網(wǎng)訊:Polar碼被采納為5G eMBB場(chǎng)景的控制信道編碼,這兩天連續(xù)被這條消息刷屏,連吃瓜群眾都直呼好爽。
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(gè)浮躁的世界里發(fā)出一點(diǎn)微不足道的聲音,一個(gè)通信工程師的聲音。
事件經(jīng)過(guò)我們?cè)倩厮菀槐椤?/p>
2016年11月14日至18日期間,3GPP RAN1 #87會(huì)議在美國(guó)Reno召開(kāi),本次會(huì)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(zhēng),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(huì)議上,LDPC碼戰(zhàn)勝了Turbo碼和Polar碼,被采納為5G eMBB場(chǎng)景的數(shù)據(jù)信道的長(zhǎng)碼塊編碼方案。
在這個(gè)背景下,這一次關(guān)于短碼塊編碼方案的爭(zhēng)論更為激烈。因?yàn)長(zhǎng)DPC碼已經(jīng)拿下一局,出于實(shí)施復(fù)雜性考慮,整個(gè)移動(dòng)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(huì)有更多人支持LDPC碼。
這樣一來(lái),主要由美國(guó)企業(yè)主導(dǎo)的LDPC碼有可能一統(tǒng)5G天下,而華為等中國(guó)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(huì)議失利之后,可以說(shuō)Turbo碼基本大勢(shì)已去,本次5G編碼之爭(zhēng)最終演變?yōu)镻olar碼和LDPC碼之間的拳擊爭(zhēng)霸賽,一場(chǎng)中美拳擊爭(zhēng)霸賽。
最終,經(jīng)過(guò)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(chǎng)景的控制信道編碼方案。
自此,經(jīng)過(guò)兩次激戰(zhàn),在5G eMBB場(chǎng)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(dòng)通信系統(tǒng),而在3G和4G時(shí)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(gè)令人振奮的消息,如果說(shuō)用力挽狂瀾來(lái)形容,我覺(jué)得并不為過(guò)。
這對(duì)于主導(dǎo)Polar碼的華為和中國(guó)企業(yè)絕對(duì)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(guò)浮夸。
1 、不是“拿下5G時(shí)代”
在5G eMBB場(chǎng)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(shí),后面還有很多路要走。
我們?cè)谇拔闹刑岬降膃MBB場(chǎng)景不過(guò)是5G應(yīng)用的其中一個(gè)場(chǎng)景。3GPP定義了5G三大場(chǎng)景:eMBB,mMTC和URLLC,eMBB對(duì)應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù),mMTC對(duì)應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),而URLLC對(duì)應(yīng)的是如無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延高可靠連接的業(yè)務(wù)。
本次采納的編碼方案是針對(duì)其中eMBB場(chǎng)景,后續(xù)還將決定URLLC場(chǎng)景下的信道編碼方案,最后再?zèng)Q定mMTC場(chǎng)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(yǔ)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也不是高通的
這要從信道編碼的歷史說(shuō)起。
Turbo碼是由法國(guó)科學(xué)家C.Berrou和A.Glavieux發(fā)明。從1993年開(kāi)始,通信領(lǐng)域開(kāi)始對(duì)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(guò),受限于當(dāng)時(shí)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(lái),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(kāi)始引起通信領(lǐng)域的關(guān)注。
簡(jiǎn)而言之,信道編碼是數(shù)學(xué)家們?cè)瓌?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(kāi)始對(duì)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(lái)。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(zhuān)利。
所以,盡管這次Polar碼贏了,但個(gè)人以為,媒體們不能因?yàn)樘^(guò)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(méi)有國(guó)界的。
3 、為何5G采納了Polar碼?
這個(gè)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(shuō)起。當(dāng)我們拿起手機(jī)刷朋友圈時(shí),數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)在手機(jī)和基站間傳送。由于受到無(wú)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(shí)會(huì)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(cuò),移動(dòng)通信系統(tǒng)就引入了信道編碼技術(shù)。
信道編碼,簡(jiǎn)單的講,就是我們?cè)谟蠯比特的數(shù)據(jù)塊中插入冗余比特,形成一個(gè)更長(zhǎng)的碼塊,這個(gè)碼塊的長(zhǎng)度為N比特位,N>K,N-K就是用于檢測(cè)和糾錯(cuò)的冗余比特,編碼率R就是K/N。一個(gè)好的信道編碼,是在一定的編碼率下,能無(wú)限接入信道容量的理論極限。
在過(guò)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(lèi)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(chǎng)爭(zhēng)奪賽。
為何這場(chǎng)爭(zhēng)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(shí)延0.5ms(URLLC)。
這個(gè)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(guò)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(gè)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,處理器的時(shí)鐘頻率F為500 MHz,那么,I *T /F = 10*20G/500M=400,也就是說(shuō)需要400個(gè)處理器并行工作。
。▊渥ⅲ鹤g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(shí)代使用的Turbo碼的原因之一,因?yàn)?G的最大速率不過(guò)1Gbps,傳統(tǒng)Turbo碼通過(guò)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T(mén)urbo遇上更高速率的5G時(shí)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(shí)候可以并行同時(shí)處理,不但能處理較大的數(shù)據(jù)量,還能減少處理時(shí)延。盡管可以采用外部并行的方式,但又帶來(lái)了時(shí)延問(wèn)題。
對(duì)于時(shí)延,出于技術(shù)宅的本能,也請(qǐng)容許我再啰嗦一下。
5G NR的URLLC應(yīng)用場(chǎng)景要求用戶面時(shí)延為0.5ms,這是4G 10ms的二十分之一。之所以要求這么高的時(shí)延,是因?yàn)槲覀冊(cè)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(shí),需要傳送到云端處理,并實(shí)時(shí)傳回,這一來(lái)回的過(guò)程時(shí)延一定要足夠低,低到用戶無(wú)法覺(jué)察到。另外,機(jī)器對(duì)時(shí)延比人類(lèi)更敏感,對(duì)時(shí)延要求更高,尤其是5G的車(chē)聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)工廠和遠(yuǎn)程機(jī)器人等應(yīng)用。
空口0.5ms時(shí)延意味著物理層的時(shí)延不能超過(guò)50μs,而物理層時(shí)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(shí)延一定要低于50μs,越低越好。
總得來(lái)說(shuō),這就好比春節(jié)的航班,人流太多,要把幾億中國(guó)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(kāi)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(chǎng)景:eMBB,mMTC和URLLC,這些場(chǎng)景對(duì)應(yīng)5G的AR、VR、車(chē)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(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),5G可繁忙多了。
這就對(duì)5G信道編碼提出了更高要求,需支持更廣泛的碼塊長(zhǎng)度和更多的編碼率。比如,短碼塊應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng),長(zhǎng)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(huì)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(duì)一般數(shù)據(jù)的空口誤塊率要求初始傳輸為10%,經(jīng)過(guò)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(wàn)分之一。這就意味著,10萬(wàn)個(gè)碼塊中,只允許信道譯碼器犯一次錯(cuò),最多只能有一個(gè)碼塊不能糾錯(cuò)。
綜上,決定5G采用哪種編碼方式的因素就是:譯碼吞吐量、時(shí)延、糾錯(cuò)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(shí)延、糾錯(cuò)能力、靈活性和實(shí)施復(fù)雜性,誰(shuí)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(gè)問(wèn)題太復(fù)雜了,公說(shuō)公有理婆說(shuō)婆有理。
比如,有人認(rèn)為,Turbo碼達(dá)到了瓶頸,無(wú)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(shí)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(shí)執(zhí)行的Max,Min和Add操作的總次數(shù)來(lái)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(shuō)Turbo不夠靈活,然而有人指出,LTE Turbo碼的碼塊長(zhǎng)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(gè)并行處理器來(lái)同時(shí)完成碼塊譯碼的Turbo碼,能更靈活支持不同的碼塊長(zhǎng)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(méi)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(zhēng)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(méi)問(wèn)題。
至于向后兼容性。5G NR是一種全新的無(wú)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(jí)即可,這是要運(yùn)營(yíng)商買(mǎi)新基站設(shè)備的,所以,其實(shí)不用考慮后向兼容性。
不過(guò),對(duì)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(gè)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(huì)導(dǎo)致5G終端成本稍高一點(diǎn),也可能會(huì)稍微拉長(zhǎng)一點(diǎn)5G商用化的時(shí)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(wú)非是為了更好的體驗(yàn)多花一點(diǎn)時(shí)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(méi)有什么卵用。
因?yàn)椋@一場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng),在我們看來(lái),早已超越了技術(shù)的邊界,而是綜合實(shí)力和話語(yǔ)權(quán)的較量。
Polar碼最終能夠勝出,只能說(shuō)明中國(guó)通信的崛起,國(guó)際地位明顯提升,早已今非昔比。