华为Polar码,让中国5G有了“码”妈?!

NEWS ONE

时间:2016年10月14日

地点:葡萄牙里斯本,阿尔蒂斯大酒店

人物:350名来自世界各地的通信精英

事件:

这里正在举行的是3GPP TSG RAN WG1会议。这个深夜,他们将决定下一代移动通信系统——5G新无线(NR)的命运。和以往一样,剧情老套。几百份提案,无数次讨论之后,情节将发展到高潮——主席先生将试图引导大家将这场争论引向一个最终的结论,一个明智的结论。

争论的三方,分别代表其支持的物理层编码技术:

Turbo码阵营代表:Orange和爱立信。Turbo码已使用于3G、4G,以及4.5G。

LDPC阵营代表:高通、NOKIA、Intel和三星。LDPC应用于WiFi产品。

Polar码阵营代表:华为。Polar码似乎有点孤单,目前还没有大规模应用采纳。

LDPC阵营认为,Turbo码译码时延大,不适用于5G高速率、低时延应用场景。Turbo码阵营反驳,在3/4G应用中不断改进的Turbo码是能够满足5G极端场景的。每个阵营都给出了充分的理由,不容忽视的关键因素,逻辑清晰,言辞激昂。

最终,会议确定5G将使用LDPC码作为移动宽带增强(eMBB)场景业务数据的长码块编码方案。

NEWS TWO

时间:11月16日

地点:美国里诺

人物:来自世界各地的通信精英

事件:

本次会议中有一项内容是决定5G短码块的信道编码方案,三种短码编码方案依然是Turbo码、LDPC码和Polar码。

以华为为代表的公司支持Polar Code作为短码信道控制编码方案,一起共签的公司,包括中兴、Vivo、OPPO、小米、阿里巴巴、联想、中国联通、中国电信、中国移动、大唐电信、展讯、中国移动研究院、信威通信、酷派、宏基、联发科、台湾大学,美国的Dish Network,日本的东芝等。他们选择共签方案,代表着选择和华为“站同一条船”。

基于上个月,以高通为代表支持的LDPC码已经被采纳为5G eMBB场景的数据信道的长码块编码方案,已经拿下一局的LDPC码极有优势,而Turbo码基本大势已去,于是本次的5G编码之争演变为了LDPC码和Polar码之间的争霸赛。

17日凌晨0点45分,最终的方案确定了。国际移动通信标准化组织3GPP确定了极化码(Polar Code)作为5G eMBB(增强移动宽带)场景的控制信道编码方案。

Polar码和LDPC码一起历史性的走进蜂窝移动通信系统,这两幕确定的5G标准结局确实是一个令人振奋的消息,这是首次有中国公司进入了基础通信框架协议领域,为自己争取到一定话语权。不过,由此也引发了国内的一大波“爱国鸡汤党”的狂欢,“5G标准中国定”、“华为碾压高通拿下5G时代”各种标题刷爆朋友圈。

LDPC码、Turbo码、Polar码的“爱恨情仇”

Polar码到底是什么,可以从身边的例子讲起。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。

这里要提到一位现代信息论的奠基人香农,他在1948年发表了《通信的数学理论》,标志着信息与编码理论这一学科的创立。根据香农定理,要想在一个带宽确定而存在噪声的信道里可靠地传送信号,无非有两种途径:加大信噪比,或在信号编码中加入附加的纠错码。

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码和Turbo码。

1962年,LDPC码是由MIT的教授Robert Gallager提出,不仅有逼近香农的良好性能,而且译码复杂度较低,结构灵活。LDPC发明后,限于当时的电子技术条件,缺乏可行的译码算法,此后30多年基本被人们忽视。

1993年法国科学家C.Berrou和A.Glavieux等人发明了Turbo码,Turbo码被3G和4G标准采纳。

受Turbo码的启发,人们又对LDPC码进行了再发明,发现了LDPC在性能上比Turbo还要好。1995年前后,MacKay和Neal等人对LDPC码重新进行了研究,提出了可行的译码算法,从而进一步发现了LDPC码所具有的良好性能。后来,LDPC码被WiFi标准采纳。正是高通将LDPC码正式推向大规模的商业应用。

而直到2007年,Robert Gallager教授曾经的学生——土耳其教授E. Arikan,又提出了Polar码,其论文从理论上第一次严格证明了在二进制输入对称离散无记忆信道下,Polar Code可以“达到”香农容量,并且具有可实用的线性复杂度编译码能力的信道编码技术。各通信巨头都对Polar进行了研究,这里面也包括华为。

所以,Polar码并非华为提出的,LDPC码也不是高通发明的,他们仅仅是把信道编码技术引入通信技术的推动者。如今,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。但是这三种编码孰优孰劣,各方还在争论不休,很难界定。

Polar码的采用不代表华为的胜利

传言:

美国高通之所以能横行霸道,是因为高通目前在无线通讯技术领域的实力非常强大,全世界在这一领域的公司都惧怕高通,特别是国产厂商几乎都要看其脸色。

今天,华为终于在核心技术上突破了高通垄断的局面,这也是中国通信核心技术第一次占领至高点!他们用努力颠覆了高通的霸局,也告诉世界,核心技术不再是西方列强的霸权!

不同于外界的激烈反应,当事方华为19日只发布了不到500字的新闻通报,表示“华为作为中国IMT-2020 (5G)推进组的成员,参与了Polar码的研究与创新”,没有明确的阐述华为背后做出的努力,语气也非常的客观。事实上,一般主要的大公司对所有的码都是有所准备的,高通内部有针对Polar码的研究专家,华为对LDPC码也一直有关注和研发。

前华为工程师、通信专家杨学志也表示,整个5G从创新角度来看没有很高的技术突破,但是整个产业将重新洗牌。LDPC主导了5G中长编码以及短码的数据传输编码,华为虽然在LDPC上积累颇多,但高通作为推动者却赢得了话语权,为后续的专利谈判和诉讼赢得主动地位。华为只得到了极化码(Polar Code)信令控制,虽然也是突破但未必满意。

5G标准才刚刚开始。按照3GPP规划,5G标准制定分为编码和方案两个阶段,而编码又分为三种场景(移动通信+物联网+应急通信),此次属于编码阶段的第一种场景(移动通信),在17年4月份前还需要确定另外2种场景的编码,然后再进入方案阶段(17年4月-18/19年)。

从华为入选的Polar code来说,目前只是选定技术方向(Technical support),这就相当于先确定比赛比什么,或者说做什么产品,后面方案阶段更为重要,方案相当于是具体的比赛规则和详细的产品制造标准,真正入选了方案以后国际电联批准真正的标准才算落地,才能为自己在未来的产业发展中奠定更坚实的基础:不用像过去一样给高通等公司交专利费,反而可能问其他公司收专利费,同时自己做芯片/器件/设备也更容易。当然,技术标准方向大概率不会变化了,但是最后具体方案花落谁家,没有定数,只是华为占据先发优势。

而在这次会议中,在决定短码的编程方案时,也出现了无数次的妥协。最后的结果是在信道长度不大于一定值的情况下,才能用极化码(Polar Code)作为控制信道的编码方案,超过这个数值就无法使用,限制非常多。

LDPC码、Polar码都只是5G场景中的一部分

传言:

当会议进行到最关键的时段,也就是最关键的短码之战,争论也异常激烈,几乎所有的公司都参与其中,关注编码方案的与会者更是爆满。最终,支持华为公司提案的公司达到了59个,以绝对优势赢下了至关重要的一环,Polar code最终成为控制信道上行和下行的编码方案。

华为Polar码的胜利,标志着中国通信标准从追随、持平到引领的跨越,代表中国通信真正崛起。今后,全球的5G技术标准将由中国企业参与一起制定。中国通讯业的江湖盟主地位,正式确立!在5G时代华为很可能一统天下。

本次所谓的“5G争夺战”,其实会议上讨论的编码方案仅仅是针对eMBB场景,而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。

在eMBB之后,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。而在核心的5GeMBB场景上,Polar为信令信道编码方案,LDPC码为数据信道编码方案,两者平分秋色。中国并没有得到什么“关键”、“主导”的权利,华为力推的极化码(Polar Code)拿到短码控制信道的编码方案,只能算是阶段性的胜利。

Polar码的发明者埃达尔教授认为,不管是LDPC码还是极化码(Polar Code),他都很乐意看到这两类代码从大学的理论研究中走出来,去影响“现实生活”。至于从编码方法来比较,两者各有正反面,这也是为什么两者都出现在5G的指定标准当中。

一个5G编码反应的“利益博弈”

3GPP将Polar码确定为5G eMBB场景控制信道的编码方案,不过是5G标准的一部分,却在国内引发了一场全民轰动,最根本原因,在于这是中国通信技术的一大进步,是综合实力和话语权的较量。

虽然2G时代欧洲的GSM取得了胜利,但高通公司主导的Viterbi译码算法把军用的CDMA技术用于民用通信,让产业界相信CDMA代表了无线通信技术的发展方向。因此3G时代,WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA都采用了CDMA技术。如今,高通的绝大部分利润就来自于基于该技术标准的专利授权。

3G时代,中国虽然自主研发了TD-SCDMA,但是技术上依然无法与其相提并论。即便到了4G时代,中国TD-LTE有了一定的突破,但是其核心长码编码Turbo码和短码咬尾卷积码,都不是中国原创的技术,这就导致美国高通动不动就控告中国公司侵权,索取额外专利费。

此次华为主导推动的Polar 码被3GPP采纳为5GeMBB控制信道标准方案,是中国在5G移动通信技术研究和标准化上的重要进展。如此来看,也就明白一个Polar码为何会在业界引起轰动了。

据了解华为在Polar标准当中的核心专利占比70%,高通也占据LDPC相关的大部分专利。所以,未来一旦商用产品、方案使用到相关专利,华为、高通就可收取相应专利费,位于产业链最顶端、利润最丰富、话语权最大。

其次,支持两种技术的联盟厂家,像支持Polarcode背后的有中兴、联想、大唐、中国移动、电信、联通等多个厂家;支持LDPC的有高通、爱立信、英特尔等。我们认为,一方面未来在专利授权上面这些联盟厂商会有优势(成本、技术支持等方面);另一方面,支持其技术的背后厂家,也在研究、开发、未来具体的产品、方案中具有先发优势;

而从全球通信发展的角度来看,三个编码中,Turbo码被3/4G标准采用,LDPC被WiFi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。作为一个新方案,Polar码在3GPP里争议还是比较大的。

以后5G手机也要支持3G和4G,而3G和4G采用Turbo码,5G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,也可能会稍微拉长5G商用化的时间。

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