本篇的话题是——5G：OFDM没有遗言。OFDM作为4G多载波技术最大的功臣，在10多年来得到了疯狂的应用和追捧，在很多领域展现了其优越的性能和简约之美，可谓风光无限。研究者们痴迷它、学生们膜拜它、工程师们只要它。如今，我的主要工作却是质疑OFDM在5G场景中是否合适，并尝试寻找继承者，探索更适合5G场景的多载波传输解决方案。

本篇的思路是：

  1. 吐糟一下介绍OFDM的教材，尤其是国内教材。抛出几个小问题。
  2. 关于5G的研究内容
  3. OFDM在5G场景中难以胜任的原因
  4. 未来

OFDM

先讲一讲OFDM的坎坷而光辉的历史。20世纪60年代OFDM的雏形诞生，实现复杂度很高，运用于军事。随后研究者们积极探索简化OFDM复杂度的方法但一筹莫展。FFT在1965年被提出后，Weinstein和Ebert第一次发现应该能够利用FFT实现OFDM，并设定通过保护间隔的思想对抗多径信道。但保护间隔的设定破坏了子载波间的正交性，极大损伤了OFDM的性能。直到1980年，循环前缀（CP）才被提出成为理想的保护间隔方案。再后来，基于FFT-CP的OFDM硬件系统被实现，并被广泛应用：

  • 1988 第一代实验型数字电视
  • 1995 DAB系统
  • 1999 WiFi
  • 2002 WLAN
  • 2005 LTE

历史介绍就到这里。

关于OFDM技术本身，默认读者是基本了解的。完全了解OFDM的原理和实现，个人认为几个关键点是：多速率系统理解真实的时序、循环卷积与DFT、结合ISI与ICI的产生理解CP的作用。而这些内容常见的教材恰恰没有强调，只给出了OFDM调制解调的数学表达式、OFDM优点与缺点之类，松散而空洞。这样的直接结果是看完一遍好像懂了，别人只要问一个问题自己就又不懂了。即使是基础较好的学生，也要研读各家说法后才能有完整的、正确的理解。为了证实这一点，我抛出几个小问题供思考：

  • OFDM子载波时域正交的条件是什么，怎样破坏之
  • 一个OFDM符号时间包含多少个码字信息
  • 假设有很长一段码流需要通过OFDM传送，超过了FFT长度。那么每做一次FFT的时间是多少，和OFDM符号时间有什么关系
  • 在OFDM时频资源块上画出循环前缀（CP）的位置
  • 采用循环前缀（CP）作为保护间隔，怎样去除了ICI和ISI，去除的是哪些资源块间的干扰？
  • 为什么LTE上行没有采用OFDM而是SC-CP？
  • 写出含有频率偏移（CFO）的CP-OFDM接收信号表达式

这些是OFDM最基本的概念引申出的问题，更不要说导频设计、峰均比等大量实际需要解决的问题了。如果问题都会，你大概是一个勇于思考善于思考的人（而且极有可能单身）。

2020年，5G

首先点明5G的需求和物理层的挑战。为了偷懒就用我汇报时的PPT吧。参考5GNOW组织的几篇论文。

motivation_5g challenge_5g

5G的愿景很美好，那么如果利用现有的系统架构，即LTE-A/OFDM系统对应的性能又是如何呢？

首先是实时性方面，LTE-A系统所能达到的时延的下限是1ms（由OFDM资源分配中的TTI参数决定），远远超过了realtime的要求。而且，就算改了协议废了现有器件，帧短了，但信道延时并没有短，这使得CP长度没有短，进一步使得OFDM符号的带宽效率大打折扣，简直不能忍。

接着对于物联网中大量的M2M（机器对机器）交流，对于同步要求较高的OFDM也是一头雾水。如果为了性能而同步，将耗费大量时频资源。更何况现实是这是个RACH信道，而且有大量的结点。OFDM的高速高效传送需要的是整齐、同步——像军队。而RACH就像是一大群丐帮小混混，OFDM在这里玩不转。

最后是频谱利用方面。由于OFDM的旁瓣巨大（比主瓣低13dB）导致功率侧漏，目前LTE-A很奢侈地用频域保护带来防止不同用户或系统互相干扰。

补充（来自X.G.Xia教授和X.Q.Gao教授在CNV讲座上的讨论）：5G的带宽在100MHz以上，如果不用多载波直接均衡，需要的tap数在80个以上（小技巧：一般一个tap对应1.28MHz，所以LTE中30.72M的采样速率对应最大24个tap）远超过均衡器的能力；所以必须要多载波转化到较窄的频带，若用OFDM，FFT点数会达到2万多点，这也是不能接受的硬件复杂度（LTE-A中用2048）。

OFDM在5G中难以胜任的原因，大抵如此了。

未来

这方面的研究正紧锣密鼓的进行着。不过这不是一个全新的领域，因为FBMC家族的研究甚至比OFDM还要久远……但是FBMC单凭现在这个样子还是不足以打垮OFDM，五花八门的研究自此展开。 （Filtered-OFDM，Wavelet-OFDM，Vector-OFDM，UFMC，GFDM，。。。）

我相信，用不了多久，OFDM就会成为萧何，LTE-A的成败皆由于此。我们通信人将会看着OFDM力战群雄后满身是血的倒下去，而我趁乱也捅了OFDM一刀。5G的时代里，OFDM没有遗言。

先烈们安息吧。诸位国庆节快乐。