华为主推的PolarCode极化码方案到底是什么

发表于 2016-11-21 18:10:30 收藏 已收藏
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华为主推的PolarCode极化码方案到底是什么

发表于 2016-11-21 18:10:30
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  自现代通信技术诞生以来,以更低的代价(信号功率、信号带宽等)实现更可靠的通信一直是信息技术领域的核心课题。信道编码技术是无线通信系统物理层最核心的基础技术之一,它的主要目的是使数字信号能够进行可靠的传递。信道编码技术通过在发送信息序列的基础上增加额外的校验比特,并在收端采用一定的译码技术以较高的概率对传输过程中产生的差错进行纠正,从而实现发送信息序列的正确接收。

  编码和调制是无线通信技术中最核心最深奥的部分,被称为顶级的通信技术。信道编解码在基础通信框架中位于物理层位置,其性能的改进将直接提升网络覆盖及用户传输速率。在此次3GPP的RAN1(无线物理层)87次会议上,确定了中国华为公司主导的Polar码作为控制信道的编码方案,美国高通公司主导的LDPC码作为数据信道的编码方案。

  值得我们记住的是,Polar Code,极化码。2016年11月17日凌晨0点45分,在3GPP RAN1 87次会议的5G短码方案讨论中,历经千辛万苦,中国华为公司的Polar Code(极化码)方案,最终战胜列强,成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案。

  Polar code最终成为控制信道上行和下行的编码方案。而数据信道的上行和下行短码方案则归属高通LDPC码。Polar Code是人类已知的第一种能够被严格证明达到香农极限的信道编码方法,纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码和LDPC码,最终成为信道控制编码方案。华为与澳大利亚运营商Optus合作完成了5G网络测试,使用73GHz超高频段实现了高达35Gbps的传输速率。

  这是中国公司首次进入基础通信框架协议领域,对比以往2G、3G、4G时代来看,其最大意义在于加大了中国企业在全球通信领域的话语权。

  什么是polar code极化码

  为了实现可靠的信号传输,编码学家在过去的半个多世纪提出多种纠错码技术如里所码(RS码)、卷积码,Turbo码等,并在各种通信系统中取得了广泛的应用。但是以往所有实用的编码方法都未能到香农于1948年所给出的信道传输的容量极限(也称为香农界)。2008年在国际信息论ISIT会议上,Arikan首次提出了信道极化的概念,基于该理论,他给出了人类已知的第一种能够被严格证明达到信道容量的信道编码方法,并命名为极化码(Polar Code)。Polar码具有明确而简单的编码及译码算法。通过信道编码学者的不断努力,当前Polar码所能达到的纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码、LDPC码。

  极化码(polar code)是由土耳其毕尔肯大学(bilkent)Erdal Arikan教授于2008年首次提出,其论文从理论上第一次严格证明了在二进制输入对称离散无记忆信道下,极化码可以“达到”香农容量,并且有着低的编码和译码复杂度。从某种意义上说,极化码“理论上”解决了近60年来信息论和编码领域一直想要解决的问题。

  虽然极化码的理论很优美,但其实际性能从其刚出现时还不太理想(“理论上”是指当码长趋向于无穷时的性能;“实际”是指有限长度码长)。但近年来,极化码实际构造方法和列表连续消去译码算法(list successive cancellation decoding)等技术的提出,极化码的整体性能在某些应用场景中取得了和当前最先进的信道编码技术Turbo码和低密度奇偶校验码(LDPC码)相同或更优的性能。

  在这里我们再谈谈arikan教授发明极化码时所提到的2*2矩阵为核的极化码的三大要点:(以下三点,或者是极化码在信道编码中最核心的创新。)

  1.上鞅收敛:构造了一个信道变换,如果不断递归这个变换并随机挑选变换结果的话,则变换结果的巴氏参数(Bhattacharya parameter)构成一个随机过程。arikan证明这个随机过程是一个上鞅,再利用上鞅中的随机变量序列a.s收敛和按期望收敛,证明收敛结果为一个二值随机变量。再证明这个二值随机变量为0的概率是二元离散对称无记忆信道容量I, 推断证明码长n无穷的时候可以挑出约nI个巴氏参数逼近0的无失真子信道,这就证明了信道极化是信道容量可达的。Foundation and trends里面polar章节,有另外一种证明方法,初等一些。

  2.SC译码:有了好码还需要有好的译码算法。香农和Gallager都已经证明,大部分码都是好码,只缺好的,多项式复杂度的译码算法。arikan使用信道变换中的递归结构,先译“坏”信道的结果,甚至冻结“坏”信道的译码结果为0(降低码率),然后作为“好”信道译码的依据。复杂度是超线性的,非常Nice.

  华为,polarcode,5g

  由于理论和实际两方面的优越性,极化码的研究已成为信息论与编码以及通信领域中的一个热点研究。目前华为公司正极力推动极化码进入5G移动通信标准。

  此次华为主导推动的Polar Code码被3GPP采纳为5GeMBB控制信道标准方案,是中国在5G移动通信技术研究和标准化上的重要进展。

  标准=话语权

  谁掌握了标准技术即拥有了话语权和制高点,30年前,高通公司把军用的CDMA技术用于民用通信,推出了IS-95标准,成为与欧洲的GSM竞争的第二代移动通信系统,也就是我们常说的2G时代。

  2G时代,GSM取得了胜利,但高通公司主导的Viterbi译码算法让产业界相信了CDMA代表了无线通信技术的发展方向,因此3G时代,WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA都采用了CDMA技术。如今,高通的绝大部分利润就来自于基于该技术标准的专利授权。

  在3G时代,中国虽然自主研发了TD-SCDMA,但是技术上依然无法与其相提并论。即便到了4G时代,中国TD-LTE有了一定的突破,但是其核心长码编码Turbo码和短码咬尾卷积码,都不是中国原创的技术。这就导致美国高通动不动就控告中国公司侵权,索取额外专利费。

  2016年将成5G标准的元年,与3G、4G时代的多个标准并存不同的是,5G有望实现全球统一标准,但标准中的话语权必然要争,那就要看在各个环节参与的程度,而更多技术被5G标准使用和确认必然会让企业未来拥有更多的专利储备。

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