FuTURE白皮书 - 正交时频空方案（OTFS）白皮书0409.pdf

1.引言

在4G，5G，WiFi等无线通信系统中，正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivision

Multiplexing,OFDM）技术获得了广泛的应用。基于循环前缀的OFDM可以很好地应对

多径衰落，并且仅需低复杂度的频域均衡器。随着无线通信的发展，复杂散射环境下的

高速移动通信场景愈发丰富，例如车辆网、高速铁路、低轨卫星通信等，这些通信场景

现已或将在未来极大地改变人们的生活方式。然而，受多普勒扩展的影响高速移动下的

OFDM将丧失子载波正交性，其传输可靠性变差。为此，在下一代移动通信系统中面向

高速移动场景设计新型的多载波调制方案十分重要。

近年来，研究者们提出了正交时频空（OrthogonalTimeFrequencySpace，OTFS）

多载波调制技术。与OFDM技术不同的是，该技术在时延多普勒域（DelayDoppler，

DD）中开展资源映射，并基于DD域信道的稀疏性和稳定性可以在高速移动条件下实

现与OFDM相比更高的数据传输可靠性。

为了调研OTFS的基本原理、研究与应用现状、发展前景，为工业界和学术界同仁

提供技术参考，本白皮书将从以下六个方面对OTFS进行介绍：（1）OTFS基本原理；

（2）时延多普勒域信道特性；（3）OTFS的发射波形设计；（4）OTFS的接收方案设计

（5）OTFS赋能的多天线、多用户、通感一体化方案；（6）OTFS的演进方案。

1.1文档结构

第1章为引言，对本白皮书的范围及结构进行介绍，并介绍OTFS所面向的应用场

景，指出该类场景中由高速移动所带来的需求及挑战，从而引出OTFS技术研究的必要

性。

第2章对OTFS的基本设计原理进行叙述，包括介绍SFFT及DZT两种OTFS调制

实现方式及收发机方案简述。

第3章对时延多普勒域信道特征进行分析，针对高速铁路等高速移动场景分析时延

多普勒域信道的稀疏性、紧致性、稳定性及可分性。

第4章介绍OTFS的接收方案设计，包括低PAPR的信道估计导频设计，非整数格

点下的OTFS信道估计，基于期望传播的低复杂度OTFS数据检测方案。

第5章介绍OTFS赋能的多天线、多用户、通感一体化方案，包括MIMO-OTFS的

系统设计，面向超大规模机器类通信的卫星和高铁等高速移动场景的免授权多址接入方

案，基于OTFS的通信感知一体化系统设计的性能分析。

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第6章介绍OTFS的演进方案，包括前向兼容OFDM的OFDM与OTFS联合帧结

构设计，和新型的时延多普勒域多载波调制方案。

第7章为总结和展望。

1.2主要的应用场景

高速铁路场景：对于铁路而言，列车运行速度的不断提升是全球铁路发展的共同目

标。目前，京沪高铁实现了每小时470公里的试验速度，2024年将完成时速每小时450

公里动车组CR450的样车制造。同时，日本东海铁路公司在日本山梨县实现了603公

里每小时的磁悬浮试验速度，另外速度可以达到1000km/h以上的管道飞车目前也在研

制当中。在铁路高速化的基础上，世界各个高铁发达国家将目光放到了高速铁路的智能

化上。高速铁路的智能化需要先进的通信系统与制式为其提供保障，但高铁场景中的列

车高速移动将对车地、车车通信的可靠性造成巨大挑战。

低轨卫星场景：低轨（Low-EarthOrbit,LEO）卫星通信是一种利用低地球轨道上的

卫星来实现通信的技术。与传统的高轨卫星通信不同，低轨卫星通信的卫星通常位于距

地面数百公里至两千公里之间。相较于传统的同步轨道卫星，具有发射成本低、通信延

迟小、传输损耗小、组网后可无缝全球覆盖等优点，受到全球许多互联网、通信、航空

航天企业的关注。

空中覆盖场景：随着航空通信的进步，飞机正在从过去的信息网络的“孤岛”蜕变为

实现全球互联的关键载体。机载WiFi出现使得乘客在飞机上也能够接入互联网。然而，

5G时代的到来给空中通信带来了前所未有的挑战——大量实时互联网数据传输的需求。

这一挑战要求通信系统具备高度适应性，能够在高速移动环境中提高飞机与地面站或卫

星的通信质量，确保互联网数据低时延高可靠传输。

车联网：基于OTFS-ISAC机制，可以支撑以下车联网功能或应用：准确感知周边

驾驶环境，包括车辆、障碍、路况等，以提升驾驶安全、实现智能驾驶；准