5G频谱高效频分复用技术解析

# 5G频谱高效频分复用技术解析 ## 1. 检测方案性能对比 在频谱高效频分复用（SEFDM）系统中，不同的检测方案有着不同的性能表现。从相关的性能图中可以看出，混合TSVD - FSD检测器在与其他混合和非混合（采用硬映射）检测器的对比中表现出色。然而，软迭代检测器与FSD结合的ID - FSD在不同带宽压缩因子下，性能优于TSVD - FSD。特别是当带宽压缩因子α = 0.8时，ID - FSD能提供接近最优的性能。 ## 2. 编码SEFDM系统 迭代技术如迭代消除和软判决迭代检测在SEFDM系统中能提供较好的误码率（BER）性能。但随着系统规模增大，干扰功率升高，这些方法可能无法成功恢复SEFDM信号。为解决这一问题，在SEFDM接收器中引入了Turbo均衡技术，用于减轻自干扰。 ### 2.1 Turbo - SEFDM系统架构 - **发射端**： 1. 比特流a使用卷积码或Turbo码进行编码，得到编码比特流b。 2. 编码比特流b在交织器模块中进行置换，得到交织比特流c。 3. 交织比特流c映射为复符号d，最后通过SEFDM调制器进行调制，得到调制信号r。 - **接收端**： 1. 信号通过基于SEFDM FFT的解调器进行解调。 2. 对数似然比（LLR）单元为每个比特生成软信息（后验信息Lpos1），其符号反映比特符号，幅度决定比特符号的可靠性。 3. 通过减去先验信息Lpri2，将软信息转换为外部信息Le1。 4. 外部信息在检测器和外部解码器之间迭代交换，每次迭代时，从原始解调符号中减去更新后的软符号表示的干扰，使接收器最大化给定位的后验概率（APP）。 ### 2.2 Turbo - SEFDM系统性能 在频率选择性衰落信道中，Turbo - SEFDM系统表现出良好的性能。在假设接收器已知完美信道状态信息（CSI）的情况下，通过仅4 - 7次迭代，带宽可压缩达45%，误差代价最高为2 dB。在带宽节省40%的情况下，仅需4次迭代即可达到最佳性能。 ## 3. SEFDM实现方面 ### 3.1 性能与复杂度权衡 SEFDM通过在默认正交频分复用（OFDM）带宽内使用更多子载波，提高了复用增益，但这需要接收器进行复杂的信号处理来分离受自干扰的子载波。子载波数量的线性增加会导致解调和解码阶段的复杂度超线性增加。 #### 3.1.1 解调、线性和迭代检测 - **解调复杂度**：采用GS或LRowdin正交归一化的解调器复杂度与传统模拟多载波系统相同，为O(N²)。匹配滤波技术通过用DFT操作替代这些过程，使用快速傅里叶变换（FFT）算法将复杂度降低到O(Nlog₂N)。 - **线性检测复杂度**：线性检测方法涉及矩阵求逆或分解，复杂度通常为立方级O(N³)。求逆矩阵与统计向量R相乘，总乘法次数为N²。 - **迭代检测复杂度**：迭代检测技术在三角矩阵上操作，总乘法次数为N(N + 1)/2 - N²/2，小于ZF或TSVD技术所需的乘法次数。迭代检测只需对矩阵的对角元素求逆。 线性检测和迭代检测各有优缺点，具体如下表所示： |检测类型|优点|缺点| | ---- | ---- | ---- | |线性检测|子载波相关矩阵C的逆元素只需离线生成一次并存储，符号估计计算为简单的复矩阵乘法，可通过FPGA高效实现|子载波相关矩阵C维度大且为复值，矩阵求逆或分解的计算复杂度在无线系统中通常过高| |迭代检测|无需矩阵求逆，结果受舍入误差影响小|性能很大程度取决于第一个解码符号的正确性，初始阶段的错误可能导致严重的BER下降，需要级联架构，不利于并行处理| #### 3.1.2 球形解码 传统球形解码（SD）与最大似然（ML）相比，复杂度显著降低，但对SEFDM系统的噪声和干扰特性敏感，其复杂度可变，不适合硬件实现，且顺序执行的性质与FPGA的并行处理能力不匹配。因此，引入了固定球形解码（FSD），