低分辨率ADC与LDPC编码协同优化对5G系统能效与误码性能的影响研究

本研究针对5G系统高数据速率与低功耗的矛盾，探索了低密度奇偶校验码(LDPC)与低分辨率模数转换器(ADC)的协同优化策略。通过仿真1-8位ADC在LDPC编码系统中的性能表现，发现3位量化在误码率(BER)、块错误率(BLER)和误差向量幅度(EVM)指标上实现了功耗与精度的最佳平衡，为5G基站节能设计提供了重要参考。

　　

随着第五代移动通信技术(5G)的快速发展，高数据速率和低功耗之间的矛盾日益凸显。在5G系统中，低密度奇偶校验码(LDPC)因其低复杂度和强大的纠错能力成为关键技术，但高数据速率要求模数转换器(ADC)具有更高分辨率，这又导致功耗大幅增加。如何在保证系统性能的同时降低功耗，成为5G系统设计的关键挑战。

为解决这一难题，来自伊朗乌尔米亚大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。该研究首次系统评估了1-8位ADC在标准化5G LDPC框架下的性能表现，通过建立包含LDPC编码、16-QAM调制和加性高斯白噪声(AWGN)信道的完整系统模型，采用蒙特卡洛仿真方法，量化分析了不同ADC分辨率对系统性能的影响。

关键技术方法包括：(1)构建基于3GPP标准的LDPC编码系统，采用基础图1(BG1)和基础图2(BG2)两种编码方案；(2)设计包含16-QAM调制和AWGN信道的完整传输链路；(3)实现1-8位ADC量化模块；(4)通过比特误码率(BER)、块错误率(BLER)和误差向量幅度(EVM)三个关键指标评估系统性能。

研究结果显示，在数据块长度为1000比特、码率为0.5的条件下，3位ADC展现出最佳性价比。具体而言：在比特误码率方面，3位ADC的性能与4位ADC相当，当信噪比(SNR)超过10dB时，两者差异不足0.1%；在块错误率指标上，3位ADC在SNR为5-14dB区间内与高分辨率ADC表现相当；特别值得注意的是，在误差向量幅度测试中，3位ADC在所有SNR条件下均满足5G标准要求的12.5%阈值，而2位ADC仅能在低SNR时达标。

进一步分析表明，当数据块长度增至3840比特（BG1与BG2的临界点）时，BG1编码方案展现出更优的性能。研究人员还发现，提高码率至0.65可进一步提升系统整体性能，此时3位ADC的优越性更为显著。在最高8位ADC的对比实验中，3位ADC仅在高SNR(>20dB)时表现出轻微劣势，但功耗可降低达80%。

这项研究的重要意义在于首次通过系统实验验证了低分辨率ADC在5G系统中的实用价值。研究提出的3位ADC优化方案，在不影响LDPC编码性能的前提下，显著降低了系统功耗。这一发现为5G基站设计提供了重要参考，特别是在大规模多输入多输出(MIMO)系统中，采用低分辨率ADC可大幅减少硬件复杂度和能耗。研究还建立了量化位宽与系统性能的定量关系模型，为未来6G系统的能效优化奠定了理论基础。

论文最后指出，未来研究可进一步探索不同信道衰落模型对量化性能的影响，并建议在物联网(IoT)和车联网等低功耗场景中优先采用3位ADC方案。这些发现对推动绿色通信技术发展，实现"双碳"目标具有重要实践价值。