消除干擾，讓無線信號更干凈，這本是信道編碼技術(shù)的初衷。然而，最近網(wǎng)絡(luò)上這場“Polar碼投票”鬧劇，無中生有地添加雜質(zhì)，與所議論的技術(shù)之本質(zhì)背道而馳，若Polar碼也有血肉之軀，此君情何以堪？香農(nóng)前輩若在世，也會笑話我們吧？

一場鬧劇終于畫上休止符

源起于知乎，隨后各大平臺冒出許多關(guān)于“聯(lián)想為什么不給華為投票”、“聯(lián)想不支持Polar方案”、“聯(lián)想站隊高通，導(dǎo)致華為以微弱差距輸了”等文章。

看過其中一些文章，漏洞百出。從1998年開始，由全球主要國家與電信、通訊廠商組成的3GPP標準組織一向以嚴謹、專業(yè)，甚至是保守著稱，在決定每一項技術(shù)標準時都要經(jīng)過反復(fù)討論和嚴格審查以確保其可實現(xiàn)性，絕非像文中描述如同選村干部拉選票一樣。一個嚴謹?shù)募夹g(shù)話題被硬扣上了一頂帽子，蒙上一層陰影，簡直無法理喻。

好在這場鬧劇終于畫上休止符。5月11日，聯(lián)想和華為先后對此發(fā)布官方聲明澄清。

華為官方發(fā)微博稱，2016年11月3GPP會議上，華為及其他55家公司（包括聯(lián)想和摩托羅拉移動）基于廣泛的性能評估和分析比較，聯(lián)合提出Polar碼作為控制信道的編碼機制并獲得通過，聯(lián)想及其旗下摩托羅拉移動針對該方案的投票都是贊成票。感謝聯(lián)想集團及其旗下的摩托羅拉移動在3GPP舉辦的有關(guān)5G標準的表決會議上投票支持Polar碼方案，大家共同為中國企業(yè)在國際標準上的持續(xù)突破而努力。

如同Polar碼的本質(zhì)，消除雜質(zhì)干擾，還一片明亮干凈。我們今天就來聊一聊Turbo、LDPC、Polar等信道編碼技術(shù)那些事，讓我們在一段波瀾壯闊的信道編碼史中去找回技術(shù)的初心。

什么是信道編碼？

當我們拿起手機刷朋友圈時，數(shù)據(jù)通過無線信號在手機和基站間傳送。由于無線信號是敏感而脆弱的，易受干擾、弱覆蓋等影響，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)有時候會不一致，比如手機發(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，移動通信系統(tǒng)就引入了信道編碼技術(shù)。

在上個世紀40年代以前，人們認為只有通過增加發(fā)射功率和重傳的方式，才能減少這種通信錯誤。直到1948年香農(nóng)提出了偉大的香農(nóng)定理，人們才認識到，可以通過信道編碼的方式來實現(xiàn)可靠通信。

所謂信道編碼，也叫差錯控制編碼，就是在發(fā)送端對原數(shù)據(jù)添加冗余信息，這些冗余信息是和原數(shù)據(jù)相關(guān)的，再在接收端根據(jù)這種相關(guān)性來檢測和糾正傳輸過程產(chǎn)生的差錯，從而對抗傳輸過程的干擾。

但是，香農(nóng)前輩雖然指出了可以通過差錯控制碼實現(xiàn)可靠通信的理論參考，但卻沒有給出具體實現(xiàn)的方法。于是，人們開始研究編碼方案，不斷逼近香農(nóng)極限。

信道編碼簡史

人類在信道編碼上的第一次突破發(fā)生在1949年。R.Hamming和M.Golay提出了第一個實用的差錯控制編碼方案——漢明碼。

漢明碼每4個比特編碼就需要3個比特的冗余校驗比特，編碼效率比較低，且在一個碼組中只能糾正單個的比特錯誤。

隨后，M.Golay先生研究了漢明碼的缺點，提出了Golay碼。

Golay碼在1979～1981年間被用于美國國家航空航天局太空探測器Voyager的差錯控制系統(tǒng)，將成百張木星和土星的彩色照片帶回地球。

Golay碼之后是一種的新的分組碼——RM碼。在1969年到1977年之間，RM碼廣泛應(yīng)用于火星探測，同時，其快速的譯碼算法非常適合于光纖通信系統(tǒng)。

RM碼之后人們又提出了循環(huán)碼的概念，也叫循環(huán)冗余校驗(CRC)碼。循環(huán)碼也是分組碼的一種，其碼字具有循環(huán)移位特性，這種循環(huán)結(jié)構(gòu)大大簡化了編譯碼結(jié)構(gòu)。

不過，以上編碼方案都是基于分組碼實現(xiàn)，分組碼主要有兩大缺點：一是在譯碼過程中必須等待整個碼字全部接收到之后才能開始進行譯碼，二是需要精確的幀同步，從而導(dǎo)致時延較大、增益損失大。

直到卷積碼的出現(xiàn)，改善了分組碼的缺點。歸功于卷積碼，在接下來的10年里，無線通信性能得到了跳躍式的發(fā)展。

▲Elias于1955年提出卷積碼

卷積碼與分組碼的不同在于：它充分利用了各個信息塊之間的相關(guān)性。在卷積碼的譯碼過程中，不僅從本碼中提取譯碼信息，還要充分利用以前和以后時刻收到的碼組，從這些碼組中提取譯碼相關(guān)信息，而且譯碼也是連續(xù)進行的，這樣可以保證卷積碼的譯碼延時相對比較小。

盡管卷積碼讓通信編碼技術(shù)騰飛了10年，但終究還是遇到了瓶頸——“計算復(fù)雜性”問題。

還好，這個世界有一個神奇的摩爾定律。得益于摩爾定律，編碼技術(shù)在一定程度上解決了計算復(fù)雜性和功耗問題。而隨著摩爾定律而來的是，Viterbi于1967年提出的Viterbi譯碼算法。

Viterbi譯碼算法提出之后，卷積碼在通信系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，如GSM、 IS-95 CDMA、3G、商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

但是，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，“計算復(fù)雜性”依然是一道邁不過的墻，專家們苦苦思索，試圖在可接受的計算復(fù)雜性條件下設(shè)計編碼和算法，以提高效率，但其增益與香農(nóng)理論極限始終都存在2~3dB的差距。

正在專家們一籌莫展之時，奇跡出現(xiàn)了。

1993年，兩位當時名不見經(jīng)傳的法國電機工程師C.Berrou和A.Glavieux聲稱他們發(fā)明了一種編碼方法——Turbo碼，可以使信道編碼效率接近香農(nóng)極限。

C.Berrou

一開始，大家都是持懷疑態(tài)度的，甚至懶得去理睬這兩個小角色，這么多數(shù)學(xué)家都沒能突破，你兩個小小的機電工程師也敢宣稱接近香農(nóng)極限？忽悠吧？

但是，這兩位法國工程師正是繞過數(shù)學(xué)理論，憑借其豐富的實際經(jīng)驗，通過迭代譯碼的辦法解決了計算復(fù)雜性問題。

▲Turbo碼的譯碼器有兩個分量碼譯碼器，譯碼在兩個分量譯碼器之間進行迭代譯碼，故整個譯碼過程類似渦輪（turbo）工作，所以又形象的稱為Turbo碼。

Turbo碼的發(fā)明又一次開創(chuàng)了通信編碼史的革命性時代。

隨后，全世界各大公司開始聚焦于Turbo碼研究。Turbo碼也成為了3G/4G移動通信技術(shù)所采用的編碼技術(shù)，直到今天4.5G，我們依然在采用。

但是，由于Turbo碼采用迭代解碼，必然會產(chǎn)生時延，所以對于實時性要求很高的場合，對于即將到來的超高速率、超低時延的5G需求，Turbo碼又遇到瓶頸，因此，在5G時代就出現(xiàn)了Polar碼和LDPC碼之爭。

5G：LDPC和Polar碼閃亮登場

先來看看5G KPI。

如上圖，5G與4G至少有三大不同：

①4G面向單一的MBB場景，即手機的移動寬帶業(yè)務(wù)；而5G面向eMBB、eMTC和URLLC三大場景，即5G面向萬物互聯(lián)，要應(yīng)對AR、VR、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智慧城市等各種應(yīng)用，較之3/4G只有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，5G繁忙多了。

②4G的峰值速率為1Gbps，而5G的峰值速率高達20Gbps。

③4G的用戶面時延為5ms，而5G的用戶面時延要低至0.5ms（URLLC）。

經(jīng)過這么一對比，問題就來了。5G的峰值速率是LTE的20倍，時延是LTE的1/10，這就意味著5G編碼技術(shù)需在有限的時延內(nèi)支持更快的處理速度，比如20Gbps就相當于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)，即譯碼器數(shù)據(jù)吞吐率比4G高得多。

越高的譯碼器數(shù)據(jù)吞吐率就意味著硬件實現(xiàn)復(fù)雜度越高，處理功耗越大，而譯碼器是手機基帶處理的重要組成部分，占據(jù)了近72%的基帶處理硬件資源和功耗，因此，要實現(xiàn)5G應(yīng)用落地，選擇高效的信道編碼技術(shù)非常重要。

3GPP必須對編碼技術(shù)的選擇反復(fù)討論，嚴謹把關(guān)，絕非像一些文章中所透露的那般拉選票似的順便。

同時，由于5G面向更多應(yīng)用場景，對編碼的靈活性要求更高，需支持更廣泛的碼塊長度和更多的編碼率。比如，短碼塊應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，長碼塊應(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，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，這就會造成數(shù)據(jù)比特浪費，進而浪費頻譜資源。

于是乎，兩大新的優(yōu)秀的編碼技術(shù)進入5G編碼標準的法眼：LDPC和Polar碼，都是逼近香農(nóng)極限的信道編碼。

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，受限于當時環(huán)境，難以克服計算復(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標準采納。

LDPC有啥優(yōu)勢呢？LDPC基于高效的并行譯碼構(gòu)架實現(xiàn)，其譯碼器在硬件實現(xiàn)復(fù)雜度和功耗方面均優(yōu)于Turbo碼。

▲Turbo碼和LDPC碼功耗比較，來源5G Forum

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。盡管Polar提出較晚，但作為已經(jīng)被理論證明可達到香農(nóng)極限的編碼方案，自發(fā)明以來，業(yè)內(nèi)已在譯碼算法、速率兼容編碼方案和硬件實現(xiàn)上做了大量的研發(fā)工作。

Polar碼有啥優(yōu)勢呢？Polar碼兼具較低的編碼和譯碼復(fù)雜度，不存在錯誤平層(error floor)現(xiàn)象，誤幀率(FER)比Turbo低得多，Polar碼還支持靈活的編碼長度和編碼速率，各方面證明比Turbo碼具備更優(yōu)的性能。

▲Turbo碼和Polar碼FER比較，來源5G Forum

因此，最后3GPP在5G時代拋棄了Turbo碼，選擇了LDPC為數(shù)據(jù)信道編碼方案，Polar為廣播和控制信道編碼方案。

那么，為何3GPP同時選擇了LDPC碼和Polar碼呢？這背后有“不把雞蛋放在同一個籃子”的因素，也有“One code does not fit all”的因素。

首先，華為不會孤注一擲投入Polar碼，高通也不會孤注一擲投入LDPC碼，各家公司都會在不同的候選技術(shù)上投入，不會把雞蛋放在同一個籃子里。其次，各種編碼方案的優(yōu)缺點不同，需對其硬件實現(xiàn)復(fù)雜度、功耗、靈活性、成熟度等進行綜合考量，One code does not fit all，沒有“一刀切”的處方。

讓技術(shù)回歸技術(shù)，少一點雜音，我們的5G才會走得更穩(wěn)。