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5G為何采納華為力挺的Polar碼?真的沒有被夸大不實(shí)之嫌嗎?

2016年11月21日 14:11 互聯(lián)網(wǎng) 作者: 用戶評論(0

  然而,隨著媒體報(bào)道的持續(xù)發(fā)酵,真相在口口相傳中變了形,不乏夸大不實(shí)之嫌,小編終于坐不住了,也想吐露點(diǎn)心里話,希望盡可能站在客觀的角度,在這個浮躁的世界里發(fā)出一點(diǎn)微不足道的聲音,一個通信工程師的聲音。

  事件經(jīng)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(xiàng)內(nèi)容是決定5G短碼塊的信道編碼方案,其中,提出了三種短碼編碼方案:Turbo碼、LDPC碼和Polar碼。

  關(guān)于這三種編碼方案之爭,這已經(jīng)是5G標(biāo)準(zhǔn)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(zhàn)勝了Turbo碼和Polar碼,被采納為5G eMBB場景的數(shù)據(jù)信道的長碼塊編碼方案。

  在這個背景下,這一次關(guān)于短碼塊編碼方案的爭論更為激烈。因?yàn)長DPC碼已經(jīng)拿下一局,出于實(shí)施復(fù)雜性考慮,整個移動通信系統(tǒng)采用單一的編碼方案更利于5G部署,比如,3G和4G采用的是Turbo碼,估計(jì)會有更多人支持LDPC碼。

  這樣一來,主要由美國企業(yè)主導(dǎo)的LDPC碼有可能一統(tǒng)5G天下,而華為等中國企業(yè)主導(dǎo)的Polar碼將前功盡棄。

  由于拋棄Turbo碼的呼聲較大,在上次會議失利之后,可以說Turbo碼基本大勢已去,本次5G編碼之爭最終演變?yōu)镻olar碼和LDPC碼之間的拳擊爭霸賽,一場中美拳擊爭霸賽。

  最終,經(jīng)過連續(xù)熬夜的激戰(zhàn)后,Polar碼終于在5G核心標(biāo)準(zhǔn)上扳回一局,成為5G eMBB場景的控制信道編碼方案。

5G為何采納華為力挺的Polar碼?真的沒有被夸大不實(shí)之嫌嗎?

  自此,經(jīng)過兩次激戰(zhàn),在5G eMBB場景上,Polar碼和LDPC碼二分天下,前者為信令信道編碼方案,后者為數(shù)據(jù)信道編碼方案。Polar碼和LDPC碼一起歷史性的走進(jìn)蜂窩移動通信系統(tǒng),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(shí)是一個令人振奮的消息,如果說用力挽狂瀾來形容,我覺得并不為過。

  這對于主導(dǎo)Polar碼的華為和中國企業(yè)絕對利好,畢竟,多年在Polar碼上研發(fā)投入終于有了盼頭。

  但是,我們看到有些媒體的報(bào)道,恕我直言,太過浮夸。

  1 、不是“拿下5G時代”

  在5G eMBB場景上,Polar為信令信道編碼方案,LDPC碼為數(shù)據(jù)信道編碼方案,最多叫平分秋色。同時,后面還有很多路要走。

  我們在前文中提到的eMBB場景不過是5G應(yīng)用的其中一個場景。3GPP定義了5G三大場景:eMBB,mMTC和URLLC,eMBB對應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù),mMTC對應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),而URLLC對應(yīng)的是如無人駕駛工業(yè)自動化等需要低時延高可靠連接的業(yè)務(wù)。

  本次采納的編碼方案是針對其中eMBB場景,后續(xù)還將決定URLLC場景下的信道編碼方案,最后再決定mMTC場景(估計(jì)在2017年第一季度)。盡管此次采納Polar碼為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),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

  這要從信道編碼的歷史說起。

  Turbo碼是由法國科學(xué)家C.Berrou和A.Glavieux發(fā)明。從1993年開始,通信領(lǐng)域開始對其研究。隨后,Turbo碼被3G和4G標(biāo)準(zhǔn)采納。

  LDPC碼是由MIT的教授 Robert Gallager在1962年提出,這是最早提出的逼近香農(nóng)極限的信道編碼,不過,受限于當(dāng)時環(huán)境,難以克服計(jì)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(biāo)準(zhǔn)采納。

  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。

  簡而言之,信道編碼是數(shù)學(xué)家們原創(chuàng)出理論,通信就是跟著數(shù)學(xué)家們跑,在他們的理論基礎(chǔ)上不斷研究試驗(yàn),使之落地于實(shí)際應(yīng)用。

  為什么有些公司力挺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(shù),就開始對其研究,一旦賭贏了,那么我的研究成果就能快速落地應(yīng)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(lǐng)域更具影響力。當(dāng)然,在研究中,一定也積累了不少專利。

  所以,盡管這次Polar碼贏了,但個人以為,媒體們不能因?yàn)樘^興奮而忽略了數(shù)學(xué)家們的貢獻(xiàn),更不能張冠李戴,有些東西是沒有國界的。

  3 、為何5G采納了Polar碼?

  這個小標(biāo)題應(yīng)該叫:5G為何采納了Polar碼和LDPC碼?又為何放棄了Trubo碼?

  先從什么叫信道編碼說起。當(dāng)我們拿起手機(jī)刷朋友圈時,數(shù)據(jù)通過無線信號在手機(jī)和基站間傳送。由于受到無線干擾、弱覆蓋等原因影響,我們手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和基站接收到數(shù)據(jù)有時會不一致,比如,我們手機(jī)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)。

  信道編碼,簡單的講,就是我們在有K比特的數(shù)據(jù)塊中插入冗余比特,形成一個更長的碼塊,這個碼塊的長度為N比特位,N》K,N-K就是用于檢測和糾錯的冗余比特,編碼率R就是K/N。一個好的信道編碼,是在一定的編碼率下,能無限接入信道容量的理論極限。

  在過去幾十年里,出現(xiàn)了兩種接近容量極限的信道編碼技術(shù):LDPC和Turbo碼,分別被3G和4G通信標(biāo)準(zhǔn)和WiFi標(biāo)準(zhǔn)采納。2007年,土耳其教授E. Arikan提出了Polar碼,被稱為是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一一類能夠達(dá)到香農(nóng)限的編碼方法。

  所以,這三種優(yōu)秀的編碼技術(shù)均進(jìn)入5G編碼標(biāo)準(zhǔn)的法眼,并引發(fā)了一場爭奪賽。

  為何這場爭奪賽這么激烈?都是KPI惹的禍。

  5G NR(New Radio)的KPI里,明確規(guī)定:峰值速率20Gbps、用戶面時延0.5ms(URLLC)。

  這個KPI定得太高,在4G基礎(chǔ)上提升了20倍。報(bào)告領(lǐng)導(dǎo),不好完成。

  有多難呢?5G NR的下行峰值速率要求是20Gbps,由于手機(jī)(或基站)接收到的每一bit都要經(jīng)過信道譯碼器,20Gbps就相當(dāng)于譯碼器每秒鐘要處理幾十億bit數(shù)據(jù)。

  舉個例子,20 Gbps就意味著譯碼吞吐量T為20 Gbps,假設(shè)譯碼迭代次數(shù)I為10次,處理器時鐘頻率F為500 MHz,那么,I *T /F = 10*20G/500M=400,也就是說需要400個處理器并行工作。

  (備注:譯碼器是信道編碼最難實(shí)現(xiàn)的一環(huán))

  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?yàn)?G的最大速率不過1Gbps,傳統(tǒng)Turbo碼通過迭代譯碼,本質(zhì)上源于串行的內(nèi)部結(jié)構(gòu),所以,有人認(rèn)為Turbo遇上更高速率的5G時就遇到了瓶頸。比如LDPC譯碼器是基于并行的內(nèi)部結(jié)構(gòu),這意味著譯碼的時候可以并行同時處理,不但能處理較大的數(shù)據(jù)量,還能減少處理時延。盡管可以采用外部并行的方式,但又帶來了時延問題。

  對于時延,出于技術(shù)宅的本能,也請容許我再啰嗦一下。

  5G NR的URLLC應(yīng)用場景要求用戶面時延為0.5ms,這是4G 10ms的二十分之一。之所以要求這么高的時延,是因?yàn)槲覀冊隗w驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程控制和游戲等業(yè)務(wù)時,需要傳送到云端處理,并實(shí)時傳回,這一來回的過程時延一定要足夠低,低到用戶無法覺察到。另外,機(jī)器對時延比人類更敏感,對時延要求更高,尤其是5G的車聯(lián)網(wǎng)、自動工廠和遠(yuǎn)程機(jī)器人等應(yīng)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于50μs,越低越好。

  總得來說,這就好比春節(jié)的航班,人流太多,要把幾億中國人從南到北,從東向西轉(zhuǎn)移一次,“數(shù)據(jù)量”太大,這就需要多開航班,并且加快航行速度。

  “航班公司”5G NR表示鴨梨山大,而信道編碼表示壓力更大,層層傳遞嘛。

  但是,這點(diǎn)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(yīng)5G的AR、VR、車聯(lián)網(wǎng)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻等等各種應(yīng)用,較之3/4G只有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),5G可繁忙多了。

  這就對5G信道編碼提出了更高要求,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(diǎn),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(fèi),進(jìn)而浪費(fèi)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信。LTE對一般數(shù)據(jù)的空口誤塊率要求初始傳輸為10%,經(jīng)過幾次重傳后,誤塊率如果低于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,只允許信道譯碼器犯一次錯,最多只能有一個碼塊不能糾錯。

  綜上,決定5G采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(shí)施復(fù)雜性、成熟度和后向兼容性等。

  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(shí)施復(fù)雜性,誰更強(qiáng)的呢?

  小編查閱了最新的大量文獻(xiàn),結(jié)果是:被搞得暈頭轉(zhuǎn)向,一臉懵逼。這個問題太復(fù)雜了,公說公有理婆說婆有理。

  比如,有人認(rèn)為,Turbo碼達(dá)到了瓶頸,無法處理20Gbps高速率,然而,有廠家證明,基于全并行設(shè)計(jì)的Turbo譯碼器的譯碼吞吐量能到21.9 Gbps,處理時延可達(dá)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(zhí)行的Max,Min和Add操作的總次數(shù)來衡量計(jì)算復(fù)雜度,有人認(rèn)為Polar碼和LDPC碼在計(jì)算復(fù)雜度上優(yōu)于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,可以支持不同的業(yè)務(wù),而采用多個并行處理器來同時完成碼塊譯碼的Turbo碼,能更靈活支持不同的碼塊長度。

  …

  小編試圖從技術(shù)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。

  那么,我們從成熟度和向后兼容性方面看吧。

  Turbo碼被3/4G標(biāo)準(zhǔn)采用,LDPC被WiFi標(biāo)準(zhǔn)采用,而Polar碼出現(xiàn)較晚,在5G之前還沒有任何標(biāo)準(zhǔn)采用。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(biāo)準(zhǔn)之爭前,海外通信圈就有一篇文章瘋傳,華為表示,采用Polar碼實(shí)現(xiàn)了5G速率達(dá)到27Gbps,表示滿足5G需求沒問題。

  至于向后兼容性。5G NR是一種全新的無線技術(shù),是更新?lián)Q代,不是像2G—》2.5G或4G—》4.5G那樣,現(xiàn)網(wǎng)升級即可,這是要運(yùn)營商買新基站設(shè)備的,所以,其實(shí)不用考慮后向兼容性。

  不過,對于終端就是另外一回事了。現(xiàn)在的4G手機(jī)支持2G和3G,同樣,以后5G手機(jī)也要支持3G和4G。3G和4G采用Turbo碼,如果5G也采用LDPC或Polar碼,這就意味著手機(jī)要采用兩套硬件設(shè)計(jì),而譯碼器是整個基帶處理器的重要組成部分,占據(jù)了近72%的基帶處理硬件資源和功耗,這可能會導(dǎo)致5G終端成本稍高一點(diǎn),也可能會稍微拉長一點(diǎn)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(yōu)秀,極具潛力,那么,5G晚到一點(diǎn)又有什么關(guān)系呢,無非是為了更好的體驗(yàn)多花一點(diǎn)時間而已。

  所以,關(guān)于5G為何采納Polar碼,我們的結(jié)論是:

  技術(shù)分析并沒有什么卵用。

  因?yàn)椋@一場標(biāo)準(zhǔn)之爭,在我們看來,早已超越了技術(shù)的邊界,而是綜合實(shí)力和話語權(quán)的較量。

  Polar碼最終能夠勝出,只能說明中國通信的崛起,國際地位明顯提升,早已今非昔比。

非常好我支持^.^

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( 發(fā)表人:彭菁 )

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