華為主推的PolarCode極化碼方案到底是什么

　　自現(xiàn)代通信技術(shù)誕生以來(lái)，以更低的代價(jià)（信號(hào)功率、信號(hào)帶寬等）實(shí)現(xiàn)更可靠的通信一直是信息技術(shù)領(lǐng)域的核心課題。信道編碼技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)物理層最核心的基礎(chǔ)技術(shù)之一，它的主要目的是使數(shù)字信號(hào)能夠進(jìn)行可靠的傳遞。信道編碼技術(shù)通過(guò)在發(fā)送信息序列的基礎(chǔ)上增加額外的校驗(yàn)比特，并在收端采用一定的譯碼技術(shù)以較高的概率對(duì)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的差錯(cuò)進(jìn)行糾正，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送信息序列的正確接收。

　　編碼和調(diào)制是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中最核心最深?yuàn)W的部分，被稱(chēng)為頂級(jí)的通信技術(shù)。信道編解碼在基礎(chǔ)通信框架中位于物理層位置，其性能的改進(jìn)將直接提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶(hù)傳輸速率。在此次3GPP的RAN1（無(wú)線(xiàn)物理層）87次會(huì)議上，確定了中國(guó)華為公司主導(dǎo)的Polar碼作為控制信道的編碼方案，美國(guó)高通公司主導(dǎo)的LDPC碼作為數(shù)據(jù)信道的編碼方案。

　　值得我們記住的是，Polar Code，極化碼。2016年11月17日凌晨0點(diǎn)45分，在3GPP RAN1 87次會(huì)議的5G短碼方案討論中，歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦，中國(guó)華為公司的Polar Code（極化碼）方案，最終戰(zhàn)勝列強(qiáng)，成為5G控制信道eMBB場(chǎng)景編碼最終方案。

　　Polar code最終成為控制信道上行和下行的編碼方案。而數(shù)據(jù)信道的上行和下行短碼方案則歸屬高通LDPC碼。Polar Code是人類(lèi)已知的第一種能夠被嚴(yán)格證明達(dá)到香農(nóng)極限的信道編碼方法，糾錯(cuò)性能超過(guò)目前廣泛使用的Turbo碼和LDPC碼，最終成為信道控制編碼方案。華為與澳大利亞運(yùn)營(yíng)商O(píng)ptus合作完成了5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，使用73GHz超高頻段實(shí)現(xiàn)了高達(dá)35Gbps的傳輸速率。

　　這是中國(guó)公司首次進(jìn)入基礎(chǔ)通信框架協(xié)議領(lǐng)域，對(duì)比以往2G、3G、4G時(shí)代來(lái)看，其最大意義在于加大了中國(guó)企業(yè)在全球通信領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

　　什么是polar code極化碼

　　為了實(shí)現(xiàn)可靠的信號(hào)傳輸，編碼學(xué)家在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)提出多種糾錯(cuò)碼技術(shù)如里所碼（RS碼）、卷積碼，Turbo碼等，并在各種通信系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用。但是以往所有實(shí)用的編碼方法都未能到香農(nóng)于1948年所給出的信道傳輸?shù)娜萘繕O限（也稱(chēng)為香農(nóng)界）。2008年在國(guó)際信息論ISIT會(huì)議上，Arikan首次提出了信道極化的概念，基于該理論，他給出了人類(lèi)已知的第一種能夠被嚴(yán)格證明達(dá)到信道容量的信道編碼方法，并命名為極化碼（Polar Code）。Polar碼具有明確而簡(jiǎn)單的編碼及譯碼算法。通過(guò)信道編碼學(xué)者的不斷努力，當(dāng)前Polar碼所能達(dá)到的糾錯(cuò)性能超過(guò)目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼。

　　極化碼（polar code）是由土耳其畢爾肯大學(xué)（bilkent）Erdal Arikan教授于2008年首次提出，其論文從理論上第一次嚴(yán)格證明了在二進(jìn)制輸入對(duì)稱(chēng)離散無(wú)記憶信道下，極化碼可以“達(dá)到”香農(nóng)容量，并且有著低的編碼和譯碼復(fù)雜度。從某種意義上說(shuō)，極化碼“理論上”解決了近60年來(lái)信息論和編碼領(lǐng)域一直想要解決的問(wèn)題。

　　雖然極化碼的理論很優(yōu)美，但其實(shí)際性能從其剛出現(xiàn)時(shí)還不太理想（“理論上”是指當(dāng)碼長(zhǎng)趨向于無(wú)窮時(shí)的性能；“實(shí)際”是指有限長(zhǎng)度碼長(zhǎng)）。但近年來(lái)，極化碼實(shí)際構(gòu)造方法和列表連續(xù)消去譯碼算法（list successive cancellaTIon decoding）等技術(shù)的提出，極化碼的整體性能在某些應(yīng)用場(chǎng)景中取得了和當(dāng)前最先進(jìn)的信道編碼技術(shù)Turbo碼和低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC碼）相同或更優(yōu)的性能。

　　在這里我們?cè)僬務(wù)刟rikan教授發(fā)明極化碼時(shí)所提到的2*2矩陣為核的極化碼的三大要點(diǎn)：（以下三點(diǎn)，或者是極化碼在信道編碼中最核心的創(chuàng)新。）

　　1.上鞅收斂：構(gòu)造了一個(gè)信道變換，如果不斷遞歸這個(gè)變換并隨機(jī)挑選變換結(jié)果的話(huà)，則變換結(jié)果的巴氏參數(shù)（Bhattacharya parameter）構(gòu)成一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。arikan證明這個(gè)隨機(jī)過(guò)程是一個(gè)上鞅，再利用上鞅中的隨機(jī)變量序列a.s收斂和按期望收斂，證明收斂結(jié)果為一個(gè)二值隨機(jī)變量。再證明這個(gè)二值隨機(jī)變量為0的概率是二元離散對(duì)稱(chēng)無(wú)記憶信道容量I， 推斷證明碼長(zhǎng)n無(wú)窮的時(shí)候可以挑出約nI個(gè)巴氏參數(shù)逼近0的無(wú)失真子信道，這就證明了信道極化是信道容量可達(dá)的。FoundaTIon and trends里面polar章節(jié)，有另外一種證明方法，初等一些。

　　2.SC譯碼：有了好碼還需要有好的譯碼算法。香農(nóng)和Gallager都已經(jīng)證明，大部分碼都是好碼，只缺好的，多項(xiàng)式復(fù)雜度的譯碼算法。arikan使用信道變換中的遞歸結(jié)構(gòu)，先譯“壞”信道的結(jié)果，甚至凍結(jié)“壞”信道的譯碼結(jié)果為0（降低碼率），然后作為“好”信道譯碼的依據(jù)。復(fù)雜度是超線(xiàn)性的，非常Nice.

　　由于理論和實(shí)際兩方面的優(yōu)越性，極化碼的研究已成為信息論與編碼以及通信領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)研究。目前華為公司正極力推動(dòng)極化碼進(jìn)入5G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　此次華為主導(dǎo)推動(dòng)的Polar Code碼被3GPP采納為5GeMBB控制信道標(biāo)準(zhǔn)方案，是中國(guó)在5G移動(dòng)通信技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化上的重要進(jìn)展。

　　標(biāo)準(zhǔn)=話(huà)語(yǔ)權(quán)

　　誰(shuí)掌握了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)即擁有了話(huà)語(yǔ)權(quán)和制高點(diǎn)，30年前，高通公司把軍用的CDMA技術(shù)用于民用通信，推出了IS-95標(biāo)準(zhǔn)，成為與歐洲的GSM競(jìng)爭(zhēng)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，也就是我們常說(shuō)的2G時(shí)代。

　　2G時(shí)代，GSM取得了勝利，但高通公司主導(dǎo)的Viterbi譯碼算法讓產(chǎn)業(yè)界相信了CDMA代表了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展方向，因此3G時(shí)代，WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA都采用了CDMA技術(shù)。如今，高通的絕大部分利潤(rùn)就來(lái)自于基于該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)利授權(quán)。

　　在3G時(shí)代，中國(guó)雖然自主研發(fā)了TD-SCDMA，但是技術(shù)上依然無(wú)法與其相提并論。即便到了4G時(shí)代，中國(guó)TD-LTE有了一定的突破，但是其核心長(zhǎng)碼編碼Turbo碼和短碼咬尾卷積碼，都不是中國(guó)原創(chuàng)的技術(shù)。這就導(dǎo)致美國(guó)高通動(dòng)不動(dòng)就控告中國(guó)公司侵權(quán)，索取額外專(zhuān)利費(fèi)。

　　2016年將成5G標(biāo)準(zhǔn)的元年，與3G、4G時(shí)代的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并存不同的是，5G有望實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)中的話(huà)語(yǔ)權(quán)必然要爭(zhēng)，那就要看在各個(gè)環(huán)節(jié)參與的程度，而更多技術(shù)被5G標(biāo)準(zhǔn)使用和確認(rèn)必然會(huì)讓企業(yè)未來(lái)?yè)碛懈嗟膶?zhuān)利儲(chǔ)備。