華為主推的PolarCode極化碼方案到底是什麼

2020-12-05 電子發燒友

　　自現代通信技術誕生以來，以更低的代價（信號功率、信號帶寬等）實現更可靠的通信一直是信息技術領域的核心課題。信道編碼技術是無線通信系統物理層最核心的基礎技術之一，它的主要目的是使數位訊號能夠進行可靠的傳遞。信道編碼技術通過在發送信息序列的基礎上增加額外的校驗比特，並在收端採用一定的解碼技術以較高的概率對傳輸過程中產生的差錯進行糾正，從而實現發送信息序列的正確接收。

　　編碼和調製是無線通信技術中最核心最深奧的部分，被稱為頂級的通信技術。信道編解碼在基礎通信框架中位於物理層位置，其性能的改進將直接提升網絡覆蓋及用戶傳輸速率。在此次3GPP的RAN1（無線物理層）87次會議上，確定了中國華為公司主導的Polar碼作為控制信道的編碼方案，美國高通公司主導的LDPC碼作為數據信道的編碼方案。

　　值得我們記住的是，Polar Code，極化碼。2016年11月17日凌晨0點45分，在3GPP RAN1 87次會議的5G短碼方案討論中，歷經千辛萬苦，中國華為公司的Polar Code（極化碼）方案，最終戰勝列強，成為5G控制信道eMBB場景編碼最終方案。

　　Polar code最終成為控制信道上行和下行的編碼方案。而數據信道的上行和下行短碼方案則歸屬高通LDPC碼。Polar Code是人類已知的第一種能夠被嚴格證明達到香農極限的信道編碼方法，糾錯性能超過目前廣泛使用的Turbo碼和LDPC碼，最終成為信道控制編碼方案。華為與澳大利亞運營商Optus合作完成了5G網絡測試，使用73GHz超高頻段實現了高達35Gbps的傳輸速率。

　　這是中國公司首次進入基礎通信框架協議領域，對比以往2G、3G、4G時代來看，其最大意義在於加大了中國企業在全球通信領域的話語權。

　　什麼是polar code極化碼

　　為了實現可靠的信號傳輸，編碼學家在過去的半個多世紀提出多種糾錯碼技術如裡所碼（RS碼）、卷積碼，Turbo碼等，並在各種通信系統中取得了廣泛的應用。但是以往所有實用的編碼方法都未能到香農於1948年所給出的信道傳輸的容量極限（也稱為香農界）。2008年在國際資訊理論ISIT會議上，Arikan首次提出了信道極化的概念，基於該理論，他給出了人類已知的第一種能夠被嚴格證明達到信道容量的信道編碼方法，並命名為極化碼（Polar Code）。Polar碼具有明確而簡單的編碼及解碼算法。通過信道編碼學者的不斷努力，當前Polar碼所能達到的糾錯性能超過目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼。

　　極化碼（polar code）是由土耳其畢爾肯大學（bilkent）Erdal Arikan教授於2008年首次提出，其論文從理論上第一次嚴格證明了在二進位輸入對稱離散無記憶信道下，極化碼可以「達到」香農容量，並且有著低的編碼和解碼複雜度。從某種意義上說，極化碼「理論上」解決了近60年來資訊理論和編碼領域一直想要解決的問題。

　　雖然極化碼的理論很優美，但其實際性能從其剛出現時還不太理想（「理論上」是指當碼長趨向於無窮時的性能；「實際」是指有限長度碼長）。但近年來，極化碼實際構造方法和列表連續消去解碼算法（list successive cancellation decoding）等技術的提出，極化碼的整體性能在某些應用場景中取得了和當前最先進的信道編碼技術Turbo碼和低密度奇偶校驗碼（LDPC碼）相同或更優的性能。

　　在這裡我們再談談arikan教授發明極化碼時所提到的2*2矩陣為核的極化碼的三大要點：（以下三點，或者是極化碼在信道編碼中最核心的創新。）

　　1.上鞅收斂：構造了一個信道變換，如果不斷遞歸這個變換並隨機挑選變換結果的話，則變換結果的巴氏參數（Bhattacharya parameter）構成一個隨機過程。arikan證明這個隨機過程是一個上鞅，再利用上鞅中的隨機變量序列a.s收斂和按期望收斂，證明收斂結果為一個二值隨機變量。再證明這個二值隨機變量為0的概率是二元離散對稱無記憶信道容量I， 推斷證明碼長n無窮的時候可以挑出約nI個巴氏參數逼近0的無失真子信道，這就證明了信道極化是信道容量可達的。Foundation and trends裡面polar章節，有另外一種證明方法，初等一些。

　　2.SC解碼：有了好碼還需要有好的解碼算法。香農和Gallager都已經證明，大部分碼都是好碼，只缺好的，多項式複雜度的解碼算法。arikan使用信道變換中的遞歸結構，先譯「壞」信道的結果，甚至凍結「壞」信道的解碼結果為0（降低碼率），然後作為「好」信道解碼的依據。複雜度是超線性的，非常Nice.

　　

　　由於理論和實際兩方面的優越性，極化碼的研究已成為資訊理論與編碼以及通信領域中的一個熱點研究。目前華為公司正極力推動極化碼進入5G移動通信標準。

　　此次華為主導推動的Polar Code碼被3GPP採納為5GeMBB控制信道標準方案，是中國在5G移動通信技術研究和標準化上的重要進展。

　　標準=話語權

　　誰掌握了標準技術即擁有了話語權和制高點，30年前，高通公司把軍用的CDMA技術用於民用通信，推出了IS-95標準，成為與歐洲的GSM競爭的第二代移動通信系統，也就是我們常說的2G時代。

　　2G時代，GSM取得了勝利，但高通公司主導的Viterbi解碼算法讓產業界相信了CDMA代表了無線通信技術的發展方向，因此3G時代，WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA都採用了CDMA技術。如今，高通的絕大部分利潤就來自於基於該技術標準的專利授權。

　　在3G時代，中國雖然自主研發了TD-SCDMA，但是技術上依然無法與其相提並論。即便到了4G時代，中國TD-LTE有了一定的突破，但是其核心長碼編碼Turbo碼和短碼咬尾卷積碼，都不是中國原創的技術。這就導致美國高通動不動就控告中國公司侵權，索取額外專利費。

　　2016年將成5G標準的元年，與3G、4G時代的多個標準並存不同的是，5G有望實現全球統一標準，但標準中的話語權必然要爭，那就要看在各個環節參與的程度，而更多技術被5G標準使用和確認必然會讓企業未來擁有更多的專利儲備。

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