Polar碼被采納為5G eMBB場景的控制信道編碼，這兩天連續(xù)被這條消息刷屏，連吃瓜群眾都直呼好爽。
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。
關于這三種編碼方案之爭，這已經是5G標準的第二次較量。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場景的數據信道的長碼塊編碼方案。
在這個背景下，這一次關于短碼塊編碼方案的爭論更為激烈。因為LDPC碼已經拿下一局，出于實施復雜性考慮，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)主導的LDPC碼有可能一統(tǒng)5G天下，而華為等中國企業(yè)主導的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，經過連續(xù)熬夜的激戰(zhàn)后，Polar碼終于在5G核心標準上扳回一局，成為5G eMBB場景的控制信道編碼方案。
自此，經過兩次激戰(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，后者為數據信道編碼方案。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碼為數據信道編碼方案，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應用的其中一個場景。3GPP定義了5G三大場景：eMBB、mMTC和URLLC。eMBB對應的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務，mMTC對應的是大規(guī)模物聯(lián)網業(yè)務，而URLLC對應的是如無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延高可靠連接的業(yè)務。
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)標準話語權打下了堅實的基礎，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碼是由法國科學家C.Berrou和A.Glavieux發(fā)明。從1993年開始，通信領域開始對其研究。隨后，Turbo碼被3G和4G標準采納。
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極限的信道編碼，不過，受限于當時環(huán)境，難以克服計算復雜性，隨后被人遺忘。直到1996年才引起通信領域的關注。后來，LDPC碼被WiFi標準采納。
Polar碼是由土耳其比爾肯大學教授E. Arikan在2007年提出，2009年開始引起通信領域的關注。
簡而言之，信道編碼是數學家們原創(chuàng)出理論，通信就是跟著數學家們跑，在他們的理論基礎上不斷研究試驗，使之落地于實際應用。
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，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領域更具影響力。當然，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學家們的貢獻，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?
這個小標題應該叫：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。
當我們拿起手機刷朋友圈時，數據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)送的數據和基站接收到數據有時會不一致，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。
信道編碼，簡單的講，就是我們在有K比特的數據塊中插入冗余比特，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，出現了兩種接近容量極限的信道編碼技術：LDPC和Turbo碼，分別被3G和4G通信標準和WiFi標準采納。2007年，土耳其教授E. Arikan提出了Polar碼，被稱為是迄今發(fā)現的唯一一類能夠達到香農限的編碼方法。
所以，這三種優(yōu)秀的編碼技術均進入5G編碼標準的法眼，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定的太高，在4G基礎上提升了20倍。報告領導，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都要經過信道譯碼器，20Gbps就相當于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數據。
舉個例子，20 Gbps就意味著譯碼吞吐量T為20 Gbps，假設譯碼迭代次數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。
(備注：譯碼器是信道編碼最難實現的一環(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，本質上源于串行的內部結構，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部結構，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據量，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，出于技術宅的本能，也請容許我再啰嗦一下。
5G NR的URLLC應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實、遠程控制和游戲等業(yè)務時，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、自動工廠和遠程機器人等應用。
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，從東向西轉移一次，“數據量”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5G的AR、VR、車聯(lián)網、大規(guī)模物聯(lián)網、高清視頻等等各種應用，較之3/4G只有語音和數據業(yè)務，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，短碼塊應用于物聯(lián)網，長碼塊應用于高清視頻，低編碼率應用于基站分布稀疏的農村站點，高編碼率應用于密集城區(qū)。如果大家都用同樣的編碼率，這就會造成數據比特浪費，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對一般數據的空口誤塊率要求初始傳輸為10%，經過幾次重傳后，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、靈活性和實施復雜性，誰更強的呢?
小編查閱了最新的大量文獻，結果是：被搞得暈頭轉向，一臉懵逼。這個問題太復雜了，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操作的總次數來衡量計算復雜度，有人認為Polar碼和LDPC碼在計算復雜度上優(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，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標準采用，LDPC被Wi-Fi標準采用，而Polar碼出現較晚，在5G之前還沒有任何標準采用。從這方面講，Polar碼的成熟度較低。
然而，華為表示不服，5G編碼標準之爭前，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，是更新?lián)Q代，不是像2G—>2.5G或4G—>4.5G那樣，現網升級即可，這是要運營商買新基站設備的，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計，而譯碼器是整個基帶處理器的重要組成部分，占據了近72%的基帶處理硬件資源和功耗，這可能會導致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系呢，無非是為了更好的體驗多花一點時間而已。
所以，關于5G為何采納Polar碼，我們的結論是：
技術分析并沒有什么卵用。
因為，這一場標準之爭，在我們看來，早已超越了技術的邊界，而是綜合實力和話語權的較量。
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。
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