玉溪中公教育27899062018-05-14 11:57:41Polar碼被採納為5G eMBB場景的控制通道編碼，這兩天連續被這條訊息刷屏，連吃瓜群眾都直呼好爽。
然而，隨著媒體報道的持續發酵，真相在口口相傳中變了形，不乏誇大不實之嫌，小編終於坐不住了，也想吐露點心裡話，希望儘可能站在客觀的角度，在這個浮躁的世界裡發出一點微不足道的聲音，一個通訊工程師的聲音。
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短碼塊的通道編碼方案，其中，提出了三種短碼編碼方案：Turbo碼、LDPC碼和Polar碼。
關於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碼戰勝了Turbo碼和Polar碼，被採納為5G eMBB場景的資料通道的長碼塊編碼方案。
在這個背景下，這一次關於短碼塊編碼方案的爭論更為激烈。因為LDPC碼已經拿下一局，出於實施複雜性考慮，整個移動通訊系統採用單一的編碼方案更利於5G部署，比如，3G和4G採用的是Turbo碼，估計會有更多人支援LDPC碼。
這樣一來，主要由美國企業主導的LDPC碼有可能一統5G天下，而華為等中國企業主導的Polar碼將前功盡棄。
由於拋棄Turbo碼的呼聲較大，在上次會議失利之後，可以說Turbo碼基本大勢已去，本次5G編碼之爭最終演變為Polar碼和LDPC碼之間的拳擊爭霸賽，一場中美拳擊爭霸賽。
最終，經過連續熬夜的激戰後，Polar碼終於在5G核心標準上扳回一局，成為5G eMBB場景的控制通道編碼方案。
自此，經過兩次激戰，在5G eMBB場景上，Polar碼和LDPC碼二分天下，前者為信令通道編碼方案，後者為資料通道編碼方案。Polar碼和LDPC碼一起歷史性的走進蜂窩移動通訊系統，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訊息，如果說用力挽狂瀾來形容，我覺得並不為過。
這對於主導Polar碼的華為和中國企業絕對利好，畢竟，多年在Polar碼上研發投入終於有了盼頭。
但是，我們看到有些媒體的報道，恕我直言，太過浮誇。
1 不是“拿下5G時代”
在5G eMBB場景上，Polar為信令通道編碼方案，LDPC碼為資料通道編碼方案，最多叫平分秋色。同時，後面還有很多路要走。
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/超高畫質影片等大流量移動寬頻業務，mMTC對應的是大規模物聯網業務，而URLLC對應的是如無人駕駛、工業自動化等需要低時延高可靠連線的業務。
本次採納的編碼方案是針對其中eMBB場景，後續還將決定URLLC場景下的通道編碼方案，最後再決定mMTC場景（估計在2017年第一季度）。儘管此次採納Polar碼為後續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
這要從通道編碼的歷史說起。
Turbo碼是由法國科學家C。Berrou和A。Glavieux發明。從1993年開始，通訊領域開始對其研究。隨後，Turbo碼被3G和4G標準採納。
LDPC碼是由MIT的教授 Robert Gallager在1962年提出，這是最早提出的逼近夏農極限的通道編碼，不過，受限於當時環境，難以克服計算複雜性，隨後被人遺忘。直到1996年才引起通訊領域的關注。後來，LDPC碼被WiFi標準採納。
Polar碼是由土耳其比爾肯大學教授E。 Arikan在2007年提出，2009年開始引起通訊領域的關注。
簡而言之，通道編碼是數學家們原創出理論，通訊就是跟著數學家們跑，在他們的理論基礎上不斷研究試驗，使之落地於實際應用。
為什麼有些公司力挺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，那麼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，儘管這次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採納了Polar碼？
這個小標題應該叫：5G為何採納了Polar碼和LDPC碼？又為何放棄了Trubo碼？
先從什麼叫通道編碼說起。當我們拿起手機刷朋友圈時，資料透過無線訊號在手機和基站間傳送。由於受到無線干擾、弱覆蓋等原因影響，我們手機發送的資料和基站接收到資料有時會不一致，比如，我們手機發送的1 0 0 1 0，而基站接收到的卻是1 1 0 1 0，為了糾錯，移動通訊系統就引入了通道編碼技術。
通道編碼，簡單的講，就是我們在有K位元的資料塊中插入冗餘位元，形成一個更長的碼塊，這個碼塊的長度為N位元位，N>K，N-K就是用於檢測和糾錯的冗餘位元，編位元速率R就是K/N。一個好的通道編碼，是在一定的編位元速率下，能無限接入通道容量的理論極限。
在過去幾十年裡，出現了兩種接近容量極限的通道編碼技術：LDPC和Turbo碼，分別被3G和4G通訊標準和WiFi標準採納。2007年，土耳其教授E。 Arikan提出了Polar碼，被稱為是迄今發現的唯一一類能夠達到夏農限的編碼方法。
所以，這三種優秀的編碼技術均進入5G編碼標準的法眼，並引發了一場爭奪賽。
為何這場爭奪賽這麼激烈？都是KPI惹的禍。
5G NR（New Radio）的KPI裡，明確規定：峰值速率20Gbps、使用者面時延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，由於手機（或基站）接收到的每一bit都要經過通道譯碼器，20Gbps就相當於譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit資料。
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，那麼，I *T /F = 10*20G/500M=400，也就是說需要400個處理器並行工作。
（備註：譯碼器是通道編碼最難實現的一環）
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Turbo碼透過迭代譯碼，本質上源於序列的內部結構，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譯碼器是基於並行的內部結構，這意味著譯碼的時候可以並行同時處理，不但能處理較大的資料量，還能減少處理時延。儘管可以採用外部並行的方式，但又帶來了時延問題。
對於時延，出於技術宅的本能，也請容許我再囉嗦一下。
5G NR的URLLC應用場景要求使用者面時延為0。5ms，這是4G 10ms的二十分之一。之所以要求這麼高的時延，是因為我們在體驗增強現實、遠端控制和遊戲等業務時，需要傳送到雲端處理，並實時傳回，這一來回的過程時延一定要足夠低，低到使用者無法覺察到。另外，機器對時延比人類更敏感，對時延要求更高，尤其是5G的車聯網、自動工廠和遠端機器人等應用。
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於50μs，越低越好。
總得來說，這就好比春節的航班，人流太多，要把幾億中國人從南到北，從東向西轉移一次，“資料量”太大，這就需要多開航班，並且加快航行速度。
“航班公司”5G NR表示鴨梨山大，而通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、車聯網、大規模物聯網、高畫質影片等等各種應用，較之3/4G只有語音和資料業務，5G可繁忙多了。
這就對5G通道編碼提出了更高要求，需支援更廣泛的碼塊長度和更多的編位元速率。比如，短碼塊應用於物聯網，長碼塊應用於高畫質影片，低編位元速率應用於基站分佈稀疏的農村站點，高編位元速率應用於密集城區。如果大家都用同樣的編位元速率，這就會造成資料位元浪費，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訊。LTE對一般資料的空口誤塊率要求初始傳輸為10%，經過幾次重傳後，誤塊率如果低於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，只允許通道譯碼器犯一次錯，最多隻能有一個碼塊不能糾錯。
綜上，決定5G採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，還有實施複雜性、成熟度和後向相容性等。
比較一下三種編碼的譯碼吞吐量、時延、糾錯能力、靈活性和實施複雜性，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。這個問題太複雜了，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，基於全並行設計的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時執行的Max，Min和Add操作的總次數來衡量計算複雜度，有人認為Polar碼和LDPC碼在計算複雜度上優於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，可以支援不同的業務，而採用多個並行處理器來同時完成碼塊譯碼的Turbo碼，能更靈活支援不同的碼塊長度。
…
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。
那麼，我們從成熟度和向後相容性方面看吧。
Turbo碼被3/4G標準採用，LDPC被WiFi標準採用，而Polar碼出現較晚，在5G之前還沒有任何標準採用。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，海外通訊圈就有一篇文章瘋傳，華為表示，採用Polar碼實現了5G速率達到27Gbps，表示滿足5G需求沒問題。
至於向後相容性。5G NR是一種全新的無線技術，是更新換代，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裝置的，所以，其實不用考慮後向相容性。
不過，對於終端就是另外一回事了。現在的4G手機支援2G和3G，同樣，以後5G手機也要支援3G和4G。3G和4G採用Turbo碼，如果5G也採用LDPC或Polar碼，這就意味著手機要採用兩套硬體設計，而譯碼器是整個基帶處理器的重要組成部分，佔據了近72%的基帶處理硬體資源和功耗，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秀，極具潛力，那麼，5G晚到一點又有什麼關係呢，無非是為了更好的體驗多花一點時間而已。
所以，關於5G為何採納Polar碼，我們的結論是：
技術分析並沒有什麼卵用。
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，只能說明中國通訊的崛起，國際地位明顯提升，早已今非昔比。
