Polar碼被采納為5G eMBB場(chǎng)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(bào)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(shí)之嫌，小編終于坐不住了，也想吐露點(diǎn)心里話，希望盡可能站在客觀的角度，在這個(gè)浮躁的世界里發(fā)出一點(diǎn)微不足道的聲音，一個(gè)通信工程師的聲音。

　　事件經(jīng)過我們?cè)倩厮菀槐椤?/p>

　　2016年11月14日至18日期間，3GPP RAN1 #87會(huì)議在美國(guó)Reno召開，本次會(huì)議其中一項(xiàng)內(nèi)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(guān)于這三種編碼方案之爭(zhēng)，這已經(jīng)是5G標(biāo)準(zhǔn)的第二次較量。在2016年10月14日葡萄牙里斯本舉行的會(huì)議上，LDPC碼戰(zhàn)勝了Turbo碼和Polar碼，被采納為5G eMBB場(chǎng)景的數(shù)據(jù)信道的長(zhǎng)碼塊編碼方案。

　　在這個(gè)背景下，這一次關(guān)于短碼塊編碼方案的爭(zhēng)論更為激烈。因?yàn)長(zhǎng)DPC碼已經(jīng)拿下一局，出于實(shí)施復(fù)雜性考慮，整個(gè)移動(dòng)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(jì)會(huì)有更多人支持LDPC碼。

　　這樣一來，主要由美國(guó)企業(yè)主導(dǎo)的LDPC碼有可能一統(tǒng)5G天下，而華為等中國(guó)企業(yè)主導(dǎo)的Polar碼將前功盡棄。

　　由于拋棄Turbo碼的呼聲較大，在上次會(huì)議失利之后，可以說Turbo碼基本大勢(shì)已去，本次5G編碼之爭(zhēng)最終演變?yōu)镻olar碼和LDPC碼之間的拳擊爭(zhēng)霸賽，一場(chǎng)中美拳擊爭(zhēng)霸賽。

　　最終，經(jīng)過連續(xù)熬夜的激戰(zhàn)后，Polar碼終于在5G核心標(biāo)準(zhǔn)上扳回一局，成為5G eMBB場(chǎng)景的控制信道編碼方案。

　　自此，經(jīng)過兩次激戰(zhàn)，在5G eMBB場(chǎng)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(shù)據(jù)信道編碼方案。Polar碼和LDPC碼一起歷史性的走進(jìn)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，而在3G和4G時(shí)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(shí)是一個(gè)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(duì)于主導(dǎo)Polar碼的華為和中國(guó)企業(yè)絕對(duì)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(bào)道，恕我直言，太過浮夸。

　　1、不是“拿下5G時(shí)代”

　　在5G eMBB場(chǎng)景上，Polar為信令信道編碼方案，LDPC碼為數(shù)據(jù)信道編碼方案，最多叫平分秋色。同時(shí)，后面還有很多路要走。

　　我們?cè)谇拔闹刑岬降膃MBB場(chǎng)景不過是5G應(yīng)用的其中一個(gè)場(chǎng)景。3GPP定義了5G三大場(chǎng)景：eMBB、mMTC和URLLC。eMBB對(duì)應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，mMTC對(duì)應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，而URLLC對(duì)應(yīng)的是如無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延高可靠連接的業(yè)務(wù)。

　　本次采納的編碼方案是針對(duì)其中eMBB場(chǎng)景，后續(xù)還將決定URLLC場(chǎng)景下的信道編碼方案，最后再?zèng)Q定mMTC場(chǎng)景（估計(jì)在2017年第一季度）。

　　盡管此次采納Polar碼為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，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(guó)科學(xué)家C.Berrou和A.Glavieux發(fā)明。從1993年開始，通信領(lǐng)域開始對(duì)其研究。隨后，Turbo碼被3G和4G標(biāo)準(zhǔn)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(nóng)極限的信道編碼，不過，受限于當(dāng)時(shí)環(huán)境，難以克服計(jì)算復(fù)雜性，隨后被人遺忘。直到1996年才引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。后來，LDPC碼被WiFi標(biāo)準(zhǔn)采納。

　　Polar碼是由土耳其比爾肯大學(xué)教授E. Arikan在2007年提出，2009年開始引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。

　　簡(jiǎn)而言之，信道編碼是數(shù)學(xué)家們?cè)瓌?chuàng)出理論，通信就是跟著數(shù)學(xué)家們跑，在他們的理論基礎(chǔ)上不斷研究試驗(yàn)，使之落地于實(shí)際應(yīng)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(shù)，就開始對(duì)其研究，一旦賭贏了，那么我的研究成果就能快速落地應(yīng)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(lǐng)域更具影響力。當(dāng)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(gè)人以為，媒體們不能因?yàn)樘^興奮而忽略了數(shù)學(xué)家們的貢獻(xiàn)，更不能張冠李戴，有些東西是沒有國(guó)界的。

　　3、為何5G采納了Polar碼？

　　這個(gè)小標(biāo)題應(yīng)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(dāng)我們拿起手機(jī)刷朋友圈時(shí)，數(shù)據(jù)通過無線信號(hào)在手機(jī)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(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和基站接收到數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)不一致，比如，我們手機(jī)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(cuò)，移動(dòng)通信系統(tǒng)就引入了信道編碼技術(shù)。

　　信道編碼，簡(jiǎn)單的講，就是我們?cè)谟蠯比特的數(shù)據(jù)塊中插入冗余比特，形成一個(gè)更長(zhǎng)的碼塊，這個(gè)碼塊的長(zhǎng)度為N比特位，N》K，N-K就是用于檢測(cè)和糾錯(cuò)的冗余比特，編碼率R就是K/N。一個(gè)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(xiàn)了兩種接近容量極限的信道編碼技術(shù)：LDPC和Turbo碼，分別被3G和4G通信標(biāo)準(zhǔn)和WiFi標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)的唯一一類能夠達(dá)到香農(nóng)限的編碼方法。

　　所以，這三種優(yōu)秀的編碼技術(shù)均進(jìn)入5G編碼標(biāo)準(zhǔn)的法眼，并引發(fā)了一場(chǎng)爭(zhēng)奪賽。

　　為何這場(chǎng)爭(zhēng)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(shí)延0.5ms（URLLC）。

　　這個(gè)KPI定的太高，在4G基礎(chǔ)上提升了20倍。報(bào)告領(lǐng)導(dǎo)，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(jī)（或基站）接收到的每一bit都要經(jīng)過信道譯碼器，20Gbps就相當(dāng)于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)。

　　舉個(gè)例子，20 Gbps就意味著譯碼吞吐量T為20 Gbps，假設(shè)譯碼迭代次數(shù)I為10次，處理器的時(shí)鐘頻率F為500 MHz，那么，I *T /F = 10*20G/500M=400，也就是說需要400個(gè)處理器并行工作。

　?。▊渥ⅲ鹤g碼器是信道編碼最難實(shí)現(xiàn)的一環(huán)）

　　這也是為何很多人選擇放棄3G和4G時(shí)代使用的Turbo碼的原因之一，因?yàn)?G的最大速率不過1Gbps，傳統(tǒng)Turbo碼通過迭代譯碼，本質(zhì)上源于串行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以，有人認(rèn)為Turbo遇上更高速率的5G時(shí)就遇到了瓶頸。

　　比如LDPC譯碼器是基于并行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這意味著譯碼的時(shí)候可以并行同時(shí)處理，不但能處理較大的數(shù)據(jù)量，還能減少處理時(shí)延。盡管可以采用外部并行的方式，但又帶來了時(shí)延問題。

　　對(duì)于時(shí)延，出于技術(shù)宅的本能，也請(qǐng)容許我再啰嗦一下。

　　5G NR的URLLC應(yīng)用場(chǎng)景要求用戶面時(shí)延為0.5ms，這是4G 10ms的二十分之一。之所以要求這么高的時(shí)延，是因?yàn)槲覀冊(cè)隗w驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程控制和游戲等業(yè)務(wù)時(shí)，需要傳送到云端處理，并實(shí)時(shí)傳回，這一來回的過程時(shí)延一定要足夠低，低到用戶無法覺察到。另外，機(jī)器對(duì)時(shí)延比人類更敏感，對(duì)時(shí)延要求更高，尤其是5G的車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)工廠和遠(yuǎn)程機(jī)器人等應(yīng)用。

　　空口0.5ms時(shí)延意味著物理層的時(shí)延不能超過50μs，而物理層時(shí)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(shí)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(guó)人從南到北，從東向西轉(zhuǎn)移一次，“數(shù)據(jù)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(diǎn)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(chǎng)景：eMBB、mMTC和URLLC，這些場(chǎng)景對(duì)應(yīng)5G的AR、VR、車聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等等各種應(yīng)用，較之3/4G只有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，5G可繁忙多了。

　　這就對(duì)5G信道編碼提出了更高要求，需支持更廣泛的碼塊長(zhǎng)度和更多的編碼率。比如，短碼塊應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，長(zhǎng)碼塊應(yīng)用于高清視頻，低編碼率應(yīng)用于基站分布稀疏的農(nóng)村站點(diǎn)，高編碼率應(yīng)用于密集城區(qū)。如果大家都用同樣的編碼率，這就會(huì)造成數(shù)據(jù)比特浪費(fèi)，進(jìn)而浪費(fèi)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(duì)一般數(shù)據(jù)的空口誤塊率要求初始傳輸為10%，經(jīng)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(gè)碼塊中，只允許信道譯碼器犯一次錯(cuò)，最多只能有一個(gè)碼塊不能糾錯(cuò)。

　　綜上，決定5G采用哪種編碼方式的因素就是：譯碼吞吐量、時(shí)延、糾錯(cuò)能力、靈活性，還有實(shí)施復(fù)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(shí)延、糾錯(cuò)能力、靈活性和實(shí)施復(fù)雜性，誰更強(qiáng)的呢？

　　小編查閱了最新的大量文獻(xiàn)，結(jié)果是：被搞得暈頭轉(zhuǎn)向，一臉懵逼。這個(gè)問題太復(fù)雜了，公說公有理婆說婆有理。

　　比如，有人認(rèn)為，Turbo碼達(dá)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(shè)計(jì)的Turbo譯碼器的譯碼吞吐量能到21.9 Gbps，處理時(shí)延可達(dá)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(shí)執(zhí)行的Max，Min和Add操作的總次數(shù)來衡量計(jì)算復(fù)雜度，有人認(rèn)為Polar碼和LDPC碼在計(jì)算復(fù)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(zhǎng)度從40到6144，一共有188 種，可以支持不同的業(yè)務(wù)，而采用多個(gè)并行處理器來同時(shí)完成碼塊譯碼的Turbo碼，能更靈活支持不同的碼塊長(zhǎng)度。

　　…

　　小編試圖從技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)采用，LDPC被Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)采用，而Polar碼出現(xiàn)較晚，在5G之前還沒有任何標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)前，海外通信圈就有一篇文章瘋傳，華為表示，采用Polar碼實(shí)現(xiàn)了5G速率達(dá)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(shù)，是更新?lián)Q代，不是像2G—》2.5G或4G—》4.5G那樣，現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)即可，這是要運(yùn)營(yíng)商買新基站設(shè)備的，所以，其實(shí)不用考慮后向兼容性。

　　不過，對(duì)于終端就是另外一回事了?，F(xiàn)在的4G手機(jī)支持2G和3G，同樣，以后5G手機(jī)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(jī)要采用兩套硬件設(shè)計(jì)，而譯碼器是整個(gè)基帶處理器的重要組成部分，占據(jù)了近72%的基帶處理硬件資源和功耗，這可能會(huì)導(dǎo)致5G終端成本稍高一點(diǎn)，也可能會(huì)稍微拉長(zhǎng)一點(diǎn)5G商用化的時(shí)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(diǎn)又有什么關(guān)系呢，無非是為了更好的體驗(yàn)多花一點(diǎn)時(shí)間而已。

　　所以，關(guān)于5G為何采納Polar碼，我們的結(jié)論是：

　　技術(shù)分析并沒有什么卵用。

　　因?yàn)?，這一場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)，在我們看來，早已超越了技術(shù)的邊界，而是綜合實(shí)力和話語權(quán)的較量。

　　Polar碼最終能夠勝出，只能說明中國(guó)通信的崛起，國(guó)際地位明顯提升，早已今非昔比。