5G標準專題：Polar碼——移動通信領域皇冠上的寶石
廣東智誠智慧財產權研究院
鄭友德、王活濤、袁真富
作者介紹
鄭友德：華中科技大學法學院教授、博士生導師、廣東智誠智慧財產權研究院院長。
王活濤：深圳峰創智誠科技有限公司創始人兼CEO、首批全國智慧財產權領軍人才。
袁真富：法學博士，上海大學智慧財產權學院副院長。
【前言-Polar碼簡史】
2008年，通信技術專家、土耳其畢爾肯大學電氣工程系Erdal Arikan教授首次提出Polar碼並發表論文。
2016年，Polar碼方案成為5G控制信道eMBB場景編碼最終方案，並成功進入5G基礎通信框架協議。
2018年，全球第一個符合3GPP標準的、支持Polar碼的5G系統正式發布。經過十年的不懈努力和投入，Polar碼從理論變成了現實應用。
信道編碼簡史
眾所周知，3GPP於2018年6月14日正式凍結了5G New Radio的獨立組網規範。這標誌著5G Release 15標準的正式發布。非獨立組網的NR規格於去年12月發布。目前，所有功能標準化工作的第一階段已經完成。去年12月，5G極化碼(Polar碼)被確認為5G標準的基本要素。
世界上第一個符合3GPP標準、支持Palor碼的5G系統，於2018年2月22日在世界移動大會上發布，此時距離通信技術專家土耳其畢爾肯大學電氣工程系Erdal Arikan教授關於Palor碼的論文發布已經過去了大約10年。
我們今天看到的只是冰山一角。在水面以下，有著數十年不間斷的研究和探索。
1948年，克勞德·香農(Claude Shannon)發表了論文《通信的數學理論》，它成為信息理論的基礎。在論文中，他指出了在給定帶寬上以一定質量可靠地傳輸信息的最大速率。這被稱為香農極限。他還提出，信道編碼技術提供了達到該限制的手段。因此，信道編碼技術已經成為通信領域皇冠上的寶石，眾多科學家不知疲倦地致力於開發和發展這項技術。
1967年，維特比解碼算法被發明。它代表了第一代信道編碼技術的巔峰之作。該算法使解碼更簡單，並在解碼過程中提供了更好的性能。它使卷積碼廣泛用於信息和通信行業。該算法於1988年用於2G GSM網絡，並用於隨後的3G網絡。
1991年，法國教授克勞德·貝魯(Claude Berrou)發現了turbo碼，這是第一個接近香農極限的編碼方案。這為第二代信道編碼技術打開了大門。1999年，3GPP採用turbo碼作為3G UMTS系統的信道編碼。它也被用於4G LTE系統。基於turbo碼原則，科學界對1962年由羅伯特·加拉格爾(Robert Gallager) 教授發現的LDPC碼有了新的理解。人們意識到，憑藉現代計算能力，LDPC碼也可以接近香農極限。在隨後的幾十年中，LDPC碼已廣泛應用於存儲和廣播領域。
2008年，Erdal Arikan教授發表了關於Palor碼的論文。Palor碼成為唯一理論證明可以達到香農極限的編碼方案。它們開創了第三代信道編碼技術。Palor碼和LDPC都被採用為5G標準。
2016年底，在3G PPRAN1 87 次會議的5G方案討論中，Polar碼方案在與LDPC和Turbo2.0方案競爭中勝出，成為5G控制信道 eMBB 場景編碼最終方案。自此，Polar碼成功進入5G基礎通信框架協議。
在這段信道編碼的發展歷史中我們看到，三代信道編碼技術中的每一代都需要10到20年才能從學術發現發展到行業標準。科學研究從理論轉向實際應用是一個充滿無數工程障礙的過程。
Palor碼——移動通信領域皇冠上的寶石
達到香農極限的Polar碼，有著低的編碼和解碼複雜度，解決了香農資訊理論領域塵封近60年的難題。
Palor碼構造的核心是通過「信道極化」的處理，在編碼側，採用編碼的方法使各個子信道呈現出不同的可靠性，當碼長持續增加時，一部分子信道將趨向於容量接近於1的可靠信道(無誤碼)，另一部分子信道趨向於容量接近於0的純噪聲信道，選擇在容量接近於1的子信道上直接傳輸信息以逼近信道容量。在解碼側，極化後的信道可用簡單的逐次幹擾抵消解碼的方法，以較低的實現複雜度獲得與最大似然解碼相近的性能。
在靜止和移動場景性能測試中，使用Polar碼的同時實現了短包和長包場景中穩定的性能增益，使現有蜂窩網絡的頻譜效率提升10%，與毫米波結合達到27Gbps的速率，實測結果證明Polar碼可以同時滿足ITU的超高速率、低時延、大連接的移動網際網路和物聯網三大類應用場景需求。
Polar碼聲明標準專利統計分析
隨著5G第一個版本標準R15的凍結和封版，參與通信設備商，晶片製造商，運營商以及研究者都積極向歐洲電信標準化協會(ETSI，一個非營利性的電信標準化組織，目前有來自47個國家的457名成員，涉及電信行政管理機構、國家標準化組織、網絡運營商、設備製造商、專用網業務提供者、用戶研究機構等，是全球標準化組織3GPP的成員之一)披露和聲明自己擁有的5G標準相關專利(見《5G標準專題研究之一：5G標準專利，誰執牛耳?》)，但各家在Polar碼領域的相關研究和布局情況又如何呢?為此，筆者對當前各公司向ESTI聲明的5G polar專利情況做了進一步的統計和分析(如下表)。
截至2018年7月27日，5G 新空口(NR)聲明標準專利累計達5970族，相對《5G標準專題研究之一：5G標準專利，誰執牛耳?》中6月14日統計數據新增聲明846族;目前5G新空口聲明標準專利中已有3518族有公開的專利文本。
筆者對已經公開的3518族公開專利進行人工閱讀分析，結合Polar碼、編解碼的中英文關鍵詞，以及極化信道可靠度、信息比特、凍結比特、特有的生成矩陣等Polar碼特性，通過閱讀摘要、權利要求、說明書，以及附圖等判斷出是否是Polar碼技術方案，獲得與Polar碼相關的公開聲明專利為76族。筆者對未公開的2452族專利信息也進行整理統計，發現還有27族專利的標題含有Polar code元素。匯總看有103族polar碼的聲明標準專利，區分專利權人：華為擁有51族專利，佔總數的49.5%;緊隨其後的是愛立信，它擁有26族專利，佔總數的25.2%。
展望未來，我們清楚地意識到標準的誕生只是5G通訊時代的開始。現在及未來，包括Polar碼在內的5G技術必將更快、更好地為社會創造價值，為ICT產業和人類社會的發展創造更多的奇蹟。
廣東智誠智慧財產權研究院
由深圳峰創智誠科技有限公司全資設立的民辦科研機構(非企業組織性質)，集智慧財產權研究、策劃、諮詢、管理、培訓、交流於一體的高水準智慧財產權綜合機構。廣東智誠智慧財產權研究院匯聚國內外智慧財產權研究和實務的頂級專家，引進國內外一流高端創新資源的智慧財產權專業化智庫，秉持「紮根深圳、立足珠三角、服務全國、輻射世界」的方針，致力於推動智慧財產權交流與合作;為政府科學決策提供智力支持;為智慧財產權促進廣東省乃至我國經濟轉型發展提供智力支持。
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