首屆5G算法創(chuàng )新大賽：F-OFDM賽事評述

　　萬(wàn)物互聯(lián)的5G定位，如圖1所示的5G總體愿景，帶來(lái)了一系列需要解決的重大技術(shù)難題。比如，如何支持擁有大量連接數的物聯(lián)網(wǎng)應用，如何支持對時(shí)延和可靠性要求極高的車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如何支持內容越來(lái)越多樣速率越來(lái)越高的智能手機業(yè)務(wù)。為了全面實(shí)現5G預期的各項指標和功能，5G關(guān)鍵技術(shù)的研究正如火如荼的開(kāi)展著(zhù)。

　　圖表 1：5G總體愿景(IMT2020)

　　就在這時(shí)，由Altera、西安電子科技大學(xué)、友晶科技主辦，華為、英特爾、展訊通信贊助的第一屆5G算法創(chuàng )新大賽應運而生了。我有幸作為三大算法的評委之一參與了這次大賽，感觸頗深，與大家共勉。

　　首屆5G算法創(chuàng )新大賽以三大5G空口核心算法為題：

　　1) F-OFDM，Filtered-OFDM基于子帶濾波的正交頻分復用，也稱(chēng)可變子載波帶寬的自適應空口波形，是一種基礎波形技術(shù);

　　2) SCMA，Sparse Code Multiple Access稀疏碼多址接入，一種新型的多址和接入技術(shù);

　　3) Polar Code，極化碼，一種趨于香農極限的信道編碼技術(shù)。

　　大賽對國內所有高校開(kāi)放，提供基本的算法理論培訓，要求參賽選手通過(guò)短時(shí)間的網(wǎng)上材料學(xué)習后，自行進(jìn)行算法的數學(xué)模型分析、實(shí)現算法設計與對應的建模仿真、并在大賽提供的FPGA板上最終實(shí)現硬件通信鏈路。預知大賽詳情，請登錄http://www.innovateasia.com/5g/。

　　基于統一波形參數的OFDM技術(shù)，能夠支持頻率選擇性調度有效的對抗信道的多徑衰落。但是4G中的OFDM技術(shù)和參數僅僅是為了移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)設計的，無(wú)法應對多樣化的新興業(yè)務(wù)類(lèi)型所提出的要求，包括前面所述兩種業(yè)務(wù)所需要的更低的時(shí)延、更大的連接數。

　　圖表 2：F-OFDM 可變子載波帶寬的自適應空口波形調制技術(shù)

　　F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應空口波形調制技術(shù)，如圖2所示，F-OFDM是一種基于OFDM的改進(jìn)方案。F-OFDM能夠實(shí)現空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統、又能滿(mǎn)足未來(lái)5G發(fā)展的需求。它的基本思想是，將OFDM載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數的子帶，并對子帶進(jìn)行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶。比如，為了實(shí)現低功耗大覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)，可以在選定的子帶中采用單載波波形;為了在增強的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)中有效的對抗多徑信道，可以在選定的子帶中采用多載波波形;為了實(shí)現較低的空口時(shí)延，可以采用更小的傳輸時(shí)隙長(cháng)度;為對抗更豐富的多徑信道，可以采用更小的子載波間隔和更長(cháng)的循環(huán)前綴。所以F-OFDM的好處是顯而易見(jiàn)的，她可以將整個(gè)頻段按照未來(lái)不同種類(lèi)的業(yè)務(wù)精細分割，對空口實(shí)現靈活切片更好支持不同業(yè)務(wù)的帶寬時(shí)延、可靠性需要，同時(shí)帶來(lái)頻譜資源利用率提升。

　　在F-OFDM中不得不提的還有子帶濾波器，F-OFDM采用了子帶濾波器來(lái)實(shí)現子帶的劃分。為了有效的分割各個(gè)子帶，濾波器的性能尤為重要。對于濾波器的設計，基本的要求是帶內近似平坦并且帶外陡降。如果能夠得到恰到好處的濾波器，額外引入的濾波器所帶來(lái)的信噪比和誤包率損失將可以忽略不記，而陡降的帶外泄露也可以大幅降低保護帶的開(kāi)銷(xiāo)。此外，在設計濾波器時(shí)還需要考慮實(shí)現復雜度這一約束條件。對于f-OFDM，高性能濾波器的低復雜度實(shí)現是一個(gè)值得深入研究的課題。以上這些設計需求都對參賽選手的專(zhuān)業(yè)素養和思維能力提出了較高的要求。如圖3為一個(gè)參賽隊使用自行設計的濾波器所取得的仿真結果。

　　圖表 3： 參賽隊實(shí)例

　　大賽已經(jīng)完成了第一階段的比賽。經(jīng)過(guò)仔細的評比和篩選，來(lái)自電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、重慶大學(xué)、東南、清華等的30多個(gè)隊伍脫穎而出。在f-OFDM的賽題上，各參賽隊表現出了較高的水平，其中特別出色的團隊，對濾波器設計的數學(xué)基礎、實(shí)現目標、技術(shù)手段和預期性能，都有獨特的研究設計，其帶外抑制和BLER性能近乎達到理論上的最佳結果。另外，由于賽題采用了一些非LTE標準的系統參數，也給各個(gè)參賽隊提供了發(fā)揮的機會(huì )，多個(gè)隊伍都給出了針對賽題中系統參數配置的導頻設計等方案，很好展現了學(xué)生們的創(chuàng )新能力。

　　總之，經(jīng)過(guò)第一階段的比賽，同學(xué)們展現了對f-OFDM技術(shù)的很好理解，給出了嫻熟的理論性論證，并且提供了很好的實(shí)現算法和仿真結果，充分反映了同學(xué)們的理論基礎和分析能力。我們深信，在即將到來(lái)的決賽上，能夠看到同學(xué)們在FPGA實(shí)現上會(huì )有更好的表現。