5G为何采纳华为力挺的Polar码？一个通信工程师的大实话

Posted 2020-08-20 笑哼

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

然而，随着媒体报道的持续发酵，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，一个通信工程师的声音。

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短码块的信道编码方案，其中，提出了三种短码编码方案：Turbo码、LDPC码和Polar码。

关于这三种编码方案之争，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场景的数据信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，整个移动通信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场景的控制信道编码方案。

自此，经过两次激战，在5G eMBB场景上，Polar码和LDPC码二分天下，前者为信令信道编码方案，后者为数据信道编码方案。Polar码和LDPC码一起历史性的走进蜂窝移动通信系统，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好，毕竟，多年在Polar码上研发投入终于有了盼头。

但是，我们看到有些媒体的报道，恕我直言，太过浮夸。

 

1 、不是“拿下5G时代”

在5G eMBB场景上，Polar为信令信道编码方案，LDPC码为数据信道编码方案，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。

本次采纳的编码方案是针对其中eMBB场景，后续还将决定URLLC场景下的信道编码方案，最后再决定mMTC场景（估计在2017年第一季度）。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。

 

2 、Polar码不是华为的，LDPC也不是高通的

这要从信道编码的历史说起。

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

简而言之，信道编码是数学家们原创出理论，通信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，一定也积累了不少专利。

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。

 

3 、为何5G采纳了Polar码？

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？

先从什么叫信道编码说起。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。

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

在过去几十年里，出现了两种接近容量极限的信道编码技术：LDPC和Turbo码，分别被3G和4G通信标准和WiFi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。

为何这场争夺赛这么激烈？都是KPI惹的祸。

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。报告领导，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（或基站）接收到的每一bit都要经过信道译码器，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。

（备注：译码器是信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时代使用的Turbo码的原因之一，因为4G的最大速率不过1Gbps，传统Turbo码通过迭代译码，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，也请容许我再啰嗦一下。

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，是因为我们在体验增强现实、远程控制和游戏等业务时，需要传送到云端处理，并实时传回，这一来回的过程时延一定要足够低，低到用户无法觉察到。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，还受其它因素影响（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，而信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、高清视频等等各种应用，较之3/4G只有语音和数据业务，5G可繁忙多了。

这就对5G信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，长码块应用于高清视频，低编码率应用于基站分布稀疏的农村站点，高编码率应用于密集城区。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信。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，只允许信道译码器犯一次错，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。

比较一下三种编码的译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性和实施复杂性，谁更强的呢？

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，有厂家证明，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6144，一共有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。

然而，华为表示不服，5G编码标准之争前，海外通信圈就有一篇文章疯传，华为表示，采用Polar码实现了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，这是要运营商买新基站设备的，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。如果这一编码方案足够优秀，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卵用。

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，只能说明中国通信的崛起，国际地位明显提升，早已今非昔比。

 

 

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