng)信道估計(jì)復(fù)雜度和信道均衡的復(fù)雜度也隨之呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

綜上所述，OFDM調(diào)制技術(shù)和MIMO-OFDM調(diào)制技術(shù)主要面臨以下五個(gè)方面的問題或挑戰(zhàn)：1）系統(tǒng)峰均比抑制；2）信道估計(jì)與均衡；3）時(shí)頻同步；4）時(shí)變信道均衡；5）信道資源管理。國(guó)內(nèi)外針對(duì)上述問題展開了大量的研究，分別簡(jiǎn)述如下。

• 系統(tǒng)峰均比抑制技術(shù)

目前已有大量對(duì)PAPR進(jìn)行抑制的研究與技術(shù)，具體分為三大類：信號(hào)預(yù)失真技術(shù)、編碼類技術(shù)和概率類技術(shù)。1）預(yù)失真技術(shù)：其核心思想是對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行非線性操作，是直接、簡(jiǎn)單的方法， 其主要思想是引入失真信號(hào)，在原始的OFDM信號(hào)中疊加失真信號(hào)達(dá)到降低PAPR 的效果，但這種疊加操作會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生非線性失真，系統(tǒng)的誤碼率性能會(huì)受到一定的 損失。如削波法，作為信號(hào)預(yù)失真技術(shù)的基礎(chǔ)方法，其操作簡(jiǎn)單且受到了很廣泛的應(yīng)用， 若信號(hào)的幅度值小于預(yù)先確立一個(gè)門限閾值則直接輸出，不需要 進(jìn)行任何處理，若信號(hào)的幅度值大于該門限閾值，則對(duì)信號(hào)進(jìn)行切割，令其超出部分的幅度值等于門限閾值，保持其相位不變。2）編碼類方法，其主要思想就是通過一些方式減少信號(hào)出現(xiàn)相同相位的概 率，從而降低系統(tǒng)的峰均比，這類編碼技術(shù)需要搜尋更好的碼組進(jìn)行傳輸，該過程在子載波數(shù)目較多時(shí)會(huì)變得非常復(fù)雜，同時(shí)還需要存儲(chǔ)大量表數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼譯碼，因此這種編碼方案并不適合子載波較多的系統(tǒng)，其應(yīng)用嚴(yán)重地受到了限制。3）概率法，其中常用的是部分傳輸序列(PTS)法和選擇性映射(SLM)算法。在SLM算法中，傳輸?shù)念l域信號(hào)分別與構(gòu)造的M條相位因子序列進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算，此時(shí)可得M條不同的候選信號(hào)序列，在所有產(chǎn)生的這些候選信號(hào)序列中選擇具有小PAPR值的 一組信號(hào)進(jìn)行傳輸，同一時(shí)刻，傳輸信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位因子序列信息作為邊信息進(jìn)行傳輸。與SLM算法同理，PTS算法的相位旋轉(zhuǎn)因子向量也需 要作為額外的邊信息進(jìn)行發(fā)送，接收端在收到信號(hào)之后，通過得到的邊信息就可以對(duì) 傳輸信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。概率法需要尋找更佳相位因子，因此構(gòu)造的序列越多，查找操作所需的計(jì)算量也 就越大，同時(shí)這種算法需要傳輸較多的邊信息，降低了系統(tǒng)的頻譜利用率。 

• 信道估計(jì)

無論是SISO-OFDM系統(tǒng)還是MIMO-OFDM系統(tǒng)，在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)之前都需要獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息作為數(shù)據(jù)處理的參數(shù)，這就需要用到信道估計(jì)技術(shù)?？偟膩碚fMIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)算法也可以分為基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)、盲信道估計(jì)和半盲信道估計(jì)技術(shù)?；趯?dǎo)頻的信道估計(jì)在發(fā)送端插入導(dǎo)頻，而插入的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)接收端是已知的，接收機(jī)根據(jù)已知的導(dǎo)頻和接收到的導(dǎo)頻作對(duì)比計(jì)算，從而獲得信道的狀態(tài)信息。其中典型的信道估計(jì)方法有基于LS、MMSE信道估計(jì)方法中被廣泛地運(yùn)用，這些方法在導(dǎo)頻開銷方面比較大，例如小二乘法，用來估計(jì)頻分雙工下行鏈路系統(tǒng)的 CSI，就要求導(dǎo)頻序列的數(shù)目至少與BS的天線數(shù)目M相同。這類信道估計(jì)方法圍繞如何降低導(dǎo)頻開銷、提高估計(jì)精度和降低算法復(fù)雜度作了大量研究，取得了大量的研究成果，至今依然是人們研究的熱點(diǎn)。

基于訓(xùn)練序列的信道估計(jì)算法雖然簡(jiǎn)單，但是其耗費(fèi)了大量而寶貴的無線通信頻帶資源。盲信道估計(jì)算法無需或幾乎無需訓(xùn)練序列，具有高帶寬使用效率的特點(diǎn)，該類方法通常利用接收數(shù)據(jù)信號(hào)樣本的統(tǒng)計(jì)特性，實(shí)現(xiàn)信道特征提取。如基于子空間的信道估計(jì)方法中，由于循環(huán)前綴或者加尾零，或者線性預(yù)編碼引入信號(hào)的冗余性，或者信號(hào)自身的冗余性，接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)之間可以表示為高矩陣結(jié)構(gòu)，對(duì)接收信號(hào)的相關(guān)矩陣可以分解為信號(hào)子空間和噪聲子空間，進(jìn)而利用兩個(gè)子空間之間的正交性估計(jì)信道。MIMO-OFDM系統(tǒng)盲信道估計(jì)方法雖然具有更高的頻帶利用率，但是通常要求接收大量的信號(hào)數(shù)據(jù)樣本，計(jì)算復(fù)雜度高，在實(shí)時(shí)性要求高或者快時(shí)變信道場(chǎng)景中應(yīng)用受到些限制。

• 頻率同步

對(duì)載波頻偏敏感是正交頻分復(fù)用系統(tǒng) 寧波打造微放電檢測(cè)利器，為宇航產(chǎn)品保駕護(hù)航 返回 寧波是德E3648A可編程電源特性