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通信理论与信号处理领域前沿报告（2019年）

核心内容概述

本报告由中国通信学会通信理论与信号处理专业委员会组织撰写，旨在分析全球通信技术发展态势及我国发展现状，预测通信技术与产业发展趋势，并提出技术和产业政策建议。报告内容涵盖多个前沿技术领域，包括超可靠低延迟通信（URLLC）、智能通信与网络、跨模态通信、新型反向散射通信以及量子通信与计算。报告还涉及通信信号处理技术的研究动态与发展方向，如面向B5G的多天线信号处理、点云压缩技术、滑动离散傅里叶变换（SDFT）以及“模拟-数字信号”一体化压缩等。

主要观点与关键信息

1. 超可靠低延迟通信（URLLC）

• 定义与目标：URLLC是5G/B5G网络中的重要通信场景，要求空口时延达到1ms，端到端时延小于10ms，可靠性达到甚至高于 $99.999%$。
• 挑战：需解决多维性能指标（如时延、可靠性）之间的非线性关系，以及控制信息和通信数据的协同优化。
• 关键技术：
  • 动态通信系统分析方法（如随机网络演算、及时吞吐量）。
  • 超可靠低时延传输协议设计。
  • 多天线系统中的信道信息获取技术（如导频设计、信道估计）。
  • 多天线系统中的上下行传输技术（如预编码、空分多址传输）。
  • 无线资源管理技术。

2. 智能通信与网络

• 发展背景：人工智能（AI）和机器学习（ML）在通信系统设计、网络运维和用户体验提升等方面取得突破。
• 研究方向：
  • 人机物协同的感知与执行一体化框架，实现智能决策与行动。
  • 网络状态的智能分析与自主管控，提升网络管理效率。
  • 网络运维与管理的智能决策与优化，实现网络自我校正与适应性调整。
  • 以用户为中心的自适应任务重构，提升用户体验。
  • 基于AI/ML技术的边缘智能，提升数据处理效率和响应速度。
  • 智能体交互技术，实现类人交互和复杂任务求解。

3. 跨模态通信

• 目标：实现多模态信息（如听觉、视觉、触觉等）的统一传输与还原，提升沉浸式体验。
• 挑战：不同模态信息感知机理不同，缺乏统一表征模型，传输保障难度高。
• 关键技术：
  • 多模态数据的普适化感知及其表征模型。
  • 多模态数据的混合编码设计，提高传输效率。
  • 多模态异构码流按需调度技术与传输协议设计。
  • 面向沉浸式体验的跨模态信号恢复与重建。

4. 新型反向散射通信

• 定义与优势：反向散射通信能够实现低功耗甚至零功耗通信，被视为未来物联网的关键技术。
• 挑战：无线能量采集、信号检测、多址接入、安全技术等方面存在瓶颈。
• 关键技术：
  • 不同新型反向散射通信中的信号检测方法。
  • 联合无线能量采集技术的反向散射网络。
  • 多址接入技术（如非正交多址接入）。
  • 安全技术（如防止信息窃听与干扰）。

5. 量子通信与计算

• 定义与应用：量子通信与计算是跨学科研究热点，涉及量子密钥分配、量子计算算法、量子网络等。
• 研究方向：
  • 密钥分发、隐形传态、惯性技术等量子通信相关技术。
  • 量子机器学习算法（如量子决策树、量子聚类分析）。
  • 量子网络和体系结构搭建，如基于腔 QED 系统和冷原子系综的量子网络。

通信信号处理技术研究动态与方向

1. 面向B5G多天线信号处理技术

• 发展趋势：B5G将推动多天线技术向无蜂窝Massive MIMO、波束空间MIMO和大型智能表面（ILS）方向发展。
• 关键技术：
  • 导频设计与信道估计。
  • 预编码与空分多址传输。
  • 多天线系统中的无线资源管理。
  • 透镜天线阵列与波束空间MIMO处理。

2. 面向视频的点云压缩技术

• 背景：点云数据在3D激光扫描、文化遗产建模等领域广泛应用，但其数据量增长迅速，带来存储与传输瓶颈。
• 关键技术：
  • 面向三维可视化的点云数据组织方法。
  • 海量点云数据压缩方法（如基于三维网络压缩、三角剖分、四叉树等）。
  • 大规模点云数据实时预测与调度方法（如可见性剔除、模型简化、分块调度）。

3. 带核窗口的滑动离散傅里叶变换（SDFT）

• 挑战：传统窗函数会破坏SDFT的滑动特性，如何在保持滑动特性的同时优化计算效率是研究重点。
• 关键技术：
  • 窗函数选取（如汉宁窗、平顶窗）。
  • 计算复杂度的上下限分析。
  • 技术应用（如音频信号处理、视频信号压缩）。

4. “模拟-数字信号”一体化压缩

• 背景：传统方法通过采样与量化将模拟信号转换为数字信号，但存在效率与精度的权衡。
• 关键技术：
  • 失真率、码率与采样率之间的关系。
  • 联合采样和量化估计的信号恢复。
  • 冗余信号的感知与删除（如基于JND模型）。

结语

本报告内容广泛，涉及通信理论与信号处理的多个前沿方向，为高校、研究机构以及相关产业提供了重要的技术参考和政策建议，推动了通信技术的创新与应用发展。