5G為何采納華為力挺的Polar碼？真的沒有被夸大不實之嫌嗎？

　　然而，隨著媒體報道的持續(xù)發(fā)酵，真相在口口相傳中變了形，不乏夸大不實之嫌，小編終于坐不住了，也想吐露點心里話，希望盡可能站在客觀的角度，在這個浮躁的世界里發(fā)出一點微不足道的聲音，一個通信工程師的聲音。

　　事件經(jīng)過我們再回溯一遍…

　　2016年11月14日至18日期間，3GPP RAN1 #87會議在美國Reno召開，本次會議其中一項內(nèi)容是決定5G短碼塊的信道編碼方案，其中，提出了三種短碼編碼方案：Turbo碼、LDPC碼和Polar碼。

　　關(guān)于這三種編碼方案之爭，這已經(jīng)是5G標(biāo)準(zhǔn)的第二次較量。在2016年10月14日葡萄牙里斯本舉行的會議上，LDPC碼戰(zhàn)勝了Turbo碼和Polar碼，被采納為5G eMBB場景的數(shù)據(jù)信道的長碼塊編碼方案。

　　在這個背景下，這一次關(guān)于短碼塊編碼方案的爭論更為激烈。因為LDPC碼已經(jīng)拿下一局，出于實施復(fù)雜性考慮，整個移動通信系統(tǒng)采用單一的編碼方案更利于5G部署，比如，3G和4G采用的是Turbo碼，估計會有更多人支持LDPC碼。

　　這樣一來，主要由美國企業(yè)主導(dǎo)的LDPC碼有可能一統(tǒng)5G天下，而華為等中國企業(yè)主導(dǎo)的Polar碼將前功盡棄。

　　由于拋棄Turbo碼的呼聲較大，在上次會議失利之后，可以說Turbo碼基本大勢已去，本次5G編碼之爭最終演變?yōu)镻olar碼和LDPC碼之間的拳擊爭霸賽，一場中美拳擊爭霸賽。

　　最終，經(jīng)過連續(xù)熬夜的激戰(zhàn)后，Polar碼終于在5G核心標(biāo)準(zhǔn)上扳回一局，成為5G eMBB場景的控制信道編碼方案。

　　自此，經(jīng)過兩次激戰(zhàn)，在5G eMBB場景上，Polar碼和LDPC碼二分天下，前者為信令信道編碼方案，后者為數(shù)據(jù)信道編碼方案。Polar碼和LDPC碼一起歷史性的走進蜂窩移動通信系統(tǒng)，而在3G和4G時代陪伴我們多年的Turbo碼再輸一局，留下了落魄而孤寂的背影。

　　這確實是一個令人振奮的消息，如果說用力挽狂瀾來形容，我覺得并不為過。

　　這對于主導(dǎo)Polar碼的華為和中國企業(yè)絕對利好，畢竟，多年在Polar碼上研發(fā)投入終于有了盼頭。

　　但是，我們看到有些媒體的報道，恕我直言，太過浮夸。

　　1 、不是“拿下5G時代”

　　在5G eMBB場景上，Polar為信令信道編碼方案，LDPC碼為數(shù)據(jù)信道編碼方案，最多叫平分秋色。同時，后面還有很多路要走。

　　我們在前文中提到的eMBB場景不過是5G應(yīng)用的其中一個場景。3GPP定義了5G三大場景：eMBB，mMTC和URLLC，eMBB對應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，mMTC對應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，而URLLC對應(yīng)的是如無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延高可靠連接的業(yè)務(wù)。

　　本次采納的編碼方案是針對其中eMBB場景，后續(xù)還將決定URLLC場景下的信道編碼方案，最后再決定mMTC場景（估計在2017年第一季度）。盡管此次采納Polar碼為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)打下了堅實的基礎(chǔ)，但革命還未成功，同志仍需努力。

　　2 、Polar碼不是華為的，LDPC也不是高通的

　　這要從信道編碼的歷史說起。

　　Turbo碼是由法國科學(xué)家C.Berrou和A.Glavieux發(fā)明。從1993年開始，通信領(lǐng)域開始對其研究。隨后，Turbo碼被3G和4G標(biāo)準(zhǔn)采納。

　　LDPC碼是由MIT的教授 Robert Gallager在1962年提出，這是最早提出的逼近香農(nóng)極限的信道編碼，不過，受限于當(dāng)時環(huán)境，難以克服計算復(fù)雜性，隨后被人遺忘。直到1996年才引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。后來，LDPC碼被WiFi標(biāo)準(zhǔn)采納。

　　Polar碼是由土耳其比爾肯大學(xué)教授E. Arikan在2007年提出，2009年開始引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。

　　簡而言之，信道編碼是數(shù)學(xué)家們原創(chuàng)出理論，通信就是跟著數(shù)學(xué)家們跑，在他們的理論基礎(chǔ)上不斷研究試驗，使之落地于實際應(yīng)用。

　　為什么有些公司力挺Polar碼，有些公司力挺LDPC碼？這就像下賭注，看中了某種編碼技術(shù)，就開始對其研究，一旦賭贏了，那么我的研究成果就能快速落地應(yīng)用，一旦輸了，只能從頭再來。比如，華為選擇了Polar碼，5G也選擇了Polar碼，這就意味著華為在5G領(lǐng)域更具影響力。當(dāng)然，在研究中，一定也積累了不少專利。

　　所以，盡管這次Polar碼贏了，但個人以為，媒體們不能因為太過興奮而忽略了數(shù)學(xué)家們的貢獻，更不能張冠李戴，有些東西是沒有國界的。

　　3 、為何5G采納了Polar碼？

　　這個小標(biāo)題應(yīng)該叫：5G為何采納了Polar碼和LDPC碼？又為何放棄了Trubo碼？

　　先從什么叫信道編碼說起。當(dāng)我們拿起手機刷朋友圈時，數(shù)據(jù)通過無線信號在手機和基站間傳送。由于受到無線干擾、弱覆蓋等原因影響，我們手機發(fā)送的數(shù)據(jù)和基站接收到數(shù)據(jù)有時會不一致，比如，我們手機發(fā)送的1 0 0 1 0，而基站接收到的卻是1 1 0 1 0，為了糾錯，移動通信系統(tǒng)就引入了信道編碼技術(shù)。

　　信道編碼，簡單的講，就是我們在有K比特的數(shù)據(jù)塊中插入冗余比特，形成一個更長的碼塊，這個碼塊的長度為N比特位，N》K，N-K就是用于檢測和糾錯的冗余比特，編碼率R就是K/N。一個好的信道編碼，是在一定的編碼率下，能無限接入信道容量的理論極限。

　　在過去幾十年里，出現(xiàn)了兩種接近容量極限的信道編碼技術(shù)：LDPC和Turbo碼，分別被3G和4G通信標(biāo)準(zhǔn)和WiFi標(biāo)準(zhǔn)采納。2007年，土耳其教授E. Arikan提出了Polar碼，被稱為是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一類能夠達到香農(nóng)限的編碼方法。

　　所以，這三種優(yōu)秀的編碼技術(shù)均進入5G編碼標(biāo)準(zhǔn)的法眼，并引發(fā)了一場爭奪賽。

　　為何這場爭奪賽這么激烈？都是KPI惹的禍。

　　5G NR（New Radio）的KPI里，明確規(guī)定：峰值速率20Gbps、用戶面時延0.5ms（URLLC）。

　　這個KPI定得太高，在4G基礎(chǔ)上提升了20倍。報告領(lǐng)導(dǎo)，不好完成。

　　有多難呢？5G NR的下行峰值速率要求是20Gbps，由于手機（或基站）接收到的每一bit都要經(jīng)過信道譯碼器，20Gbps就相當(dāng)于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)。

　　舉個例子，20 Gbps就意味著譯碼吞吐量T為20 Gbps，假設(shè)譯碼迭代次數(shù)I為10次，處理器的時鐘頻率F為500 MHz，那么，I *T /F = 10*20G/500M=400，也就是說需要400個處理器并行工作。

　?。▊渥ⅲ鹤g碼器是信道編碼最難實現(xiàn)的一環(huán)）

　　這也是為何很多人選擇放棄3G和4G時代使用的Turbo碼的原因之一，因為4G的最大速率不過1Gbps，傳統(tǒng)Turbo碼通過迭代譯碼，本質(zhì)上源于串行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以，有人認為Turbo遇上更高速率的5G時就遇到了瓶頸。比如LDPC譯碼器是基于并行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這意味著譯碼的時候可以并行同時處理，不但能處理較大的數(shù)據(jù)量，還能減少處理時延。盡管可以采用外部并行的方式，但又帶來了時延問題。

　　對于時延，出于技術(shù)宅的本能，也請容許我再啰嗦一下。

　　5G NR的URLLC應(yīng)用場景要求用戶面時延為0.5ms，這是4G 10ms的二十分之一。之所以要求這么高的時延，是因為我們在體驗增強現(xiàn)實、遠程控制和游戲等業(yè)務(wù)時，需要傳送到云端處理，并實時傳回，這一來回的過程時延一定要足夠低，低到用戶無法覺察到。另外，機器對時延比人類更敏感，對時延要求更高，尤其是5G的車聯(lián)網(wǎng)、自動工廠和遠程機器人等應(yīng)用。

　　空口0.5ms時延意味著物理層的時延不能超過50μs，而物理層時延除了受譯碼影響，還受其它因素影響（比如同步），這就需要譯碼的處理時延一定要低于50μs，越低越好。

　　總得來說，這就好比春節(jié)的航班，人流太多，要把幾億中國人從南到北，從東向西轉(zhuǎn)移一次，“數(shù)據(jù)量”太大，這就需要多開航班，并且加快航行速度。

　　“航班公司”5G NR表示鴨梨山大，而信道編碼表示壓力更大，層層傳遞嘛。

　　但是，這點壓力還不夠，5G表示還能抗。

　　剛才我們講了，3GPP定義了5G三大場景：eMBB，mMTC和URLLC，這些場景對應(yīng)5G的AR、VR、車聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等等各種應(yīng)用，較之3/4G只有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，5G可繁忙多了。

　　這就對5G信道編碼提出了更高要求，需支持更廣泛的碼塊長度和更多的編碼率。比如，短碼塊應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，長碼塊應(yīng)用于高清視頻，低編碼率應(yīng)用于基站分布稀疏的農(nóng)村站點，高編碼率應(yīng)用于密集城區(qū)。如果大家都用同樣的編碼率，這就會造成數(shù)據(jù)比特浪費，進而浪費頻譜資源，這叫編碼的靈活性。

　　另外，5G還得保障更高可靠性的通信。LTE對一般數(shù)據(jù)的空口誤塊率要求初始傳輸為10%，經(jīng)過幾次重傳后，誤塊率如果低于1%即可。但是，5G要求誤塊率要降到十萬分之一。這就意味著，10萬個碼塊中，只允許信道譯碼器犯一次錯，最多只能有一個碼塊不能糾錯。

　　綜上，決定5G采用哪種編碼方式的因素就是：譯碼吞吐量、時延、糾錯能力、靈活性，還有實施復(fù)雜性、成熟度和后向兼容性等。

　　比較一下三種編碼的譯碼吞吐量、時延、糾錯能力、靈活性和實施復(fù)雜性，誰更強的呢？

　　小編查閱了最新的大量文獻，結(jié)果是：被搞得暈頭轉(zhuǎn)向，一臉懵逼。這個問題太復(fù)雜了，公說公有理婆說婆有理。

　　比如，有人認為，Turbo碼達到了瓶頸，無法處理20Gbps高速率，然而，有廠家證明，基于全并行設(shè)計的Turbo譯碼器的譯碼吞吐量能到21.9 Gbps，處理時延可達0.24μs，這也能滿足5G NR的20Gbps速率需求。

　　比如，如果用譯碼器在譯碼每一bit時執(zhí)行的Max，Min和Add操作的總次數(shù)來衡量計算復(fù)雜度，有人認為Polar碼和LDPC碼在計算復(fù)雜度上優(yōu)于Turbo碼。

　　比如，有人說Turbo不夠靈活，然而有人指出，LTE Turbo碼的碼塊長度從40到6144，一共有188 種，可以支持不同的業(yè)務(wù)，而采用多個并行處理器來同時完成碼塊譯碼的Turbo碼，能更靈活支持不同的碼塊長度。

　　…

　　小編試圖從技術(shù)的角度去找到5G選擇Polar碼或者LDPC碼的理由，然而，能力有限，把自己搞得灰頭土臉。

　　那么，我們從成熟度和向后兼容性方面看吧。

　　Turbo碼被3/4G標(biāo)準(zhǔn)采用，LDPC被WiFi標(biāo)準(zhǔn)采用，而Polar碼出現(xiàn)較晚，在5G之前還沒有任何標(biāo)準(zhǔn)采用。從這方面講，Polar碼的成熟度較低。

　　然而，華為表示不服，5G編碼標(biāo)準(zhǔn)之爭前，海外通信圈就有一篇文章瘋傳，華為表示，采用Polar碼實現(xiàn)了5G速率達到27Gbps，表示滿足5G需求沒問題。

　　至于向后兼容性。5G NR是一種全新的無線技術(shù)，是更新?lián)Q代，不是像2G—》2.5G或4G—》4.5G那樣，現(xiàn)網(wǎng)升級即可，這是要運營商買新基站設(shè)備的，所以，其實不用考慮后向兼容性。

　　不過，對于終端就是另外一回事了?，F(xiàn)在的4G手機支持2G和3G，同樣，以后5G手機也要支持3G和4G。3G和4G采用Turbo碼，如果5G也采用LDPC或Polar碼，這就意味著手機要采用兩套硬件設(shè)計，而譯碼器是整個基帶處理器的重要組成部分，占據(jù)了近72%的基帶處理硬件資源和功耗，這可能會導(dǎo)致5G終端成本稍高一點，也可能會稍微拉長一點5G商用化的時間。

　　但是，有句老話叫磨刀不誤砍柴工。如果這一編碼方案足夠優(yōu)秀，極具潛力，那么，5G晚到一點又有什么關(guān)系呢，無非是為了更好的體驗多花一點時間而已。

　　所以，關(guān)于5G為何采納Polar碼，我們的結(jié)論是：

　　技術(shù)分析并沒有什么卵用。

　　因為，這一場標(biāo)準(zhǔn)之爭，在我們看來，早已超越了技術(shù)的邊界，而是綜合實力和話語權(quán)的較量。

　　Polar碼最終能夠勝出，只能說明中國通信的崛起，國際地位明顯提升，早已今非昔比。