AFDM 与信号处理:论文阅读
一、前言
论文信息
- 题目: Affine Frequency Division Multiplexing: Extending OFDM for Scenario-Flexibility and Resilience
- 来源: IEEE Wireless Communications (Early Access)
- 链接: https://ieeexplore.ieee.org/document/11204797
作为下一代无线网络中备受关注的多载波方案,AFDM(仿射频分复用)在应对高移动性场景下的信道挑战方面展现出独特优势。本文旨在梳理其核心思想,对比其与 OFDM、OTFS 的关系,并分析其技术细节与应用前景。
二、摘要
下一代无线网络需支持车对车(V2V)、无人机(UAV)及卫星网络等多种动态场景。传统 OFDM 在严重多普勒扩展下会产生破坏性的子载波间干扰(ICI)。AFDM 作为一种基于啁啾的波形,具备两个可调参数,能在双重扩散信道(DDC)中实现最优分集阶。文章阐述了其基本原理、潜在应用、面临的挑战及解决方案,并提出了未来研究方向。
三、引言
1. 应用场景与挑战
NG 无线网络需满足超可靠、广覆盖需求,如 V2V、UAV 和卫星网络。在高移动性场景下,严重的多普勒扩展会破坏 OFDM 子载波的正交性。随着频段升高,多普勒效应更显著,补偿 ICI 不再是永久方案。因此,需要一种能适应双重扩散信道(DDC)的新型空中接口。
2. 新型波形演进
近年来出现了多种新波形。正交时频空间(OTFS)通过在 DD 域内使用离散 Zak 变换捕获准静态特性;正交啁啾分复用(OCDM)基于离散 Fresnel 变换。AFDM 则是一种基于啁啾的多载波波形,利用离散仿射傅里叶变换(DAFT)调制符号。相比 OTFS,AFDM 具有更低的信道估计和多用户复用开销。
3. 通俗理解
可以将 AFDM 想象成一个'可变形的超级 OFDM'。传统 OFDM 像固定在方格纸上写字,高速移动导致字迹模糊(干扰)。AFDM 使用频率滑动的线性调频信号(Chirp),并带有两个可调节参数。通过调节旋钮,将杂乱干扰在数学域里梳理成整齐排列的路径。这不仅让信号稳定(获得最优分集增益),还比 OTFS 更省资源,特别适合解决双色散信道下的通信难题。
四、双重扩散信道中的挑战
无线信道中通常同时存在延迟扩散(多径)和多普勒扩散(移动性)。
- 单载波调制 (SCM): 仅在延迟扩散时引入符号间干扰(ISI),可通过保护间隔和均衡补偿;仅有多普勒扩散时产生快衰落,但无 ISI。
- OFDM: 在延迟扩散下表现良好(元素乘法输入输出关系);但在多普勒扩散下,子载波分布导致严重 ICI。
- 双重扩散信道 (DDC): FDIR(频域脉冲响应)随频率变化,导致导频估计失效,传统 OFDM 无法有效管理此类干扰。
五、AFDM 的基本原理
1. 从 OFDM 到 AFDM
AFDM 采用精心设计的啁啾信号作为子载波。通过逆离散仿射傅里叶变换(IDAFT),将 N 个信息符号复用到 N 个正交的啁啾子载波上。
关键参数 c1 和 c2 决定了信号的时频分布:
c1: 与时间 n²相关,决定所有啁啾子载波共享的数字啁啾速率。c2: 与子载波索引 m²相关,影响每个子载波的初相位。
AFDM 的啁啾子载波即使受到延迟或多普勒偏移,仍能保持其啁啾特性。这种时频跨域特性使其能同时感知 DDC 的延迟和多普勒偏移。
2. 收发流程
- 发射: 数据符号映射到 DAFT 域,附加导频符号。
- 变换: 执行 IDAFT 操作得到离散时域信号。
- 前缀: 附加啁啾周期前缀(CPP),作用类似 OFDM 的循环前缀(CP),时长需大于等于 DDC 的最大延迟偏移。


