[论文解读] Affine Frequency Division Multiplexing for Next Generation Wireless Communications

Ali Bemani, Nassar Ksairi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于啁啾的多载波波形——仿射频分复用（AFDM），采用离散仿射傅里叶变换（DAFT）以应对高速移动、双普拉斯特性无线信道中的性能退化问题。通过自适应调整DAFT参数，实现信道的完整时延-多普勒表示，AFDM实现了全分集增益，在高速移动场景下优于OFDM，仿真结果证实其在频谱效率和多普勒扩展鲁棒性方面具有显著增益。

ABSTRACT

Affine Frequency Division Multiplexing (AFDM), a new chirp-based multicarrier waveform for high mobility communications, is introduced here. AFDM is based on discrete affine Fourier transform (DAFT), a generalization of discrete Fourier transform, which is characterized by two parameters that can be adapted to better cope with doubly dispersive channels. First, we derive the explicit input-output relation in the DAFT domain showing the effect of AFDM parameters in the input-output relation. Second, we show how the DAFT parameters underlying AFDM have to be set so that the resulting DAFT domain impulse response conveys a full delay-Doppler representation of the channel. Then, we show analytically that AFDM can achieve full diversity in doubly dispersive channels, where full diversity refers to the number of multipath components separable in either the delay or the Doppler domain, due to its full delay-Doppler representation. Furthermore, we present a low complexity detection method taking advantage of zero-padding. We also propose an embedded pilot-aided channel estimation scheme for AFDM, in which both channel estimation and data detection are performed within the same AFDM frame. Finally, simulations corroborate the validity of our analytical results and show the significant performance gains of AFDM over state-of-the-art multicarrier schemes in high mobility scenarios.

研究动机与目标

• 为解决OFDM在双普拉斯特性（时变、频率选择性）信道中因子载波间干扰（ICI）和正交性丧失而导致的性能崩溃问题。
• 开发一种新型多载波波形，以在车联网（V2X）和高速铁路等高速移动场景中保持正交性和频谱效率。
• 通过自适应调整DAFT参数，实现信道的完整时延-多普勒表示，从而在双普拉斯特性信道中实现全分集增益。
• 设计一种基于零填充的低复杂度检测方法，并在单个AFDM帧内集成导频辅助信道估计方案。

提出的方法

• 提出AFDM作为基于离散仿射傅里叶变换（DAFT）的多载波波形，其通过两个可调参数对傅里叶变换进行推广，以实现对信道的最优匹配。
• 推导了DAFT域中的显式输入-输出关系，以分析DAFT参数对系统性能和信道表示的影响。
• 表明通过合理设置DAFT参数，所得脉冲响应可提供双普拉斯特性信道的完整时延-多普勒表示。
• 提出一种基于零填充的低复杂度检测方法，以降低计算负载，同时保持正交性。
• 设计了一种嵌入式导频辅助信道估计方案，实现在单个AFDM帧内联合信道估计与数据检测。
• 采用多项式相位模型和啁啾波形作为正交基函数，以建模时变信道，避免全特征函数分解的复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过自适应调整DAFT参数，AFDM能否在双普拉斯特性信道中实现全分集增益，从而实现信道的完整时延-多普勒表示？
• RQ2 与OFDM相比，基于DAFT的波形在高速移动场景中如何保持正交性并降低子载波间干扰（ICI）？
• RQ3 如何配置DAFT参数，以确保DAFT域脉冲响应能完整捕获信道的时延-多普勒特性？
• RQ4 如何在不牺牲性能的前提下，通过零填充技术实现AFDM中的低复杂度检测？
• RQ5 单个AFDM帧能否通过嵌入式导频方案同时支持可靠的信道估计与数据检测？

主要发现

• 通过合理调整DAFT参数，AFDM在双普拉斯特性信道中实现了全分集增益，其关键在于实现了信道的完整时延-多普勒表示。
• 理论分析证实，AFDM在时变信道中保持了正交性并最小化了ICI，性能优于传统OFDM。
• 所提出的基于零填充的检测方法显著降低了计算复杂度，同时保持了系统性能。
• 嵌入式导频辅助信道估计方案实现了单个AFDM帧内的联合估计与检测，提升了频谱效率。
• 仿真结果表明，AFDM在高速移动环境中相较于最先进的多载波方案实现了显著性能增益，尤其在误比特率（BER）和频谱效率方面。
• 所提出的迭代检测算法的收敛性已通过理论证明，确保了稳定可靠的信号恢复。