知識的島嶼越大，奇跡的海岸線就越長。——拉爾夫·w·索克曼

在前面的文章中，筆者多次提到OTFS調制技術。OTFS (Orthogonal Time Frequency Space) 是一種新興的調制技術，它采用了一種全新的傳輸域，將傳統的時域和頻域相結合。OTFS技術充分利用時間和頻率的正交性，提供了更好的時延和多路徑傳播環境下的高容量、高可靠性通信解決方案。

傳統的調制技術在多徑傳播環境中面臨多徑衰落問題，這會導致信號失真和傳輸性能下降。相比之下，OTFS技術通過在時延-多普勒域（TF域）中傳輸數據，能夠從傳統的調制技術中脫離，并有效克服多徑衰落問題。

OTFS發射機

OTFS技術的基本原理是將時域和頻域信息都編碼在傳輸時域頻率矩陣中。這通過將時域符號序列與頻域符號序列進行卷積運算來實現，得到傳輸時域頻率矩陣。在接收端，利用接收到的傳輸時域頻率矩陣，通過解卷積運算還原出原始的時域和頻域數據。

OTFS接收機

OTFS技術目前仍處于研究和發展階段，尚未被廣泛商用。然而，它在未來的通信系統中具有潛力，特別是在對于高容量、高速率和復雜信道條件要求較高的場景中。隨著對OTFS技術的深入研究和進一步發展，我們有理由相信它將在通信領域發揮重要作用。

從目前學術界的研究和工業界樣機研制看，OTFS作為潛在的候選波形，有望未來的6G、7G等中被考慮。

關于OTFS調制技術的書籍相對較少，論文比較多，主要有：

1.OTFS: Orthogonal Time Frequency Space Modulation-A Waveform for 6G

2.Delay-Doppler Communications Principles and Applications

3.博士論文：Orthogonal Time Frequency Space (OTFS)Modulation for Wireless Communications

此外有比較多的期刊論文和碩博論文，在針對OTFS的收發機關鍵技術的研究，以及在通感一體化、雷達和6G通信等方向進行研究，商業界也有部分公司正在研制樣機。

ISFFT與SFFT變換對

作為工程師，我們負責落地，一些比較前沿的理論，可以保持適當接觸，把握行業發展趨勢。

從目前來看，技術都是一步步演進，OTFS作為OFDM的衍生波形，有其優勢，也有其劣勢。

正如《Delay-Doppler Communications Principles and Applications》中第9章分析指出OTFS的優劣，以及值得研究的幾個方向。

OFDM在高速移動場景存在固有缺陷。在高速移動情況下，無線信道是雙重選擇性的，其中多徑效應導致ISI和多普勒頻移。因此，信道在OFDM符號內發生變化，這導致子載波之間的正交性喪失。這又會導致嚴重的載波間干擾(ICI)和性能下降。在這種情況下，OFDM的低復雜度檢測和信道估計是非常具有挑戰性的。多個多普勒難以均衡，子信道增益不相等，最差的多普勒決定了性能。我們可能需要使用強大的信道編碼來彌補這些缺點。此外，為了估計這種快速變化的信道，OFDM將需要一個非常高的導頻開銷，影響頻譜效率。

與OFDM不同的是，OTFS在延遲多普勒域而不是時頻域的二維正交基函數上復用信息符號。這種二維正交基函數是專門設計用來對抗時變多徑信道的動態特性的。因此，OTFS將衰落時變多徑信道轉換為稀疏緩慢時變信道。

時延多普勒信道響應

在時域觀測時，OTFS的正交基函數跨越了一個NM維空間。在接收端，這些函數都受到信道相同尺度的影響，但對于具有P路徑的高遷移率多徑信道，這些函數會干擾其他基函數。因此，接收器的正交性丟失，并且出現了來自其他符號的一些ISI。幸運的是，少量的路徑P ?NM仍然可以讓我們很容易地平衡這種干擾。我們可以使用非常低的復雜性最大比率合并(MRC)檢測來實現與消息傳遞(MP)檢測相當的性能。

在高機動性信道中，傳統的時頻域無法捕捉到受多普勒頻移影響的獨立傳播路徑。相比之下，時延多普勒域實現了稀疏且緩慢時變的信道表示，從而可以對每個傳播路徑的參數進行簡單估計。單個導頻符號可用于估計整個OTFS幀的每個路徑的延遲、多普勒頻移和增益。假設存在P條具有不同整數延遲和多普勒頻移的傳播路徑，則在時延多普勒域中隔離傳輸的導頻符號在接收器處產生P個不同的非零采樣，這些采樣定義了延遲多普勒信道響應。對于分數階多普勒頻移，可以通過在接收機上大量不同的非零樣本來估計延遲多普勒信道響應。

延時域信道矩陣

但是，在信道估計、PAPR、多用戶通信、導頻設計等方面，存在一些技術挑戰。

例如，該書第7章中的嵌入式導頻信道估計不估計每個延遲路徑中的分數多普勒頻移。相反，它估計全多普勒信道響應樣本。或者，我們可以單獨估計分數多普勒頻移，以適應全多普勒信道響應。然而，這種非線性估計過程可能導致在某些信道條件下不準確的信道估計，如緊密間隔的分數多普勒頻移。此外，噪聲會顯著影響估計的準確性。因此，估計分數多普勒頻移是一個值得研究的有趣的開放問題。

對于嵌入式導頻信道估計，另一個問題是峰均功率比(PAPR)，它決定了發射功率放大器(PA)的效率。當PAPR較低時，說明系統在線性區域有效運行，而當PAPR過高時，系統會在非線性區域運行，導致系統性能下降。有關文獻表明，OTFS的最大PAPR隨時隙數N線性增長，而不是像OFDM那樣隨子載波數M線性增長。因此，N

時域信道估計的ZP-OTFS (N = 8,M = 9)系統中的導頻和數據放置示意圖

多用戶通信中的另一個挑戰是上行信道估計，因為在給定帶寬和時間持續內可以傳輸的導頻數量受到幀大小、信道的延遲和多普勒擴展的限制。可能需要更多的導頻來容納更多的用戶，并且必須開發一些避免導頻碰撞或解耦重疊導頻的機制。這一點，以及在非常高的移動性信道中高效的多用戶檢測，仍然是OTFS的一個開放問題。

OTFS BER性能示意圖

OTFS在靜態和高移動性多徑信道中都提供了出色的性能。性能增益是通過ISFFT在跨越整個時間和帶寬資源的二維正交基函數上傳播信息符號的結果，從而利用了時頻分集。我們可以把OTFS中的ISFFT看作是時頻域的二維預編碼。

從硬件實現角度看，2D的FFT/IFFT變換需要更多的資源。目前一些研究單位正在利用FPGA實現OTFS系統，研究樣機用于驗證實用性。

總之，對于OTFS調制，是一個可以研究的方向，但從目前商業化角度看，該技術是不成熟的，并且在復雜信道環境下的實際效果尚不清楚。

由于筆者不是通信波形方面的專家，感興趣的讀者可進一步深入研究。

審核編輯：湯梓紅