华为5G Polar码为何被力挺?听通信工程师的大实话

polar码被采纳为5g embb场景的控制信道编码,这两天连续被这条消息刷屏,连吃瓜群众都直呼好爽。
然而,随着媒体报道的持续发酵,真相在口口相传中变了形,不乏夸大不实之嫌,小编终于坐不住了,也想吐露点心里话,希望尽可能站在客观的角度,在这个浮躁的世界里发出一点微不足道的声音,一个通信工程师的声音。
事件经过我们再回溯一遍…
2016年11月14日至18日期间,3gpp ran1 #87会议在美国reno召开,本次会议其中一项内容是决定5g短码块的信道编码方案,其中,提出了三种短码编码方案:turbo码、ldpc码和polar码。
关于这三种编码方案之争,这已经是5g标准的第二次较量。在2016年10月14日葡萄牙里斯本举行的会议上,ldpc码战胜了turbo码和polar码,被采纳为5g embb场景的数据信道的长码块编码方案。
在这个背景下,这一次关于短码块编码方案的争论更为激烈。因为ldpc码已经拿下一局,出于实施复杂性考虑,整个移动通信系统采用单一的编码方案更利于5g部署,比如,3g和4g采用的是turbo码,估计会有更多人支持ldpc码。
这样一来,主要由美国企业主导的ldpc码有可能一统5g天下,而华为等中国企业主导的polar码将前功尽弃。
由于抛弃turbo码的呼声较大,在上次会议失利之后,可以说turbo码基本大势已去,本次5g编码之争最终演变为polar码和ldpc码之间的拳击争霸赛,一场中美拳击争霸赛。
最终,经过连续熬夜的激战后,polar码终于在5g核心标准上扳回一局,成为5g embb场景的控制信道编码方案。
自此,经过两次激战,在5g embb场景上,polar码和ldpc码二分天下,前者为信令信道编码方案,后者为数据信道编码方案。polar码和ldpc码一起历史性的走进蜂窝移动通信系统,而在3g和4g时代陪伴我们多年的turbo码再输一局,留下了落魄而孤寂的背影。
这确实是一个令人振奋的消息,如果说用力挽狂澜来形容,我觉得并不为过。
这对于主导polar码的华为和中国企业绝对利好,毕竟,多年在polar码上研发投入终于有了盼头。
但是,我们看到有些媒体的报道,恕我直言,太过浮夸。
1、不是“拿下5g时代”
在5g embb场景上,polar为信令信道编码方案,ldpc码为数据信道编码方案,最多叫平分秋色。同时,后面还有很多路要走。
我们在前文中提到的embb场景不过是5g应用的其中一个场景。3gpp定义了5g三大场景:embb、mmtc和urllc。embb对应的是3d/超高清视频等大流量移动宽带业务,mmtc对应的是大规模物联网业务,而urllc对应的是如无人驾驶、工业自动化等需要低时延高可靠连接的业务。
本次采纳的编码方案是针对其中embb场景,后续还将决定urllc场景下的信道编码方案,最后再决定mmtc场景(估计在2017年第一季度)。
尽管此次采纳polar码为后续标准话语权打下了坚实的基础,但革命还未成功,同志仍需努力。
2、polar码不是华为的,ldpc也不是高通的
这要从信道编码的历史说起。
turbo码是由法国科学家c.berrou和a.glavieux发明。从1993年开始,通信领域开始对其研究。随后,turbo码被3g和4g标准采纳。
ldpc码是由mit的教授 robert gallager在1962年提出,这是最早提出的逼近香农极限的信道编码,不过,受限于当时环境,难以克服计算复杂性,随后被人遗忘。直到1996年才引起通信领域的关注。后来,ldpc码被wifi标准采纳。
polar码是由土耳其比尔肯大学教授e. arikan在2007年提出,2009年开始引起通信领域的关注。
简而言之,信道编码是数学家们原创出理论,通信就是跟着数学家们跑,在他们的理论基础上不断研究试验,使之落地于实际应用。
为什么有些公司力挺polar码,有些公司力挺ldpc码?这就像下赌注,看中了某种编码技术,就开始对其研究,一旦赌赢了,那么我的研究成果就能快速落地应用,一旦输了,只能从头再来。
比如,华为选择了polar码,5g也选择了polar码,这就意味着华为在5g领域更具影响力。当然,在研究中,一定也积累了不少专利。
所以,尽管这次polar码赢了,但个人以为,媒体们不能因为太过兴奋而忽略了数学家们的贡献,更不能张冠李戴,有些东西是没有国界的。
3、为何5g采纳了polar码?
这个小标题应该叫:5g为何采纳了polar码和ldpc码?又为何放弃了trubo码?
先从什么叫信道编码说起。
当我们拿起手机刷朋友圈时,数据通过无线信号在手机和基站间传送。由于受到无线干扰、弱覆盖等原因影响,我们手机发送的数据和基站接收到数据有时会不一致,比如,我们手机发送的1 0 0 1 0,而基站接收到的却是1 1 0 1 0,为了纠错,移动通信系统就引入了信道编码技术。
信道编码,简单的讲,就是我们在有k比特的数据块中插入冗余比特,形成一个更长的码块,这个码块的长度为n比特位,n》k,n-k就是用于检测和纠错的冗余比特,编码率r就是k/n。一个好的信道编码,是在一定的编码率下,能无限接入信道容量的理论极限。
在过去几十年里,出现了两种接近容量极限的信道编码技术:ldpc和turbo码,分别被3g和4g通信标准和wifi标准采纳。2007年,土耳其教授e. arikan提出了polar码,被称为是迄今发现的唯一一类能够达到香农限的编码方法。
所以,这三种优秀的编码技术均进入5g编码标准的法眼,并引发了一场争夺赛。
为何这场争夺赛这么激烈?都是kpi惹的祸。
5g nr(new radio)的kpi里,明确规定:峰值速率20gbps、用户面时延0.5ms(urllc)。
这个kpi定的太高,在4g基础上提升了20倍。报告领导,不好完成。
有多难呢?5g nr的下行峰值速率要求是20gbps,由于手机(或基站)接收到的每一bit都要经过信道译码器,20gbps就相当于译码器每秒钟要处理几十亿bit数据。
举个例子,20 gbps就意味着译码吞吐量t为20 gbps,假设译码迭代次数i为10次,处理器的时钟频率f为500 mhz,那么,i *t /f = 10*20g/500m=400,也就是说需要400个处理器并行工作。
(备注:译码器是信道编码最难实现的一环)
这也是为何很多人选择放弃3g和4g时代使用的turbo码的原因之一,因为4g的最大速率不过1gbps,传统turbo码通过迭代译码,本质上源于串行的内部结构,所以,有人认为turbo遇上更高速率的5g时就遇到了瓶颈。
比如ldpc译码器是基于并行的内部结构,这意味着译码的时候可以并行同时处理,不但能处理较大的数据量,还能减少处理时延。尽管可以采用外部并行的方式,但又带来了时延问题。
对于时延,出于技术宅的本能,也请容许我再啰嗦一下。
5g nr的urllc应用场景要求用户面时延为0.5ms,这是4g 10ms的二十分之一。之所以要求这么高的时延,是因为我们在体验增强现实、远程控制和游戏等业务时,需要传送到云端处理,并实时传回,这一来回的过程时延一定要足够低,低到用户无法觉察到。另外,机器对时延比人类更敏感,对时延要求更高,尤其是5g的车联网、自动工厂和远程机器人等应用。
空口0.5ms时延意味着物理层的时延不能超过50μs,而物理层时延除了受译码影响,还受其它因素影响(比如同步),这就需要译码的处理时延一定要低于50μs,越低越好。
总得来说,这就好比春节的航班,人流太多,要把几亿中国人从南到北,从东向西转移一次,“数据量”太大,这就需要多开航班,并且加快航行速度。
“航班公司”5g nr表示鸭梨山大,而信道编码表示压力更大,层层传递嘛。
但是,这点压力还不够,5g表示还能抗。
刚才我们讲了,3gpp定义了5g三大场景:embb、mmtc和urllc,这些场景对应5g的ar、vr、车联网、大规模物联网、高清视频等等各种应用,较之3/4g只有语音和数据业务,5g可繁忙多了。
这就对5g信道编码提出了更高要求,需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。比如,短码块应用于物联网,长码块应用于高清视频,低编码率应用于基站分布稀疏的农村站点,高编码率应用于密集城区。如果大家都用同样的编码率,这就会造成数据比特浪费,进而浪费频谱资源,这叫编码的灵活性。
另外,5g还得保障更高可靠性的通信。lte对一般数据的空口误块率要求初始传输为10%,经过几次重传后,误块率如果低于1%即可。但是,5g要求误块率要降到十万分之一。这就意味着,10万个码块中,只允许信道译码器犯一次错,最多只能有一个码块不能纠错。
综上,决定5g采用哪种编码方式的因素就是:译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性,还有实施复杂性、成熟度和后向兼容性等。
比较一下三种编码的译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性和实施复杂性,谁更强的呢?
小编查阅了最新的大量文献,结果是:被搞得晕头转向,一脸懵逼。这个问题太复杂了,公说公有理婆说婆有理。
比如,有人认为,turbo码达到了瓶颈,无法处理20gbps高速率,然而,有厂家证明,基于全并行设计的turbo译码器的译码吞吐量能到21.9 gbps,处理时延可达0.24μs,这也能满足5g nr的20gbps速率需求。
比如,如果用译码器在译码每一bit时执行的max,min和add操作的总次数来衡量计算复杂度,有人认为polar码和ldpc码在计算复杂度上优于turbo码。
比如,有人说turbo不够灵活,然而有人指出,lte turbo码的码块长度从40到6144,一共有188 种,可以支持不同的业务,而采用多个并行处理器来同时完成码块译码的turbo码,能更灵活支持不同的码块长度。

小编试图从技术的角度去找到5g选择polar码或者ldpc码的理由,然而,能力有限,把自己搞得灰头土脸。
那么,我们从成熟度和向后兼容性方面看吧。
turbo码被3/4g标准采用,ldpc被wi-fi标准采用,而polar码出现较晚,在5g之前还没有任何标准采用。从这方面讲,polar码的成熟度较低。
然而,华为表示不服,5g编码标准之争前,海外通信圈就有一篇文章疯传,华为表示,采用polar码实现了5g速率达到27gbps,表示满足5g需求没问题。
至于向后兼容性,5g nr是一种全新的无线技术,是更新换代,不是像2g—》2.5g或4g—》4.5g那样,现网升级即可,这是要运营商买新基站设备的,所以,其实不用考虑后向兼容性。
不过,对于终端就是另外一回事了。现在的4g手机支持2g和3g,同样,以后5g手机也要支持3g和4g。3g和4g采用turbo码,如果5g也采用ldpc或polar码,这就意味着手机要采用两套硬件设计,而译码器是整个基带处理器的重要组成部分,占据了近72%的基带处理硬件资源和功耗,这可能会导致5g终端成本稍高一点,也可能会稍微拉长一点5g商用化的时间。
但是,有句老话叫磨刀不误砍柴工。如果这一编码方案足够优秀,极具潜力,那么,5g晚到一点又有什么关系呢,无非是为了更好的体验多花一点时间而已。
所以,关于5g为何采纳polar码,我们的结论是:
技术分析并没有什么卵用。
因为,这一场标准之争,在我们看来,早已超越了技术的边界,而是综合实力和话语权的较量。
polar码最终能够胜出,只能说明中国通信的崛起,国际地位明显提升,早已今非昔比。

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