5G 为何采纳华为力挺的 Polar 码?一个通讯工程师的内心实话

5G 为何采纳华为力挺的 Polar 码?一个通讯工程师的内心实话

Polar 码被采纳为 5G eMBB 场景的控制频道编码,这两天连续被这条消息洗板,连吃瓜群众都直呼好爽。

然而,随着媒体报导的持续发酵,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,一个通讯工程师的声音。

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 短码块的频道编码方案,其中,提出了 3 种短码编码方案:Turbo 码、LDPC 码和 Polar 码。

关于这 3 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 场景的数据频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,整个行动通讯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 场景的控制频道编码方案。

5G 为何采纳华为力挺的 Polar 码?一个通讯工程师的内心实话

自此,经过两次激战,在 5G eMBB 场景上,Polar 码和 LDPC 码二分天下,前者为信令频道编码方案,后者为数据频道编码方案。Polar 码和 LDPC 码一起历史性的走进蜂窝行动通讯系统,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多,毕竟,多年在 Polar 码上研发投入终于有了希望。

但是,我们看到有些媒体的报导,恕我直言,太过浮夸。

在 5G eMBB 场景上,Polar 为信令频道编码方案,LDPC 码为数据频道编码方案,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 / 超高清影像等大流量行动宽频业务,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 场景下的频道编码方案,最后再决定 mMTC 场景(估计在 2017 年第一季)。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。

这要从频道编码的历史说起。

Turbo 码是由法国科学家 C.Berrou 和 A.Glavieux 发明。从 1993 年开始,通讯领域开始对其研究。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频道编码,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 年才引起通讯领域的关注。后来,LDPC 码被 Wi-Fi 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 年开始引起通讯领域的关注。

简而言之,频道编码是数学家们原创出理论,通讯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,一定也累积了不少专利。

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。

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?

先从什么叫频道编码说起。当我们拿起手机滑脸书时,数据透过无线讯号在手机和基地台间传送。由于受到无线干扰、弱覆蓋等原因影响,我们手机发送的数据和基地台接收到的数据有时会不一致,比如,我们手机发送 1 0 0 1 0,而基地台接收到的却是 1 1 0 1 0,为了纠错,行动通讯系统就引入了频道编码技术。

频道编码,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。一个好的频道编码,是在一定的编码率下,能无限接入频道容量的理论极限。

在过去几十年里,出现了两种接近容量极限的频道编码技术:LDPC 和 Turbo 码,分别被 3G 和 4G 通讯标准和 Wi-Fi 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 3 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 为何采纳华为力挺的 Polar 码?一个通讯工程师的内心实话

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 定得太高,在 4G 基础上提升了 20 倍。报告长官,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(或基地台)接收到的每一 bit 都要经过频道译码器,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(注:译码器是频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 Turbo 码的原因之一,因为 4G 的最大速率不过 1Gbps,传统 Turbo 码透过迭代译码,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,也请容许我再囉嗦一下。

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,是因为我们在体验扩增实境、远程控制和游戏时,需要传送到云端处理,并即时传回,这一来回的过程时延一定要够低,低到用户无法察觉。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,还受其他因素影响(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,而频道编码表示压力更大,层层传递嘛。

但是,这点压力还不够,5G 表示还能对抗。

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、高清影像等等各种应用,较之 3 / 4G 只有语音和数据业务,5G 可繁忙多了。

这就对 5G 频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,长码块应用于高清影像,低编码率应用于基地台分布稀疏的农村站点,高编码率应用于密集区域。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讯。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,只允许频道译码器犯一次错,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 3 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,有厂商证明,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 6,144,一共有 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,海外通讯圈就有一篇文章疯传,华为表示,采用 Polar 码完成了 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,这是要营运商买新基地台设备的,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,而译码器是整个基频处理器的重要组成部分,占据了近 72% 的基频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,只能说明中国通讯崛起,国际地位明显提升,早已今非昔比。

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