🚀 6G AFDM Python 高移动性波形链路级仿真平台
面向 6G 超高速移动场景 (500km/h+) 的全分集新波形完整实现




📌 为什么选择本仿真平台?
| |
|---|
| ✅ 数学与代码的直观映射,核心 DAFT/IDAFT 算法基于 PyTorch/NumPy 透明实现,告别黑盒。 |
| ✅ 完全开源免费,基于 Python 生态,无需昂贵的 MATLAB License 和工具箱。 |
| ✅ 原生 TDL-D 实现,内置符合 3GPP 标准的高移动性信道生成器,不依赖 5G Toolbox。 |
| ✅ 稀疏矩阵优化,提供 O(N·B²) 复杂度的带状 LMMSE 均衡器,大幅提升大规模 MIMO/高阶 FFT 仿真效率。 |
| ✅ PyTorch 原生支持,核心算子支持 GPU 加速,数据结构直接兼容深度学习框架,易于扩展 AI 信道估计。 |
| ✅ ISAC 高级可视化,内置通感一体化演示,生成影院级 3D Range-Doppler 雷达图。 |
🎯 核心价值
🔬 学术研究价值- 复现经典:完美验证 Bemani 2021 经典论文中的 AFDM 性能。
- 全分集验证:通过仿真直观展示在高多普勒场景下类似 MIMO 的分集增益。
- 参数探索:灵活调整 Chirp 参数 (),研究其对多普勒鲁棒性的影响。
- AI+6G 研究:作为 AI 空口 (AI-Air Interface) 研究的理想基线的波形生成器。
| 💼 工程应用价值- FR3 频段预研:验证 7-24 GHz 频段下 AFDM 相比 OFDM 的鲁棒性优势。
- 低复杂度算法:提供的带状 LMMSE 算法是实际硬件实现的理想参考。
- ISAC 原型验证:验证基于 AFDM 的雷达感知能力,生成高分辨率 RD 谱。
- Python 迁移参考:作为 MATLAB 到 Python 通信链路移植的最佳实践范例。
|
⚡ 技术亮点
🌊 AFDM 技术栈 (Python 实现)
┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐│ AFDM Python 发射机信号流 │├───────────────────────────────────────────────────────────────┤│ ││ 比特流 ──► [Symbol Mapper] ──► [IDAFT] ──► [Add CPP] ──► Tx ││ │ │ │ │ ││ QAM (Torch/NP) PyTorch FFT Chirped Time ││ Modulation Based Op Prefix Domain ││ ││ DAFT 变换核: ││ exp(j2π(c1·n² + k·n/N + c2·k²)) │└───────────────────────────────────────────────────────────────┘
📊 性能指标 (实测数据)
在 TDL-D 信道 (30ns 延迟扩展,30kHz 多普勒) 下的仿真结果对比:
| | | | |
|---|
| 低速 | | | | |
| 高速 | | 5.0e-4 | | 16倍+ |
| 超高速 | | 8.0e-4 | | 不可替代 |
💡 全分集优势:随着信噪比提升,AFDM 的误码率曲线斜率显著大于 OFDM,无误码平层现象。
🖥️ 运行环境
环境要求
- 核心库:
numpy, scipy, matplotlib, torch
快速安装
pip install numpy scipy matplotlib torch
🧠 算法原理
AFDM 核心思想
问题:高移动性导致时变信道,破坏 OFDM 子载波正交性 (ICI),导致性能崩溃。
解决方案:
- Chirp 调制 (DAFT):使用 Chirp 信号作为基函数,将时变信道的影响在变换域中"聚焦"。
- Delay-Doppler 稀疏性:在 DAFT 域,时变信道表现为带状稀疏 (Banded) 矩阵,而非 OFDM 的密集矩阵。
- 极低复杂度均衡:利用带状结构,通过 的稀疏算法实现近乎最优的 LMMSE 均衡。
关键公式
DAFT 正变换:
最优参数配置 (Bemani 条件):
📁 项目结构
项目采用现代 Python 包结构设计:
afdm_py/├── 📂 core/ # 核心算法 (PyTorch/NumPy 双引擎)│ ├── daft.py # 离散仿射傅里叶变换 (DAFT)│ └── chirp_matrix.py # Chirp 矩阵生成│├── 📂 tx/ # 发射机模块│ ├── afdm_tx.py # AFDM 发射链路│ └── symbol_mapper.py # QAM 符号映射│├── 📂 rx/ # 接收机模块│ ├── afdm_rx.py # AFDM 接收链路│ ├── lmmse_equalizer_banded.py # 🚀 高效带状 LMMSE (核心优化)│ └── symbol_demapper.py # 解调与 LLR 计算│├── 📂 channel/ # 信道建模 (脱离 MATLAB 依赖)│ ├── tdl_d_channel.py # 3GPP TDL-D 高移动性信道原生实现│ └── calc_effective_channel_matrix.py # DD 域等效信道计算│├── 📂 sim/ # 仿真脚本 ("一键运行")│ ├── sim_comparison.py # 📊 AFDM vs OFDM 对比仿真│ ├── sim_doppler_sweep.py # 多普勒鲁棒性压测│ └── demo_isac_advanced.py # 📡 ISAC 通感一体化演示│├── 📂 isac/ # 通感一体化│ └── delay_doppler_map.m # RD Map 生成与目标检测│├── 📂 config/ # 配置项│ └── sim_params.py # 统一参数配置类│└── 📂 docs/ # 文档 ├── afdm_algorithm.md # 📘 算法原理详述 └── code_reference.md # 📒 API 接口参考
🎬 仿真演示
1. 一键运行波形对比
python sim/sim_comparison.py
输出预览: 程序将在 results/ 目录下生成 sim_comparison.png,展示 AFDM 在高 SNR 下如何轻易击败 OFDM。
2. ISAC 通感一体化演示
python sim/demo_isac_advanced.py
输出预览: 生成好莱坞级的 3D 延迟-多普勒能量分布图,并标注出主要目标的距离和速度。
🛒 获取