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华为终于拿下 5G 短码意味着什么?

2017-11-12  yaozhiqun...

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定的太高,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。



作者:腾讯科技
链接:https://www.zhihu.com/question/52726619/answer/132287109
来源:知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

这的确是中国公司第一次进入到基础通信框架协议领域,不过类似“中国标准战胜了美国标准、中国拿下 5G 时代霸主之位”的说法,显然有些夸大其词。

在这之前,还有一个小插曲。在 10 月份召开的会议上,高通主导的 LDPC 码战胜了 Turbo 码和 Polar 码,被确定为 5G 中长码编码方案。所以,这次的 5G 短码块之争已经是 5G 标准的第二次较量。在 LDPC 码已经先赢一局的情况下,Polar 码这次算是力挽狂澜。

编码和调制是无线通信技术中最核心的部分,而信道编解码在基础通信框架中位于物理层位置,涉及到网络覆盖和传输速率的提升。

这次 3GPP 确定了华为主导的 Polar 码作为控制信道的编码方案,高通主导的 LDPC 码作为数据信道的编码方案。垄断 3G/4G 时代的 Turbo2.0 编码由于支持者少,很可能会退出。

需要说明的是,3GPP 定义了 5G 的三大场景:增强型移动宽带 eMBB、大连接物联网 mMTC 和超可靠低时延通信 uRLLC,Polar 码暂时拿下的是 eMBB 场景。

不过根据华为的实际测试,Polar 码可以同时满足超高速率、低时延、大连接的场景需求,使现有蜂窝网络的频谱效率提升 10%,与毫米波结合达到 27Gbps 的速率。

(来源:Huawei Vision on 5G Radio Access Technologies )

听起来很厉害,份量也不小 ,但是 Polar 码只是 5G 标准的一部分,还不能称为中国制定 5G 技术标准,接下来还有很多环节(例如帧结构、波形和多址等 ),只能说华为主导的 Polar 码成为 5G 标准的重要角色。

那么,为什么说 Polar 码对于华为和中国来说很重要呢?

在通信技术领域,谁掌握了标准技术就拥有了话语权。30 年前,高通把军用的 CDMA 技术用在了民用通信,推出 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,但高通主导的 Viterbi 译码算法让业界相信 CDMA 代表了无线通信技术的发展方向。到了 3G 时代,WCDMA、CDMA 2000 和 TD-SCDMA 都采用了 CDMA 技术。现在高通的绝大部分利润也是来自基于 CDMA 的专利授权。

中国虽然自主研发了 TD-SCDMA,但是技术上还是不能和它相提并论。即便到了 4G 时代,中国 TD-LTE 有了一定突破,但是核心长码编码 Turbo 码和短码咬尾卷积码都不是中国原创的技术,导致高通动不动就控告中国公司侵权,索取额外专利费。

高通向来不屑 3GPP,对 3GPP 的参与也很消极,当年自己组建 3GPP2 组织就是个很好的例证。所以高通提前部署 5G 和推动相关编码,那时 3GPP 也干涉不了,美国的运营商也已经早一步开始 5G 测试。

Verizon 今年初就宣布,年底前进入 5G 预商用化因素测试阶段,争取 2017 年实现商用化,编码采用的就是高通主导的 LDPC 方案。

根据总体的部署,中国的 5G 基础研发试验在 2016 年- 2018 年进行,分为关键技术试验、技术方案验证和系统验证三个阶段,预计 2020 年启动商用。在 5G 研发中卷入了多个企业、高校和科研院所,成立 IMT-2020 (5G) 推进组,某种程度上不排除战略上的制衡。

和 3G/4G 时代多个标准并存不同,5G 可能实现全球统一标准。标准中的话语权必然要争,这就要看在各个环节参与的程度,而更多技术被 5G 标准使用,也会让企业拥有更多的专利储备,尤其是在手机方面。一旦标准实施了,专利被侵权就可以主张收费。

最后普及一个小常识,LDPC 码是由 MIT 的教授 Robert Gallager 在 1962 年提出,Polar 码是由土耳其比尔肯大学教授 E. Arikan 在 2007 年提出。




作者:Wanderer
链接:https://www.zhihu.com/question/52726619/answer/131873872
来源:知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

自2014年国内4G开始兴起然后慢慢发力在年末兴起一阵高潮的时候,华为就开始策划现在的5G了。 那时候的一句玩笑话“开发5G就是为了不让研发闲着”,也可以看出业界对于5G的认知极其模糊,华为定义超业务HyperService Cube从三个维度明确了未来5G全联接最关键的三大需求以及15个典型应用场景,三大需求即时延、吞吐率及联接数,分别对应1、10、100,即1ms的时延、10Gbps的用户速率和100个billion也就是1000亿的联接:1ms意味着零延时和零等待,支持实时移动控制、车联网应用和通信;10Gbps数据速率带来了身临其境、类光纤速率的体验,能够支持超高清视频和虚拟现实应用以及移动云服务;华为预测,到2020年全球范围将产生1000亿联接,5G需要同时支持数十亿的应用和千亿级的互联设备,而基于物联网的特性,还要满足“永远在线”的诉求。 15个典型应用场景,比如海量链接的物联网、垂直产业场景(汽车、医疗、工业自动化机器人)、终端用户的自组网等,具体如自动驾驶、超高清视频、虚拟现实、医疗保健、智能家居、万物互联的智能传感器等场景。Huawei has deFned so called 5G HyperService Cube 25 to show - A - 102,328。 而2014年距离2009年华为开始发力5G已经过去5年了。 包括欧盟、中国、日本和美国的研究机构和团体都普遍预测2020年将是5G商用的时间节点,在2015年5G尚未形成一种成型的技术或标准,还是一种概念的时候,标准已经成为爱立信、华为等技术型企业竞争的核心。 之后越来越多的国家、运营商、供应商加入到5G战局。

这几天打开新闻满屏都是,5G技术标准中国定? 定个锤子啊 中国华为公司主推的Polar Code(极化码)方案,从美国高通主推LDPC,法国主推Turbo2.0两大竞争对手中脱颖而出,成为5G控制信道eMBB场景编码方案,而LDPC码成为数据信道的上行和下行短码方案。此前,5G中长码编码确认方案为LDPC。

2G、3G时代华为是个追赶者,4G时代实现了与国外巨头齐头并进,而在5G时代华为将力争成为全球的引领者。

对于华为来讲,占得标准制定的先机,避免之前处处受制于人,从而抢到产业发展的先机。

在终端PC的高潮慢慢过渡为移动端的时候,国内移动端的发展慢慢的有了更加广阔的想象空间。

从人与人能够通信到用户追求更便利高效优质的体验,VR、3D视频以及自动驾驶、智能家居、全联接的智能传感器等人与物的通信联接,海量的联结需求与极低的端到端时延必然需要更高峰值的宽带连接,未来需要的海量数据,运营商无法再按照原本的规则即多少流量收多少钱来收取费用,

更重要的是,应用场景的拓展需要供应商更加灵活的应用框架拓展。曾经华为提出来的Everything on Mobile,Everything connected,Every function virtualized,很好的诠释了未来包括人与人、人与物、人与虚拟突破时空限制的移动端互联。曾经靠卖流量赚钱的电信运营商必须在一系列的联结中找到自己能够提供的价值,在提供服务的同时提供一个平台,并且构筑自己的生态系统,寻找或者创造一种商业模式实现自己能够提供的价值。

可以想象未来华为以业务为中心以用户为中心支撑起来的大量垂直行业应用。





在通信技术领域,谁掌握了标准技术,谁就拥有了话语权。而由此衍生的标准必要专利(SEP)已成为各科技大厂合法抢占市场占有率与巩固核心技术的手段或武器。

11月18日,在美国内华达州里诺结束的3GPP的RAN1#87会议上,3GPP确定了Polar码作为5G eMBB(增强移动宽带)场景的控制信道编码方案。

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Polar码以华为为代表、由中国主导推动,因此,Polar码被采纳也让中国公司首次进入基础通信框架协议领域。这个看起来抽象的编码方案也引发了一场舆论狂欢,出现了诸如“华为碾压高通”、“中国拿下了5G时代”等解读。

不过,通信专家、飞象网CEO项立刚指出,这显然是一种过分解读。“5G的标准包括基带、控制、空口协议等等,是一个复杂的体系。Polar码只是一种编码方案,3GPP也不是ITU,这只是5G标准之路上重要一步,远不是5G标准。而且,这个标准方案不是专利,是华为支持提出,得到大家支持,也不是华为拥有这项技术。”项立刚说。

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阶段性胜利

全球5G技术标准正处于多方博弈中,在此次会议中,华为代表的Polar码阵营的对手是以美国高通公司为代表的LDPC和以法国为代表的Turbo2.0。事实上,在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。这一局,Polar码以绝对优势扳回,以59票赢得方案,成为5G控制信道eMBB控制信道的编码方案。

据了解,Polar码阵营支持者包括华为、中兴、OPPO、vivo、小米,阿里巴巴、联想、中国联通、中国电信、中国移动、烽火科技展讯以及宏基、联发科、台湾大学等电信运营商、设备商、芯片、终端厂商以及高校。

至此,5G eMBB(增强移动宽带)场景的信道编码技术方案完全确定,其中Polar码作为控制信道的编码方案,LDPC(低密度奇偶校验码)作为数据信道的编码方案。

项立刚向21世纪经济报道记者指出,标准的选择已经不仅仅是技术的抉择,还包括政治和综合实力的较量。中国是全世界最大的通信市场,有最大的电信运营商以及通信设备制造企业、手机企业,实力十分雄厚,形成了大方向上的利益集团。

根据规划,中国5G技术研发试验将在2016-2018年进行,分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证3个阶段实施。华为、中兴通讯、大唐电信、爱立信、上海贝尔、英特尔、三星共7家企业参与了第一阶段测试。

其中,华为测试并验证了Polar码在移动互联网和物联网业务情况下的性能比Turbo码有所增益,也验证了Polar码在高频场景下支持高速率、大容量数据传输的可行性——根据华为的测试,Polar码可以同时满足超高速率、低时延、大连接的场景需求,使现有蜂窝网络的频谱效率提升10%,与毫米波结合达到27Gbps的速率。这些实验结果为Polar 码方案赢得5G编码标准的一席之地,提供了有力的技术支撑。

参与讨论的联发科代表吴威德在接受媒体采访时指出,Polar码最关键的决胜点是能够说服大部分重要的运营商,在他看来,华为动员了很多企业、运营商,特别是获得了中国移动的支持,各方的团结达到了一个足以匹敌对手的局面。

专利争夺

从行业来看,2016年将成5G标准的元年。

需要说明的是,ITU-R(国际电信联盟无线电通信局)确定了5G三大主要应用场景:增强型移动宽带eMBB、大规模机器类通信mMTC和超高可靠低时延通信uRLLC。较之3G、4G时代的语音和数据业务,这些场景对应的是VR/AR、车联网、大规模物联网、高清视频等各种应用。在eMBB之后,业界后续还将决定URLLC场景下的信道编码方案,最后再决定mMTC场景。

在通信技术领域,谁掌握了标准技术,谁就拥有了话语权。而衍生的标准必要专利(SEP)已成为各科技大厂合法抢占市场占有率与巩固核心技术的手段或武器。

以高通为例,其30年前把军用的CDMA技术用在民用通信领域,成为与欧洲的GSM竞争的第二代移动通信系统。虽然在2G时代缺席的中国企业在3G时代发出了自己的声音,自主研发的TD-SCDMA与WCDMA、CDMA2000共同成为3G标准,但底层技术上依然为高通的CDMA所垄断。现在高通的绝大部分利润,也是来自基于CDMA的专利授权。

因此,押宝关键技术研发与专利布局已成为企业竞争的重要手段。记者查阅国家知识产权局网站发现,华为在2012年就已经开始进行Polar码相关专利的申请。值得关注的是,在移动通信底层技术获得主导权的一方,将能通过技术的协同提升终端产品的研发效率和创新能力。

项立刚解释,目前3GPP和3GPP2都在推动5G的标准,3GPP是以欧洲企业为主导的标准化组织,3GPP2由高通组建。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。虽然现在Polar码获得了认可,而最终的标准则要经过ITU(国际电信联盟)通过。

虽然这次突破来之不易,但必须正视的是,Polar码只得到了eMBB短码的控制信道编码,高通阵营的LDPC在中长编码也占据主导,且最终标准远未确定。

华为官方指出,LDPC码与Polar码都是第一次进入3GPP移动通信系统,全球多家公司在统一的比较准则下,详细评估了多种候选编码方案的性能、复杂度、编译码时延和功耗等,并最终达成共识。LDPC码和Polar码的决策是5G标准的一个里程碑,进一步推进了3GPP全球5G统一标准的产业进程。

科普:5G能给我们带来什么?

丨5G是什么?

在3G、4G和5G等名词中,G是英文单词“generation”(第x代)的缩写。因此,5G就是第五代移动通信技术。

在移动通信领域:

第一代是模拟技术;

第二代实现了数字化语音通信;

第三代是人们熟知的3g技术,以多媒体通信为特征;

第四代是正在铺开的4g技术,其通信速率大大提高,标志着进入无线宽带时代。

简单来看,5G的速度将会更快,而功耗将低于4G,从而带来一系列新的无线产品。中移动副总裁李正茂曾经发言要求5G时代的电信设备大幅度降价:“4G到5G时代,单位比特的传输成本降低了1000倍,那么我们也希望电信设备价格也降低1000倍,成本是决定运营商在数据时代能否盈利的关键。”

丨5G会改变什么?

我先来讲个故事:

清晨醒来,卧室的灯和空调自动开启。小明来到卫生间,洗脸水已自动调至适中的温度,数码牙刷记录并上传小明牙齿以及口腔的实时数据;戴上眼镜,妻子带着孩子正在上学的路上,通过眼镜片上的虚拟现实显示,孩子向小明挥手说早安。小明吃过早餐,眨了几下眼睛,汽车带着小明自动行驶在马路上,小明在车上开启了视频会议……

这个场景描绘熟悉吗?1998~2002年的时候,通信圈这样描绘3G;2005~2012年的时候,通信圈这样描绘4G;今天,这个描绘传承给了5G。

这也是典型代表着通信技术逐步演进的过程,革命性的体验都是逐步实现和完善的。实质上,5G对移动互联网的颠覆也是逐步演进的过程,它还将催生出无数新应用、新模式,产业。时速100公里的汽车,在5G网络条件下从发现障碍到启动制动系统需要移动的距离将缩短到2.8厘米。

五特征:“无与伦比的快”、“人多也不怕”、“什么都能通信”、“最佳体验如影随形”、“超实时、超可靠”。具体提下在用户体验方面的5个典型5G场景:

1、速度

5G将比4G快10到100倍,更快的速度也将提升网络的容量,可以容纳更多的用户在同一时间登录网络。

2、全景视频:移动端也能实现

不少人一定会对体育馆内的巨屏所吸引。但如果你能在游戏或者智能手机中获得同样的实时画面呢?你甚至可以切换镜头,即时重播,高分辨的4K视频会让你耳目一新。

3、自动驾驶汽车:1平方公里内可同时有100万个网络连接

我们目前使用的4G网络,端到端时延的极限是50毫秒左右,还很难实现远程实时控制,但如果在5G时代,端到端的时延只需要1毫秒,足以满足智能交通乃至无人驾驶的要求;现在的4G网络,并不支持这样海量的设备同时连接网络,它只支持数量不多的手机接入,而在5G时代,1平方公里内甚至可以同时有100万个网络连接,它们大多都是各种设备,获知道路环境,提供行车信息,分析实时数据、智能预测路况……通过它们,驾驶员可以不受天气影响地,真正360度无死角地了解自己与周边的车辆状况,遇到危险也可以提前预警,甚至实现无人驾驶。

4、互联网机器人:实时反馈医生指令

对医生而言,机器人在手术方面将大有可为。但是它们需要对医生发出的指令作出实时反馈。在执行复杂的命令时,正在工作的机器人更需要与医生实现无缝“沟通”。

5、虚拟现实:各种体感需要极速网络传输

当你戴上VR头盔后,你便进入了一个虚拟的世界,在这个世界,你可以与他人进行互动,游戏甚至击掌。有了5G,用户之间的相互协作将迎来新的时代。相同物理位置的两人将可以实现相互合作。各种体感功能需要极速网络传输,才能加强虚拟现实,网络天生就是管道。

还可以这么简单理解5G的体验变化——

3G、4G干的都是人事(连接人)不是质变,5G干的不是人事(连接物)才是质变:在4G网络下,云端系统无法传输紧急指示让无人驾驶汽车穿过交通流;4G也达不到在远程会议中提供即时语言翻译的速度,更不必提在救死扶伤的手术之中遥控指挥手术刀——要知道,许多即时无线应用的最大延迟期不得超过1毫秒。

舵手财经


最近两天,一则新闻突破了林丹出轨、冯小刚手撕万达等各类强劲对手的围攻,在微博和朋友圈竟然占有一席之地,但是新闻的内容完全看不懂,什么 Polar、LDPC,满屏幕字我只读懂了一个关键句“华为为国争光,在世界通信行业有话语权了”。好嘛,无脑转了先。

回过神来,我们是不是得弄清楚华为这次主推的这个 Polar 码到底是个什么,又怎么重要的。我们通俗易懂不过分纠结具体细节地讲一下。

我们平时看到的视频、图片、音频的编码都不同,将所有的数据转换成 0101 这类的形式,但他们的编码方式是不同的。调制可以把我们接收到的信息变个模样,便于传输,在接收端解调可以恢复成原来的样子。信道编码技术可以防止发送接收到的数据有出入,纠错用的。很好的编码方式就可以提高传输的效率和可靠性。Polar 码的优势就是时延短,可靠性高。

你用手机肯定知道 2G、3G、4G 网络,然后不同的运营商比如 3G 中分不同的网络制式,中国移动是 TD-SCDMA,中国联通是 WCDMA。国际上各家又有各自的标准。同样的,5G 时代也是如此,国际上主要阵营分三拨,分别支持 Polar、LDPC、Turbo 2.0。但是曾经垄断 3G、4G 时代的 Turbo 支持的人在这次 5G 争霸赛中特别少,所以基本上变成了 Polar 和 LDPC 的竞争。

为何都要支持不同的标准呢?首先,编码和调制是无线通信技术中最核心最深奥的部分,被誉为通信技术的皇冠,体现着一个国家通信科学基础理论的整体实力。3G、4G 时代最底层最核心的编码方案和中国都没啥关系;其次,比如某公司看重了这个 Polar (并不是华为发明的也不是华为首次提出方案的只是负责落地和牵头,所以大家不要如此激动),先研究,如果成为统一标准就能先落地应用。如果标准成了别的什么,那就意味着我们得从头再来了;最后,毕竟研究这个编码的过程中还是会积累一些专利的,要知道一旦成为标准,靠专利吃饭也是非常可怕的,具体可以参考下高通。

简单说,高通主导 LDPC (带上英特尔,三星,诺基亚和 Verizon ),华为主导 Polar(中兴,Vivo,OPPO,小米,阿里巴巴,联想,大唐电信等等)。

此时的巨头公司爱立信是纠结于 LDPC 和 Turbo。大唐电信则是在 Turbo 和 Polar 间纠结。这两个会影响到最后的局势,但因为 Turbo 绝对失势,爱立信只能选 LDPC,大唐就选了 Polar。反正期间经历了很多场会议讨论各种对峙和站队,最终有了今天我们看到的结果:

美国时间 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,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(增强移动宽带)场景编码最终方案。

参与竞争的,还有美国的 LDPC(低密度奇偶校验码)方案,法国的Turbo2.0方案。最终,支持华为提案的公司达到了 59 个,Polar code 最终成为控制信道的编码方案。

很多人就觉得这是中国终于站起来了,把高通踩在了脚下…这种人一看就是高考阅读理解扣分严重的同学。技术是没有国界的,这个是土耳其科学家发现的,原始方案也不是华为提的,CRC-aided 等等方法也都不是华为首提。只是说华为主推还是靠了大部分公司的认可才通过,再加上 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,就是说数据信道的上行和下行短码方案仍然归属 LDPC 码。

和控制信道相比,数据信道才是真正的大头,之所以在数据信道编码的竞争中输给高通的 LDPC 码,也就是因为业界还是觉得这种技术还不够成熟(十年都没有根本算不上成熟),和 LDPC 和 Turbo 这样沉淀了五十年以上的在成熟度上确实不能比。

各种技术理论此处不解释,解释一下为何在 5G 时代国际上大家怎么就想采用一套统一标准了?

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。

——《5G为何采纳华为力挺的Polar码?一个通信工程师的大实话》

就这么简单。你们可能觉得华为如何如何,中国如何如何,但是随着全球化的深入,这种合作的加深,对华为这样的公司,去国家标签化或许更为合适。

最后用华为的polar码相关工作万蕾博士的一句话结尾:

这两天的自媒体报道普天盖地,但是华为公司从来没有对 3GPP 的常规标准活动和进展有过报道。大家对 5G 标准的期待非常理解,但是还是要克制不当言论,以免伤害 3GPP 的团结氛围。”她刚才的微信说到: “参与其中,深刻理解这只是 3GPP 作为国际标准化组织为电信产业贡献的又一个 5G 特性,这里是业界众多公司的共同贡献。技术是没有国界的,3GPP 之所以成功,就是归功于它的国际化,它的罗马论坛式的技术辩论是推动技术优化趋于完善的核心机制。NR信道编码机制 LDPC+Polar 的决策是 5G 标准的一个里程碑,进一步巩固了 3GPP 全球 5G 统一标准的地位,夯实了产业运营商 网络厂商 芯片和终端厂商各方共同合作的决心。衷心祝愿 3GPP 的全球化的民主精神源远流长…”



5月31日,体验者在位于北京市的中国移动5G体验厅观看5G设备。 新华社 发
5月31日,体验者在位于北京市的中国移动5G体验厅观看5G设备。 新华社 发

11月16日,世界互联网领先科技成果发布活动在乌镇举行。图为美国高通公司代表在介绍5G技术。   新华社 发
11月16日,世界互联网领先科技成果发布活动在乌镇举行。图为美国高通公司代表在介绍5G技术。   新华社 发

11月14日至18日,在美国里诺召开的3GPP RAN1 #87会议上,华为等中国企业主推的极化码(Polar Code)打败美国主推的LDPC码和法国主推的Turbo码,成为5G eMBB场景在短码上的控制信道编码方案。

这堪称中国企业在移动通信技术上最大的一次突破。消息一出,顿时引起了自媒体和标题党的狂欢,动辄言称“5G标准中国定”“华为碾压高通拿下5G时代”等浮夸之词。

与此形成鲜明对比的是,当事方华为却反应冷静,从公关到参会代表都对此守口如瓶不置一词,直到19日才发布了不到500字的新闻通报,通报上的措辞也非常谦虚,一字未提华为在其中的功劳。

在这场5G标准大战中,华为是否真的“碾压”高通?polar码的胜出是否就意味着拿下5G标准的制定权?中国未来能否引领5G时代?在深晚记者采访到的通信学者、专家和参会人员看来,事实却远非人们所轻易接受的那样乐观。

这次在5G标准方案之争中取得突破性的胜利,确实映照中国经济新变局。不过,这尚是一个远未完结的嬗变。

博弈、胜利和狂欢:一个极化码方案的诞生与闻名

11月16日,在美国里诺举行的3GPP会议4组的代表潘峮悄悄走进了1组的会议室,迎接他的是一个学术“闹市”。无论白种人、黄种人还是黑种人,混合成6大阵营“战成一团”。潘峮有点弄不清楚哪边是中国的阵营,他一会儿听着一个老外在谈华为的极化码(Polar Code)的灵活性,一会儿看到一个华人在为美国高通的LDPC码辩护。

在外行人看来,这是一个枯燥且不知所云的冗长会议。而在来自中国通信协会的潘峮看来,这是一场在会前就已经开始的利益博弈。这场没有硝烟的争辩一直持续到凌晨,潘峮有点支撑不住,先行离开了。新的方案不断出现,主席不断地把方案投在屏幕上,反对者用各种技术上的理由告诉主席他们为什么不能同意这个方案。

在离开会议现场之前,潘峮的同事用4G手机拍了一张照片,照片上记录着与华为共签方案其他公司的名称,这个方案将华为的Polar Code作为短码信道控制编码方案。一起共签的公司包括中国的移动、联通、电信以及中国台湾的联发科技中联科,美国的Dish Network,日本的东芝。他们选择共签,代表着选择和华为“站同一条船”。

情况再次僵持不下,就必须投票决出了。会议规定在凌晨1点前必须结束,而博弈还在进行。

17日凌晨0点45分,最终的方案确定了。国际移动通信标准化组织3GPP确定了极化码(Polar Code)作为5G eMBB(增强移动宽带)场景的控制信道编码方案,这意味着华为将有望参与全球通信行业中5G通信最基础的编码过程。

这对于中国来说绝对是第一次。通信行业的与会者们非常激动地在自己的朋友圈中公布这一消息,媒体蜂拥而至,自媒体公号也开始添油加醋,出现了标题多为“5G标准中国定!”“华为碾压高通拿下5G时代!”等各种标题。华为“碾压”美国电信巨头高通,“华为主导5G时代通信标准”。

“标准并不是我们牵头,也远远没有到主导这一步。”针对这些夸大其词的文章在谈到有些自媒体的报道时,华为公关部门对深晚记者回应称在接受深圳晚报采访时,表示华为尚且无法“碾压”高通,更何况是“引领5G时代”。

在华为看来,这一轮的谈判过程艰难异常,这些自媒体的夸大之词容易给中国企业树敌,加剧后续谈判的困难。

全程参5G编码方案讨论的台湾联发科技代表吴威德接受深晚记者采访时表示,这次极化码(Polar Code)的胜利是各方共同努力和互相妥协的一个结果。他用了“惨烈”一词来形容谈判的艰难。由于讨论一度陷入僵持,几乎每次有争议时都会讨论到凌晨一两点才罢休。因为在控制信道上,绝大部分产商都比较保守,更倾向于卷积码,所以华为、联发科、中兴为代表的极化码(Polar Code)阵营要同时顶住高通、三星、诺基亚、爱立信、LG等LDPC和Turbo两大阵营的围攻。

在这种情况下,最关键的决胜点就是要能够说服大部分重要的运营商,“我觉得华为在这方面做得很出彩”。在他看来,华为的动员非常给力,拉拢了很多企业、运营商特别是中国移动的支持,最终各方的团结达到了一个足以匹敌对手的局面。“最后我们有点把高通堵住了。”吴威德笑着说。他认为,这次谈判的胜利,华为、中兴、中国移动和联发科都作出了较大的贡献。

华为的极化码(Polar Code)方案主要贡献者之一万蕾博士在自己的朋友圈上冷静表达对此事的态度:“这两天的自媒体报道铺天盖地,但是华为公司从来没有对3GPP的常规标准活动和进展有过报道。大家对5G标准的期待非常理解,但还是要克制不当言论,以免伤害3GPP的团结氛围。”

看到众多自媒体公号夺人眼球的标题,潘峮也有些哭笑不得。因为本次采纳的极化码(Polar Code)短码编码方案只是针对5G的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场景的信道编码方案。在他看来,华为力推的极化码(Polar Code)拿到短码控制信道的编码方案,只能算是阶段性的胜利。

虽然现在极化码(Polar Code)已经被认可了,但是还没有正式被写到5G标准中。因为5G的标准现在仍处于研究阶段。国际移动通信标准化组织3GPP在制定标准的时候永远有两个阶段——研究项目阶段和工作项目阶段。在2017年3月份之前,目前3GPP的标准制定尚处于研究项目阶段,具体的实施过程要在2017年3月份之后才开始决定。另一方面,相对于11月份的胜利,华为的极化码在10月份决定长码的编码方案会议中基本告败。面对强敌高通,华为的极化码(Polar Code)方案完全败给高通的LDPC码方案手中了。而这次会议中,在决定短码的编程方案时,也出现了无数次的妥协。最后的结果是在信道长度不大于一定值的情况下,才能用极化码(Polar Code)作为控制信道的编码方案,超过这个数值就无法使用,限制非常多。

“所以在这种情况下,利益的博弈之中,永远不可能做到一边倒的状况,只能是互相平衡。”潘峮在接受深晚记者采访时如是说。他表示,在明年3月正式实施之前,谁也不知道确切的5G标准。

对于华为,还有漫长的博弈。

华为和高通:方案来自同一个“祖师爷”

在整个2016年度3GPP会议上,华为力推提出的极化码(Polar Code)方案和美国高通力推提出的LDPC码方案始终在不断地竞争,各有胜负。

吴威德表示,3GPP的编码战争是从10月份里斯本会议开始起火,一直打到现在的里诺会议,从数据信道一直争到控制信道。而在里斯本会议上,极化码(Polar Code)败给了LDPC码,后者被采纳为5G eMBB场景的长码块数据信道编码方案。

也就是说,在5G eMBB场景上,极化码(Polar Code)为控制信道编码方案,LDPC码为数据信道编码方案,所以两者目前算是势均力敌,谈“碾压”和“颠覆”还为时过早。

吴威德对深晚记者直言,这并不是他们最满意的结果。“我们仍然觉得,即使在数据信道上,极化码(Polar Code)也会有很好的表现。”他认为,LDPC码在长码上有实现优势,但在控制信道和短码上有局限。

吴威德的技术团队从终端的观察发现,极化码(Polar Code)在控制信道和短码上表现优异,“我们一直在寻找这样的一种码的存在,可以最大优化能耗问题。”跟华为一样,联发科技对polar码也早有技术上的投资,在与华为的几次会议交流中也达成了一定的共识。“极化码(Polar Code)的效能是比较占优的,相对4G而言,消费者会有更好的体验。”

但终端实现不成熟是Polar码一个最大的软肋,同时也成为美国高通攻击华为等极化码(Polar Code)阵营的一个最大的筹码。“特别在终端上的问题各方进行了很多的答辩。我们有拿出一些具体的技术方案来说服运营商,告诉他们至少在终端上极化码(Polar Code)是没有问题的。”

不为众人所知的是,华为和高通并不是这两个编码的发明者。极化码(Polar Code)是土耳其比尔肯大学教授埃达尔·阿利坎(Erdal Arikan)在2008年提出的,2009年开始引起通信领域的关注。而华为则对其进行了改进。目前,极化码(Polar Code)是唯一可理论证明达到香农极限,并且具有可实用的线性复杂度编译码能力的信道编码技术。

而LDPC码是由美国麻省理工学院的教授罗伯特·加拉格(Robert Gallager)在1962年提出的,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。正是高通将LDPC码正式推向大规模的商业应用。

“听说极限码成为5G标准的一部分,我简直兴高采烈。”在接受深圳晚报采访时,发明极化码(Polar Code)的土耳其比尔肯大学教授埃达尔·阿利坎非常开心。

在谈到两个编码方案的博弈时,埃达尔·阿利坎教授表示他的恩师正是罗伯特·加拉格教授——LDPC码的发明者,这位教授是他在麻省理工学院的博士学位论文导师。从这个角度来看,华为的极化码(Polar Code)编码方案和高通的LDPC码编码方案其实来自同一个祖师爷——罗伯特·加拉格。

埃达尔教授认为,不管是LDPC码还是极化码(Polar Code),他都很乐意看到这两类代码从大学的理论研究中走出来,去影响“现实生活”。至于从编码方法来比较,两者各有正反面,这也是为什么两者都出现在5G的指定标准当中。

“如果不是华为作为电信行业的主力坚定而有毅力地付出努力,极化码(Polar Code)也无法取得如今的成绩。”埃达尔教授在接受深圳晚报采访时,肯定了华为和其他中国公司及大学的努力。

据澎湃新闻报道,华为对极化码(Polar Code)的研究比别人起步晚两年,当时由华为5G首席科学家童文加盟华为带来极化码的信息。童文在今年接受记者采访时曾披露,华为在2009年启动了5G早期研究,此后与哈佛大学、剑桥大学、加州大学等开展了大量合作。2012年华为开始做样机验证,2013年完成了室内样机,2015年开始大规模进入外场试验。目前华为在全球有超过500名科学家在全职研究5G。

前华为工程师、通信专家杨学志在接受澎湃新闻采访时表示,整个5G从创新角度来看没有很高的技术突破,但是整个产业将重新洗牌。LDPC主导了5G中长编码以及短码的数据传输编码,华为虽然在LDPC上积累颇多,但高通作为推动者却赢得了话语权,为后续的专利谈判和诉讼赢得主动地位。华为只得到了极化码(Polar Code)信令控制,虽然也是突破但未必满意。

极化码(Polar Code)作为一个新方案,在3GPP里争议还是比较大,实际应用环节还不太成熟。但埃达尔教授对此十分乐观,“从能耗的角度来看,极化码(Polar Code)灵活、优能、高效,它将会被越来越广泛地使用。但面对未来的挑战,我们还有很多事要做”。

吴威德同样对未来的挑战充满期待,“只能说我们现在功力大增,未来是否会因此取得主导,我觉得还是要有持续的努力,以技术为本。”他表示联发科作为台湾5G联盟的重要公司,通过联盟在这次会议上与华为有了互补的合作,相信未来能与更多的大陆公司寻求更多技术上的互补合作。

中国制定通信标准时代何时真正来临?

从1G到5G,基本逢10年必出新一代通信技术。每一代通讯技术的更新换代,意味着各国通信行业未来的盈利占比,更重要的是话语权。

2007年,中国的公司已经加入3GPP。中国通信协会成员潘峮回忆,那时中国的公司在会议上是很弱势的,包括华为也没有话语权。

在3G时代,中国在通信行业的自主产权是CDMA。从性能上来讲,CMDA与CMA2000和WCMA来比较差,用户体验不佳。但如果没有自主的产权,中国难以培养出来像大唐、中兴这样的大公司。

同时,几十万的通信方面的人才在做3G自主产权的过程中被慢慢培养出来,为4G阶段TD-LTE奠定基础。到了4G时代,全世界很多国家都在使用TD-LTE。

在埃达尔教授眼中,中国正处在电信行业的探索前沿,“中国的商业领导者有如此广阔的视野,中国的科学家和工程师有如此高的才干,中国注定将成为一个顶尖的国际竞争者。这一点将不止体现在电信行业,更是在科技的方方面面。”

2016年1月,中国5G技术研发试验于全面启动,5G技术研发试验将在政府的领导下,依托国家科技重大专项,由 IMT-2020(5G)推进组负责实施。其主要目标是支撑5G国际标准制定,推动5G技术研发及产业发展,促进全球5G技术标准形成。

新一代宽带无线移动通信网重大专项总师、IMT-2020推进组顾问邬贺铨院士曾表示,我国虽然在3G、4G开展过技术试验,但在标准制定之前,启动技术研发试验还是第一次。在开放环境下开展技术研发与验证等工作,将有利于全球5G统一标准的形成。

根据总体规划,中国5G技术研发试验将在2016~2018年进行,分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证3个阶段实施。在5G即将进入国际标准研究的关键时期,中国启动5G研发技术试验,搭建开放的研发试验平台,邀请国内外企业共同参与,推动全球5G统一标准的形成,促进5G技术研发与产业发展,为中国2020年启动5G商用奠定良好基础。

目前,华为、中兴等7家国内外企业参与了第一阶段的测试,并在9月份完成了7个无线关键技术和4个网络关键技术的性能和功能测试。其中,华为测试验证了极化码在移动互联网和物联网业务情况下的性能优势。第二阶段试验将重点开展面向移动互联网、低时延高可靠和低功耗大连接三大5G典型场景的无线空口和网络技术方案的研发与试验,并计划在2017年底前完成。

在刚刚闭幕的第三届世界互联网大会上,中欧数字协会主席路易吉·甘巴尔代拉(Luigi Gambardella)在接受媒体采访时说:“中国即将成为5G时代的全球领跑者,而5G时代的到来将推动新一轮技术革命。”

深圳晚报实习记者 何安茹 张小莲


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