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作者：中國科技大學 朱近康教授 萬物互聯的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難題。比如，如何支持擁有大量連接數的物聯網應用，如何支持對時延和可靠性要求極高的車聯網業務，如何支持內容越來越多樣速率越來越高的智能手機業務。為了全面實現5G預期的各項指標和功能，5G關鍵技術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，由Altera、西安電子科技大學、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，也稱可變子載波帶寬的自適應空口波形，是一種基礎波形技術； 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； 3) Polar Code，極化碼，一種趨于香農極限的信道編碼技術。 大賽對國內所有高校開放，提供基本的算法理論培訓，要求參賽選手通過短時間的網上材料學習后，自行進行算法的數學模型分析、實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，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技術和參數僅僅是為了移動寬帶業務設計的，無法應對多樣化的新興業務類型所提出的要求，包括前面所述兩種業務所需要的更低的時延、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 F-OFDM是一種可變子載波帶寬的自適應空口波形調制技術，如圖2所示，F-OFDM是一種基于OFDM的改進方案。F-OFDM能夠實現空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統、又能滿足未來5G發展的需求。它的基本思想是，將OFDM載波帶寬劃分成多個不同參數的子帶，并對子帶進行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶。比如，為了實現低功耗大覆蓋的物聯網，可以在選定的子帶中采用單載波波形；為了在增強的移動寬帶業務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；為了實現較低的空口時延，可以采用更小的傳輸時隙長度；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的循環前綴。所以F-OFDM的好處是顯而易見的，她可以將整個頻段按照未來不同種類的業務精細分割，對空口實現靈活切片更好支持不同業務的帶寬時延、可靠性需要，同時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-OFDM采用了子帶濾波器來實現子帶的劃分。為了有效的分割各個子帶，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銷。此外，在設計濾波器時還需要考慮實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現是一個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業素養和思維能力提出了較高的要求。如圖3為一個參賽隊使用自行設計的濾波器所取得的仿真結果。
圖表 3： 參賽隊實例 大賽已經完成了第一階段的比賽。經過仔細的評比和篩選，來自電子科技大學、哈爾濱工業大學、北京郵電大學、重慶大學、東南、清華等的30多個隊伍脫穎而出。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基礎、實現目標、技術手段和預期性能，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，也給各個參賽隊提供了發揮的機會，多個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，很好展現了學生們的創新能力。 總之，經過第一階段的比賽，同學們展現了對f-OFDM技術的很好理解，給出了嫻熟的理論性論證，并且提供了很好的實現算法和仿真結果，充分反映了同學們的理論基礎和分析能力。我們深信，在即將到來的決賽上，能夠看到同學們在FPGA實現上會有更好的表現。 |
