首届5G算法创新大赛：F-OFDM赛事评述

作者：中国科技大学 朱近康教授

万物互联的5G定位，如图1所示的5G总体愿景，带来了一系列需要解决的重大技术难题。比如，如何支持拥有大量连接数的物联网应用，如何支持对时延和可靠性要求极高的车联网业务，如何支持内容越来越多样速率越来越高的智能手机业务。为了全面实现5G预期的各项指标和功能，5G关键技术的研究正如火如荼的开展着。
  

图表 1：5G总体愿景（IMT2020）

就在这时，由Altera、西安电子科技大学、友晶科技主办，华为、英特尔、展讯通信赞助的第一届5G算法创新大赛应运而生了。我有幸作为三大算法的评委之一参与了这次大赛，感触颇深，与大家共勉。

首届5G算法创新大赛以三大5G空口核心算法为题：
1)    F-OFDM，Filtered-OFDM基于子带滤波的正交频分复用，也称可变子载波带宽的自适应空口波形，是一种基础波形技术；
2)    SCMA，Sparse Code Multiple Access稀疏码多址接入，一种新型的多址和接入技术；
3)    Polar Code，极化码，一种趋于香农极限的信道编码技术。

大赛对国内所有高校开放，提供基本的算法理论培训，要求参赛选手通过短时间的网上材料学习后，自行进行算法的数学模型分析、实现算法设计与对应的建模仿真、并在大赛提供的FPGA板上最终实现硬件通信链路。预知大赛详情，请登录http://www.innovateasia.com/5g/。

基于统一波形参数的OFDM技术，能够支持频率选择性调度有效的对抗信道的多径衰落。但是4G中的OFDM技术和参数仅仅是为了移动宽带业务设计的，无法应对多样化的新兴业务类型所提出的要求，包括前面所述两种业务所需要的更低的时延、更大的连接数。


图表 2：F-OFDM 可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术

F-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，如图2所示，F-OFDM是一种基于OFDM的改进方案。F-OFDM能够实现空口物理层切片后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求。它的基本思想是，将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并对子带进行滤波，而在子带间尽量留出较少的隔离频带。比如，为了实现低功耗大覆盖的物联网，可以在选定的子带中采用单载波波形；为了在增强的移动宽带业务中有效的对抗多径信道，可以在选定的子带中采用多载波波形；为了实现较低的空口时延，可以采用更小的传输时隙长度；为对抗更丰富的多径信道，可以采用更小的子载波间隔和更长的循环前缀。所以F-OFDM的好处是显而易见的，她可以将整个频段按照未来不同种类的业务精细分割，对空口实现灵活切片更好支持不同业务的带宽时延、可靠性需要，同时带来频谱资源利用率提升。

在F-OFDM中不得不提的还有子带滤波器，F-OFDM采用了子带滤波器来实现子带的划分。为了有效的分割各个子带，滤波器的性能尤为重要。对于滤波器的设计，基本的要求是带内近似平坦并且带外陡降。如果能够得到恰到好处的滤波器，额外引入的滤波器所带来的信噪比和误包率损失将可以忽略不记，而陡降的带外泄露也可以大幅降低保护带的开销。此外，在设计滤波器时还需要考虑实现复杂度这一约束条件。对于f-OFDM，高性能滤波器的低复杂度实现是一个值得深入研究的课题。以上这些设计需求都对参赛选手的专业素养和思维能力提出了较高的要求。如图3为一个参赛队使用自行设计的滤波器所取得的仿真结果。


图表 3： 参赛队实例

大赛已经完成了第一阶段的比赛。经过仔细的评比和筛选，来自电子科技大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、重庆大学、东南、清华等的30多个队伍脱颖而出。在f-OFDM的赛题上，各参赛队表现出了较高的水平，其中特别出色的团队，对滤波器设计的数学基础、实现目标、技术手段和预期性能，都有独特的研究设计，其带外抑制和BLER性能近乎达到理论上的最佳结果。另外，由于赛题采用了一些非LTE标准的系统参数，也给各个参赛队提供了发挥的机会，多个队伍都给出了针对赛题中系统参数配置的导频设计等方案，很好展现了学生们的创新能力。

总之，经过第一阶段的比赛，同学们展现了对f-OFDM技术的很好理解，给出了娴熟的理论性论证，并且提供了很好的实现算法和仿真结果，充分反映了同学们的理论基础和分析能力。我们深信，在即将到来的决赛上，能够看到同学们在FPGA实现上会有更好的表现。