每年都有新技术涌入我们的生活。直到最近，我们才使用GSM，现在第五代通信标准正在敲响警钟，提高了数据传输速度，减少了信号传输延迟，充分利用MIMO并在工作频率范围内扫描频谱。今天，我想告诉您的是，第五代通信标准的调制发生了什么变化，如何开始使用GFDM代替OFDM，它们之间有什么区别。
缩写列表OFDM
GFDM
PAPR Peek-to-Average Power Ratio
Pulse shaping filter —
Raised cosine filter — :
Root-raised cosine filter — :
OFDM简介
如何运作
首先，我将简要介绍一下4G中使用的OFDM或正交频分复用。在数据传输系统中，通道分离分为三种类型：时间，频率和代码。 OFDM代表频分复用。信道的分频意味着以下操作方案：发送器将数据流划分为N个并行流，每个流以某个固定频率（子载波）发送。已知子载波本身彼此正交，即正交。 1号子载波不会以任何方式影响2号子载波。然而，我们在每个子载波上发送符号，并且每个符号占据其自己的频带。让我们看一下符号和发射信号的频谱。
如您所见，符号的频谱移动到传输它的子载波频率。在这里，我们遇到一个基本问题。如果符号在时间上有限，则它将占据频谱的无限区域。这意味着1号和2号子载波中的数据现在将重叠并相互干扰。无限长的时间传输一个字符毫无意义，因为我们需要尽快获取信息，这意味着我们将无法避免子载波之间的相互影响。但是，我们可以使用不同的技术将其最小化。
OFDM使用这些技术之一。让我们仔细看一下上面的频谱。每个子载波上的频谱具有一定周期的零值；此外，周期取决于符号的持续时间。然后，通过设置固定的符号持续时间，我们可以选择子载波，从而对于2号子载波，来自1号子载波和3号子载波的信号的叠加最小。通道间的影响也将最小。OFDM中副载波数据的典型频谱如下所示。如您所见，每个子载波频谱的零值下降到子载波值最大的程度。
缺点
该解决方案确实很好而且很有趣，但是不幸的是总是有一些“ buts”。在这里，第一个“ but”是多径信号传播。更确切地说，消除其影响的代价。 OFDM可以使用循环前缀来减少符号间干扰，并且随着多径分量数量的增加，循环前缀的持续时间也会增加。循环前缀位于时域中的所有字符之间。这意味着，例如，在系统总运行时间的1秒钟内，您将传输信息0.5秒钟，而循环前缀将花费0.5秒钟。低效率地同意？我想最大程度地利用无线电资源。
第二个缺点是带外辐射。这是您的系统在允许的频率范围内爬出一点的时间。正如我之前所写，这是不可避免的。但是，带外发射的数量越少，两个不同系统的频率越近，无线电资源的使用效率就越高。随着无线电资源价值的增长，这变得至关重要。第三个缺点来自信号的抗干扰性。请记住，我们的信号在频谱上均匀分布，每个子载波以相等的概率获取随机相位值。在某种程度上，概率密度将类似于正态分布，例如高斯分布。不好意思，因为现在我们的信号无法与噪声区分开了。没那么简单。我们记得，高斯噪声的概率密度从负无穷大到正无穷大。在实际输出信号中，这会导致PAPR或最大信号幅度与平均值之比的增加。这增加了放大器输出级的成本，并将失真引入了实际输出信号。以下是一个块统计过大的OFDM信号示例。左图显示了每个频率的初始相位。这些阶段表明使用了QPSK调制。产生数据的可能性相同。从中心的图像可以说，子载波的功率彼此相等。右图显示了发射机输出处数据的概率密度趋于正常，动态范围为100dB。这是一个相当大的值，可能会影响设备的价格。
GFDM及其技术
GFDM在该标准的第五代中，正在尝试解决这些问题。此外，如果子载波已经被另一个系统占用，则GFDM允许有选择地使用子载波。GFDM还基于副载波的概念，几乎没有增加。为了提高使用无线电资源的效率，在频率（在OFDM中都是）和时间上都以块的形式发送数据。因此，保护间隔位于每个块的末尾，从而消除了块之间的干扰，但消除了块中字符之间的干扰。
这就是GFDM之间的主要区别。为了消除符号间干扰，在本机中使用了“脉冲整形”滤波器。现在，时域中的每个字符都表示为给定的函数。此功能会及时占用整个数据块，但会最大程度地减少通道间和符号间的干扰。主要使用三种类型的滤波器：“ sinc”，“升余弦”和“根升余弦”滤波器。 sinc过滤器使用sinx / x函数作为字符的基础。事实证明，如果将sinc函数设置为符号，则它在频域中的显示将尽可能接近矩形，这意味着它将通道间的干扰降到最低。此外，在时域中，符号在采样时不会互相影响。
但是，这不够有效，因此使用了根升余弦滤波器。这些滤波器类似于“脉冲整形”，但有意引入符号间干扰并调节其电平。 “根升余弦”滤波器具有一个称为alpha的变量，该变量控制符号间干扰的级别。下面提供了用于比较源符号（脉冲特性），“脉冲整形”和“根升余弦”及其与频域的映射的模式。
乍一看，“根升余弦”滤波器比“脉冲整形”要差，但在对数尺度上，“根升余弦”滤波器的衰减率更高。根升余弦滤波器更快地达到-60 dB的关键值。但是，没有什么是徒劳的。值得注意的是，“根升余弦”滤波器在截止频率附近具有大功率，这会影响系统运行期间的错误数量。下面是基于最小二乘法或伪逆矩阵的错误数量与接收机的alpha参数值的相关性。随着alpha的增加，错误的数量也会增加，这意味着通信质量会下降。为了减小这种影响，已经开发了抑制干扰的方法，例如，双边干扰消除，其将错误数量减少到接近OFDM的水平。
查看下面的频率响应，即带外发射电平。如您所见，GFDM将带外发射速度更快地降低到-60dB，这意味着可以更有效地使用无线电资源。此外，运营商可以在无线资源效率和错误数量之间进行选择。这个折衷方案将为每个运营商提供不同的解决方案。
今天，我认为您有足够的信息。下次，我将讨论在硕士论文中如何使用张量来描述GFDM调制，如何通过张量操作来描述调制矩阵，以及如何通过数据块中的已知符号来描述我的信道估计技术。此外，我可能会谈论一种当前正在使用的有趣的PAPR降低技术。参考资料M. Matthe, N. Michailow, and I.Gaspar, \Gfdm for 5g cellular networks," IEEE transactions on commenications vol 62, 2014.
M. Matthe, N. Michailow, and G. Fettweis, \Influense of pulse shaping on bit-error rate
performance and out of band radiation of gfdm," ICC 14 WS 5G, 2014.
G. Fettweis, M. Krondorf, and S. Bittner, \Gfdm — generalized frequency division multiplexing," Vehicular Technology Conference, 2009. VTC Spring 2009. IEEE 69th, 2009.
B. M. Alves, L. Mendes, D.A.Guimaraes, and I. Gaspar, \Performance gfdm over frequency selective channels," Revista Telecemunicationes vol 15, Dec 2013.