主頁（http://www.130131.com）：詳解5G核心算法：F-OFDM下一代自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù)

萬物互聯(lián)的5G定位，如圖1所示的5G總體愿景，帶來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(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如何支持對(duì)時(shí)延和可靠性要求極高的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如何支持內(nèi)容越來越多樣速率越來越高的智能手機(jī)業(yè)務(wù)。為了全面實(shí)現(xiàn)5G預(yù)期的各項(xiàng)指標(biāo)和功能，5G關(guān)鍵技術(shù)的研究正如火如荼的開展著。

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(yīng)運(yùn)而生了。我有幸作為三大算法的評(píng)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，F(xiàn)iltered-OFDM基于子帶濾波的正交頻分復(fù)用，也稱可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形，是一種基礎(chǔ)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(nóng)極限的信道編碼技術(shù)。

大賽對(duì)國(guó)內(nèi)所有高校開放，提供基本的算法理論培訓(xùn)，要求參賽選手通過短時(shí)間的網(wǎng)上材料學(xué)習(xí)后，自行進(jìn)行算法的數(shù)學(xué)模型分析、實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)與對(duì)應(yīng)的建模仿真、并在大賽提供的FPGA板上最終實(shí)現(xiàn)硬件通信鏈路。預(yù)知大賽詳情，請(qǐng)登錄innovateasia.com/5g/ 。

基于統(tǒng)一波形參數(shù)的OFDM技術(shù)，能夠支持頻率選擇性調(diào)度有效的對(duì)抗信道的多徑衰落。但是4G中的OFDM技術(shù)和參數(shù)僅僅是為了移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，無法應(yīng)對(duì)多樣化的新興業(yè)務(wù)類型所提出的要求，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(shù)。

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

F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應(yīng)空口波形調(diào)制技術(shù)，如圖2所示，F(xiàn)-OFDM是一種基于OFDM的改進(jìn)方案。F-OFDM能夠?qū)崿F(xiàn)空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來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(shù)的子帶，并對(duì)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(xiàn)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(qiáng)的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)中有效的對(duì)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(xiàn)較低的空口時(shí)延，可以采用更小的傳輸時(shí)隙長(zhǎng)度；為對(duì)抗更豐富的多徑信道，可以采用更小的子載波間隔和更長(zhǎng)的循環(huán)前綴。所以F-OFDM的好處是顯而易見的，她可以將整個(gè)頻段按照未來不同種類的業(yè)務(wù)精細(xì)分割，對(duì)空口實(shí)現(xiàn)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(xiàn)-OFDM采用了子帶濾波器來實(shí)現(xiàn)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(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)，基本的要求是帶內(nèi)近似平坦并且?guī)�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(hù)帶的開銷。此外，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)還需要考慮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度這一約束條件。對(duì)于f-OFDM，高性能濾波器的低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)是一個(gè)值得深入研究的課題。以上這些設(shè)計(jì)需求都對(duì)參賽選手的專業(yè)素養(yǎng)和思維能力提出了較高的要求。如圖3為一個(gè)參賽隊(duì)使用自行設(shè)計(jì)的濾波器所取得的仿真結(jié)果。

圖表3： 參賽隊(duì)實(shí)例

大賽已經(jīng)完成了第一階段的比賽。經(jīng)過仔細(xì)的評(píng)比和篩選，來自電子科技大學(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(duì)伍脫穎而出。在f-OFDM的賽題上，各參賽隊(duì)表現(xiàn)出了較高的水平，其中特別出色的團(tuán)隊(duì)，對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、技術(shù)手段和預(yù)期性能，都有獨(dú)特的研究設(shè)計(jì)，其帶外抑制和BLER性能近乎達(dá)到理論上的最佳結(jié)果。另外，由于賽題采用了一些非LTE標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)，也給各個(gè)參賽隊(duì)提供了發(fā)揮的機(jī)會(huì)，多個(gè)隊(duì)伍都給出了針對(duì)賽題中系統(tǒng)參數(shù)配置的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)等方案，很好展現(xiàn)了學(xué)生們的創(chuàng)新能力。

總之，經(jīng)過第一階段的比賽，同學(xué)們展現(xiàn)了對(duì)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(xiàn)算法和仿真結(jié)果，充分反映了同學(xué)們的理論基礎(chǔ)和分析能力。我們深信，在即將到來的決賽上，能夠看到同學(xué)們?cè)贔PGA實(shí)現(xiàn)上會(huì)有更好的表現(xiàn)。

作者：中國(guó)科技大學(xué) 朱近康教授