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背景

5G需要满足低延迟、高数据速率、连接密度和其他应用需求，这些应用需要增强的移动的宽带、超可靠和低延迟连接以及海量机器类型连接[1]。这种通信所需的信道容量受到噪声、衰减、失真和符号间干扰的限制，这可能使所传输的信息在接收机处不可恢复。为了补偿信道容量，OFDM等多载波信令技术取代了4G系统中的CDMA [2]。5G系统在频谱效率和数据速率方面具有更高的期望，因此正在研究新的多载波信令技术，例如GFDM，因为它具有更低的带外辐射和更好的频谱效率的优点，同时保留了OFDM的灵活性和简单性[3]。

图1所示的典型通信系统由发射机、信道和接收机组成，发射机包含有助于编码、调制和整形信号的组件，通过信道传输信号，接收机有助于解调、均衡和解码信号，以生成数据。

图1：通信系统的简化物理层

本课题利用MATLAB对OFDM和GFDM系统进行了建模和仿真。通过分析两种系统的信号频谱、星座图、眼图以及比较不同信噪比下的误比特率和误符号率，对两种系统进行了比较。结果表明，GFDM在频谱效率方面更好，虽然OFDM在BER方面表现更好，但观察到更好的均衡方法将改善GFDM BER。GFDM的主要缺点是增加了设计的复杂性。

方法

2.1 GFDM和OFDM发射机

OFDM和GFDM系统的发射机设计框图分别如图2.1a和2.1b所示。下表给出了每个模块的功能和实现

在串行化以用于传输之前的OFDM和GFDM块的信号格式在下面的图2.1c、d中示出，N是子载波的数量，K是块的数量，并且M是子符号CP的数量。表示循环前缀的长度。

2.2信道模型

对于这个项目，自适应白色高斯噪声（AWGN）被用来模拟通道。加性高斯白噪声（AWGN）模型描述了噪声信号在信道中对期望信号的随机影响.使用matlab randn（）函数生成噪声。该通道的效果是将白色噪声线性添加到信号中。

AWGN信道的信道容量由C = 1/2log（1 + P/N）给出，其中N是噪声密度，P是信号功率。

2.3 GFDM和OFDM接收机

所设计的OFDM和GFDM信号接收器分别如图2.3a和2.3b所示。下表讨论了每个模块的功能和实现。

仿真结果分析

通过如下所述的几种方法对OFDM系统和GFDM系统进行全面的分析和比较。

3.1生成的OFDM和GFDM信号的信号频谱比较

图3.1a所示为OFDM和GFDM信号的信号频谱。可以观察到，边带能量在GFDM中比在OFDM中大大降低，具有大约15dB的差异，其效果是带外（OOB）辐射的降低，因此多个载波可以正交复用，相邻载波之间的干扰最小。图3.1b示出了块的数量对没有CP的GFDM信号的频谱的影响，从该图中我们可以观察到，对于2个块，OOB辐射小于对于32个块。这对于GFDM是一个优点，其块的数量可以变化。对于OFDM，块的数量是最大的。

3.2循环前缀对OFDM和GFDM信号频谱效率的影响

考虑到OFDM和GFDM对循环前缀的要求，它们的频谱效率指示符小于1，这引入了额外的开销。图3.2显示了OFDM和GFDM信号的频谱效率指标。可以观察到，对于两者，SEI随着CP长度增加而减小，但是这种变化在OFDM中比在GFDM中更高，因此，GFDM具有比OFDM更好的频谱效率，与3.1一致。

3.3 OFDM与GFDM信号的误码率比较

图3.3显示了QAM 4调制格式的OFDM和GFDM信号的BER性能。可以观察到，OFDM在这种情况下表现得更好，因为其BER曲线接近理论BER的理想情况，而GFDM表现得最差，因为它显示出与理想情况的大偏差。这是由于产生信号的复杂过程，使得通过均衡恢复信息变得更加困难。

3.4 SNR为10dB时接收到的OFDM和GFDM信号的星座比较

图3.4中的星座图证实了与OFDM符号相比，在对GFDM符号进行硬判决时对解调器造成的困难。可以观察到，与OFDM相比，更多的GFDM符号出现在更靠近判决边界处，并且可能已经越过了判决边界。

3.5 OFDM和GFDM产生和恢复的复杂度比较

从所设计的系统的图2.1a、b和2.3a、b可以看出，与OFDM发射机和接收机相比，GFDM发射机和接收机分别具有脉冲成形滤波器和匹配滤波器的附加块。因此，GFDM系统比OFDM系统更复杂。OFDM调制的主要部分是IFFT块，其复杂度为O（NlogN）。GFDM解调涉及复杂度为O（N）的循环移位、复杂度为O（NlogN）的IFFT以及复杂度为O（N2）的与滤波器的卷积。

3.6用户界面结果

构建了如下所示的GUI，允许用户输入一些参数并模拟所述结果。

结论

本课题对OFDM和GFDM信号的产生和恢复进行了设计和仿真，并从信号频谱、频谱效率、误码率和星座图等方面对两种信号进行了比较。下表给出了比较结果;勾选了每次比较的最佳结果。通过改进均衡方法可以改善GFDM的误码率。否则，主要是在系统复杂性和性能之间进行权衡。GFDM在我们需要更高频谱效率的系统中将非常有用。

参考文献

1) H.S. e.t al “Machine-type Communication,” IEEE Communication Magazine, pp.10-17,2015

2) M.S. et.al, “Comparative analysis of OFDM and GFDM,” IJACTA, vol 4, no. 2, 2016.

3) G.F, M.K and S.B, “GFDM – Generalized Frequency Division Multiplexing,” IEEE, 2009.

MATLAB代码