摘要：6G提出了泛在连接的新场景，地面通信与卫星通信的融合成为未来移动通信的重要发展趋势，天地一体化波形设计是关键的研究方向。针对天地一体化场景的特点和需求，介绍了基于滤波器和基于变换域的两类新型多载波技术，并分析了各自的优势。在非地面网络抽头延迟线信道模型下，基于
《移动通信》2025年第2期目录
面向6G的天地一体化新型多载波技术综述
聂欣，郝亚星，肖子恒，王方刚
（北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）
【摘 要】6G提出了泛在连接的新场景，地面通信与卫星通信的融合成为未来移动通信的重要发展趋势，天地一体化波形设计是关键的研究方向。针对天地一体化场景的特点和需求，介绍了基于滤波器和基于变换域的两类新型多载波技术，并分析了各自的优势。在非地面网络抽头延迟线信道模型下，基于蒙特卡洛方法进行了仿真，结果表明基于滤波器的调制波形具有更小的带外泄露，而基于变换域的调制波形能实现更低的误比特率。
【关键词】6G；天地一体化；波形；多载波；非地面网络
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20241207-0002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2025)02-0077-09
引用格式：聂欣,郝亚星,肖子恒,等. 面向6G的天地一体化新型多载波技术综述[J]. 移动通信, 2025,49(2): 77-84+94.
NIE Xin, HAO Yaxing, XIAO Ziheng, et al. Review of Novel Multicarrier Technologies for 6G-oriented Space-terrestrial Integrated Network[J]. Mobile Communications, 2025,49(2): 77-84+94.0 引言
随着移动通信由5G向6G演进，通信网络正迈入“全覆盖、全联接、全智能”的新阶段[1]。2023年6月，国际电信联盟发布了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》，作为6G纲领性文件，该建议书明确了6G目标与趋势，提出了典型场景及能力指标体系[2]。相较于IMT-2020（5G），IMT-2030（6G）新增了泛在连接、人工智能与通信融合、通感一体三大场景，其中泛在连接场景要求网络实现全域立体连接覆盖，以缩小数字鸿沟。然而现有地面网络仅覆盖了地球表面陆地约20%的地区，覆盖面积不足地球表面积的6%[3]。为实现未来移动通信的全域无缝覆盖，卫星通信网络将作为地面通信网络的补充和增强，两者共同构建天地一体化融合网络，以支持通信业务的泛在连接。天地一体化网络旨在实现终端一体化融合，为全球用户提供无缝连接的信息服务。空口设计作为构建天地一体化网络的重要环节，目标是为空、天、地、海等多场景连接提供高度灵活、可配置的技术途径，其中波形设计作为空口设计的基础，直接影响频谱效率、抗干扰能力等关键性能。天地一体化网络中场景的多样性和信道的复杂性对波形提出了更高的要求，多载波技术成为应对这些挑战的有效手段。因此深入研究天地一体化多载波调制技术将为通信网络的无缝覆盖和高可靠传输提供支持，推动天地一体化网络的全面建设和高效发展。
面向6G的天地一体化网络是一种新型的网络架构，通过将卫星通信网络作为地面通信网络的重要延伸和增强，深度融合天基和地基网络资源，构建一个覆盖全球的综合通信网络体系，实现网络之间的互联互通和无缝切换[4]。这一网络架构的愿景是实现全球范围内的全时全域连接，提供无缝、高效的通信服务。中国移动研究院发布的《面向6G的天地一体融合网络技术白皮书》明确了天地一体化的具体应用场景[5]。对于个人通信场景，用户终端基于手机直连卫星技术可实现全球无缝覆盖与按需接入；航空互联网通过融合地空通信技术与机载卫星通信技术，在地空通信覆盖区域提供低延时、高带宽服务，在跨洋航线等地空通信难以覆盖区域切换至卫星通信网络，降低成本并实现全球覆盖；在紧急救援中，依托于卫星的覆盖面广、容灾性强的特性，为突发事件提供快速可靠的通信支持。为实现对以上天地一体化通信场景的支持，需要从协议层面和技术层面同步考虑地面和卫星的差异性需求，实现系统内生融合。在波形融合方面，必须针对地面蜂窝通信和卫星通信的不同特点进行一体化设计，以适应差异化的信道环境，并确保设备的统一实现，从而降低建设成本[6]。地面蜂窝网络通常实现中短距离传输，移动速度较低，地面障碍物较多使得信号反射路径丰富，信道容易遭遇快速衰落；而卫星通信通常以视距传输为主，多径分量较少，长距离传输导致接收功率降低，且高速移动带来的高多普勒显著影响信号质量。为了实现高速移动飞行器和地面低速移动平台的共存，要求波形不仅能在高速移动场景中具备强大的抗高多普勒能力，还能在低速移动场景下有效应对干扰，确保通信的可靠性和稳定性。此外，考虑到空中平台和地面平台之间的协同工作，波形还需具备较低的峰均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），以提高功率放大器的能效，减少功耗，这对于电力受限的卫星或空中平台尤其重要。与此同时，在天地一体化通信中，频谱资源尤为紧张，波形设计必须实现高效的频谱利用，确保在有限的频谱空间内实现更高的数据传输速率和更大的系统容量，避免频谱资源的浪费。综上所述，天地一体化通信系统的波形设计必须充分考虑地面和卫星通信的差异性需求，兼顾不同传输环境下的信号质量、功率效率和频谱利用，以确保系统的高效协同和稳定运行。2 天地一体化多载波技术
正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术作为一种广泛采用的多载波调制方法，已在地面通信的传统应用中取得了显著成效。然而，由于存在峰均功率比高和频谱泄露严重等问题，OFDM技术难以有效支持天地一体化通信。针对天地一体化通信场景的特点和需求，当前研究主要聚焦于两类多载波技术：基于滤波器的调制波形和基于变换域的调制波形。两者各具独特优势和应用潜力，被认为是适配未来天地一体化通信场景的有力候选方案。
2.1 正交频分复用波形
OFDM技术虽然在地面蜂窝通信中得到了广泛应用，但在卫星通信领域却面临一些挑战。首先，OFDM信号较高的峰均功率比会导致功率放大器在非线性区域工作，造成失真；其次，OFDM的频谱泄露问题会降低频谱利用率，并可能对其他频段的用户造成干扰；再者，高移动场景带来的高多普勒频移会破坏OFDM子载波间的正交性，引起载波间干扰。这些因素共同作用会导致误码率增加，影响通信的可靠性。虽然现有的降低OFDM系统PAPR的方法在一定程度上改善了系统性能，但均存在显著局限性。例如，限幅滤波法会引入严重干扰[7]、部分序列传输法[8]和选择性映射法[9]额外占用一定的系统带宽、编码技术计算复杂度高[10,11]、子载波预留法会导致传输速率降低[12,13]等。这些问题使得OFDM难以满足高可靠、高带宽的卫星通信需求。因此，需探索新的波形技术，以满足天地一体化网络对高效频谱利用、低PAPR、抗干扰、抗高多普勒的性能要求。2.2 基于滤波器的调制波形
本节主要介绍两种基于滤波器的多载波技术，包括广义滤波器组正交频分复用（General Filter Bank-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，GFB-OFDM）和滤波正交频分复用（Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，F-OFDM）。
针对天地一体化场景，中兴通讯于2023年提出了GFB-OFDM波形[14]，将大点数IFFT分解成两级小点数IFFT，利用两级IFFT和多相滤波实现多子带的联合处理。文献[14]表明，GFB-OFDM波形可以针对天地一体化场景需求，根据目标场景和业务的不同，灵活配置子带个数、子带带宽、子载波间隔、滤波器长度等系统参数，在频谱效率高、资源分配灵活、传输容量大的基础上，进一步降低系统PAPR，满足天地一体化场景需求。相比于传统的正交频分复用，GFB-OFDM的带外泄露更小，有利于减小保护带宽；在加性高斯白噪声信道条件下，GFB-OFDM的误比特率虽然略高于OFDM，但二者差距非常小。文献[15]和文献[16]提出，GFB-OFDM可以通过调整子带数量实现不同信道带宽的数据传输；子带级处理模块中不同子带的数据类型可以不同，因此可以同时对单载波数据和多载波数据进行处理；此外GFB-OFDM还支持子带间灵活使用不同子载波间隔的场景。相同子载波间隔场景下，GFB-OFDM和循环前缀正交频分复用（Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，CP-OFDM）的误块率（Block Error Rate，BLER）相近，不同子载波间隔场景下，GFB-OFDM的BLER明显低于CP-OFDM。因此，GFB-OFDM能够显著降低系统的带外泄露，提高频谱利用率，并通过灵活配置系统参数适应不同的应用场景，其优越的性能使其有望在6G天地一体化通信场景中得到广泛应用，以应对复杂多样的通信需求。为满足未来无线通信系统的需求，华为公司的Javad Abdoli等人于2015年提出了F-OFDM波形[17]。F-OFDM通过子带滤波器对信号进行频谱整形，有效抑制频谱泄露，提高频谱利用率。其关键改进在于允许滤波器长度超过循环前缀，在增强频谱局域性的同时，将符号间干扰控制在可接受范围内。在此基础上，文献[18]提出基于F-OFDM的异步多址接入方案，用户端通过频谱整形滤波器消除旁瓣泄露，基站端通过滤波器组消除多用户干扰，同时保持较低的接收复杂度。该方案可在无需精确时间同步的情况下实现多用户通信，表明F-OFDM能有效提高频谱效率和抗干扰能力，降低对载波频偏和时间异步的敏感性。与通用滤波正交频分复用（Universal Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，UF-OFDM）相比，滤波正交频分多址接入（Filtered-Orthogonal Frequency Division Multiple Access，F-OFDMA）在异步场景下表现出更低的误块率。文献[19]比较了采用不同滤波器的F-OFDM系统性能，采用汉宁窗滤波器的方法易于实现，能够较好地抑制系统带外泄露；而约束带等波纹滤波器提供了更多的设计自由度，通过合理选择滤波器参数，可以实现比汉宁窗滤波器更低的误比特率（Bit Error Rate，BER）。文献[20]和文献[21]研究了多输入多输出系统模型下F-OFDM的性能，考虑了五种不同检测器和四种不同天线配置下的通信条件，F-OFDM的误比特率均低于传统的OFDM。因此，F-OFDM能够有效降低系统的带外泄露和误比特率，并显著提升系统的频谱效率和抗干扰能力，这些特性使其在天地一体化通信场景中具有广泛的应用前景。2.3 基于变换域的调制波形
本节主要介绍两种基于变换域的多载波调制技术，包括正交时频空（Orthogonal Time Frequency Space，OTFS）和仿射频分复用（Affine Frequency Division Multiplexing，AFDM）。
（1）OTFS
为满足高速移动终端的通信需求，Ronny Hadani等人于2017年提出了OTFS调制波形[22]。OTFS是在延时-多普勒域中设计的二维调制方法，旨在改善无线通信系统中的信号传输性能，特别是在面对高速移动性、短数据包传输和大规模天线阵列等场景时。文献[22]和文献[23]指出OTFS是码分多址和正交频分复用的泛化形式，继承了两者的优点，同时将时变多径衰落信道转换为延时-多普勒域中的二维准静态信道。相比OFDM，OTFS能够实现更低的BLER，在高多普勒信道条件下鲁棒性尤为显著。文献[24]从第一原理出发，利用ZAK变换推导了OTFS调制技术，从理论上证明了在多普勒频移影响下OTFS具有更高的鲁棒性。此外，文章对比了OTFS和OFDM在不同速度下的频谱效率，随着速度的增加，OFDM的谱效逐渐降低，而OTFS的谱效不变，证明了OTFS调制在高移动性场景中的有效性和鲁棒性。文献[25]推导了OTFS的PAPR理论上界，并验证了OTFS相比OFDM具有更好的PAPR。文献[26]在导频嵌入式OTFS调制中，允许保护符号由小幅度信号填充，提出了一种基于迭代削波和滤波框架的方法降低PAPR。文献[27]提出了一种在延时-多普勒网格嵌入导频符号和零保护符号的OTFS信道估计方法，仿真证明非理想信道估计下OTFS系统的BER仍然低于具有理想信道估计的OFDM系统，展示了OTFS在实际应用中的优势。文献[28]探讨了OTFS在6G无线网络中的潜在应用，例如车辆网络、毫米波通信、非地面网络和水声通信，未来OTFS的研究方向包括可扩展的多址接入方案、多输入多输出OTFS和通信感知一体化等。文献[29]探讨了低轨卫星通信在面临严重多普勒效应时的挑战，并分析了OTFS在低轨卫星通信中的应用优势，包括对多普勒频移的不敏感、信道估计开销低、频谱利用率高和PAPR低的特性。综上所述，OTFS是一种具有高鲁棒性和高可靠性的调制技术，适用于6G天地一体化通信，尤其是高速移动通信场景。（2）AFDM
针对高移动性通信场景中双选信道的挑战，Ali Bemani等人于2021年提出了AFDM调制波形[30]。AFDM的核心思想是将信息符号调制在啁啾信号上，根据信道特征调整离散仿射傅里叶变换（Discrete Affine Fourier Transform，DAFT）参数，使得DAFT域的脉冲响应能够完整表示信道的延时-多普勒特性，从而达到接近最优的传输性能。文献[30]证明了AFDM在线性时变信道下能够实现全分集，在BER性能方面优于OFDM和其他基于DAFT的多载波方案，同时在导频和用户多路复用开销方面优于OTFS。文献[31]推导了静态多径信道条件下AFDM系统BER的理论下界，并分析了DAFT参数与性能退化之间的关系，提出了DAFT参数的最优选择策略，可以实现与OTFS系统相当的BER性能。文献[32]在三种不同类型的延时-多普勒稀疏信道模型下，比较不同波形实现目标误差性能所需的最小导频开销，证明了AFDM在信道估计中的优越性。文献[33]分析了AFDM和OTFS导频开销的性能差异，在整数多普勒和小数多普勒两种场景和三种检测器的通信条件下，AFDM的BER均低于OFDM。文献[34]提出了一种简化的AFDM系统，通过减少AFDM中的参数设置来提高与现有技术的兼容性，简化的AFDM与传统AFDM具有相似的BER性能，并且叠加在OFDM上的附加复杂度减半。综上，AFDM在高移动性场景下的BER性能和导频开销方面具有显著优势，经过相应的改进能够与现有的OFDM技术兼容，有望为实现6G天地一体化网络的高效通信提供强有力的技术支持。3 波形调制原理
4 仿真分析
4.1 功率谱密度
五种波形的功率谱密度如图6所示。从图中可以观察到，GFB-OFDM和F-OFDM调制波形的带外泄露显著小于OFDM、OTFS和AFDM波形。这表明，与未使用滤波器的调制波形相比，基于滤波器的调制波形表现出更小的带外泄露，而基于变换域的调制波形则未能有效抑制带外泄露。这是因为滤波器通过限制信号频谱的扩展，使功率谱更加集中，减小带外泄露，从而降低对相邻频带的干扰，减少保护带宽的需求，提高频谱利用率。此外，F-OFDM相较于GFB-OFDM采用的是更理想的时域截断sinc滤波器，因此表现出比GFB-OFDM更小的带外泄露。
4.2 峰均功率比
如图7所示，用互补累计分布函数来表示五种波形的PAPR分布特性，描述的是PAPR值超过某个阈值的概率。从图中观察到，OTFS波形的PAPR最低，F-OFDM波形的PAPR最高，OFDM、GFB-OFDM和AFDM波形的PAPR分布相近。这是因为OTFS采用二维信号处理方法，信号映射在延时-多普勒域，通过ISFFT和Heisenberg变换依次转换到时频域和时域，这种二维处理方法使得信号的能量在时间和频率两个维度上都被分散，有助于降低时域信号的峰值。抛去变换域的概念，单纯从数字信号处理的角度看，OTFS波形在发射端执行了MOTFS个NOTFS点IFFT，其PAPR最大值仅和多普勒维度NOTFS有关，且随其线性增加，而其他一维多载波调制波形在发射端执行了一个N点IFFT/IDAFT，其PAPR最大值和变换点数N有关，且随其线性增加[25]。因此当NOTFS4.3 误比特率
在NTN TDL-D信道条件下，波形的BER性能随信噪比的变化如图8所示，其中接收机均衡算法均采用最小均方误差，且假设信道参数理想已知。基于变换域的波形OTFS和AFDM误码率最低。OTFS将符号调制在延时-多普勒域，而延时-多普勒域信道是稀疏慢变且多径可分的，每个符号经历所有路径增益，分集阶数高，故OTFS相较于其他波形在双选信道下有更低的误码率。AFDM将符号放置在DAFT域，可以通过调整DAFT的参数确保DAFT域信道可分，故AFDM也可获得所有路径增益，所以同样具有较低的误码率。
5 挑战及对策
天地一体化场景下，上述多载波技术的应用还面临许多挑战。首先是基于滤波器的多载波调制方法GFB-OFDM和F-OFDM，两者虽然采用滤波器有效地抑制了带外泄露，但是在峰均功率比和误码率性能方面并不理想。在实际应用中，高PAPR会导致功率放大器的非线性失真，降低系统效率并加剧干扰。解决这一问题的可行方案是采用PAPR削减技术，如信号预处理、选择性映射、部分传输序列等，这些技术通过优化信号的生成过程，可以在一定程度上降低PAPR。针对高动态场景下误码率不理想的问题，可以对滤波器设计与子载波分配、功率控制等联合优化，进一步提升传输性能。对于基于调制域的波形，OTFS和AFDM在高速移动环境下可以显著降低系统误码率，但是两者面临严重的带外泄露问题，限制了频谱利用率，尤其是在频谱资源紧张的环境下，带外泄露会引发邻频干扰。针对这一问题可以引入频谱规划和带外滤波技术，通过优化系统的频谱分配策略、动态调整频谱适用范围，并结合高效的带外滤波器设计，减少带外泄露。此外，可以采用自适应调制方法，根据信道条件和干扰情况选择不同的调制方案和调制阶数，例如，在信道条件较差或干扰较强时，降低调制阶数，从而降低信号峰值，减少带外泄露。
6 结束语
本文针对天地一体化场景的特点和需求，介绍了两类天地一体化新型多载波技术，包括基于滤波器的GFB-OFDM和F-OFDM波形，以及基于变换域的OTFS和AFDM波形。仿真表明，相比于OFDM，基于滤波器的调制方式具有更小的带外泄露，有利于提高频谱利用率；双选信道条件下，基于变换域的调制方式能实现更低的BER，提高通信可靠性。然而，F-OFDM的PAPR较高，GFB-OFDM在高速场景下BER较大，OTFS和AFDM的带外泄露并未降低，因此无法直接应用于天地一体化通信网络中。未来研究可进一步探索波形优化与适应性调整的策略，以更好地满足6G天地一体化场景中复杂多样的通信需求。
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【25专题征稿】6G空口技术、语义通信、通感算一体化
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来源：移动通信编辑部