超能課堂：5G信道編碼之爭

科技 05-25

聯想在確認5G信道編碼標準時，沒有把票投給華為的Polar碼，經過自媒體肆意編造後，版本越傳越邪乎，似乎一個通信技術確認的背後充滿了內幕，為3GPP嚴謹的技術制定蒙上了陰影。同一時間，什麼5G長碼、短碼、信道編碼、控制編碼等專業辭彙一股腦地塞給我們，讓吃瓜群眾試圖還原事件真相充滿了難度，接下曾經是通信人的小編給大家理清楚其中的技術細節。

前一段時間，第五代移動通信網路5G（IMT-2020）在中國發生了一件大事情，禍起於各大問答平台，矛盾一致指向了聯想的「不愛國行為」——在確認5G信道編碼標準時，沒有把票投給華為的Polar碼。後面經過自媒體肆意編造後，版本越傳越邪乎，似乎一個通信技術確認的背後充滿了內幕，為3GPP嚴謹的技術制定蒙上了陰影。同一時間，什麼5G長碼、短碼、信道編碼、控制編碼等專業辭彙一股腦地塞給我們，讓吃瓜群眾試圖還原事件真相充滿了難度，接下曾經是通信人的小編給大家理清楚其中的技術細節。

3GPP作為全球通信標準的主要制定方，每個標準的確定都是經過反覆討論、驗證以及嚴格審查以確保其可實現性。為了確保標準按進度完成，3GPP下面分為RAN、SA以及CT三大領域工作組，各自負責不同各任務，RAN主要負責無線接入網路相關的內容，SA主要負責業務和系統概念等相關的內容，CT負責核心網和終端等相關的內容，而且還會在三大工作組下再細分幾個工作組。

其中RAN1工作組負責無線接入網物理層設計，其中就包括信道編碼。信道編碼也叫差錯控制編碼，可以說是每一代移動通信技術中的核心要素，是所有現代通信系統的基石。它承擔起數據糾錯功能，防止你手機發送的是「不行」，而在電磁波傳輸過程由於各種干擾導致數據出現丟失，到了別人手機就變成了「行」，這樣的誤會可就大了，因此移動通信系統普遍引入信道編碼技術。

那麼長短碼又是什麼？

其實這裡面有一個天大的誤會，主要是當時中興提出了一個混合信道編碼方案R1-1610607，提出同時使用LDPC+Polar編碼，此後華為也提過類似的方案R1-1610805。以數據信道數據塊大小分為長碼塊和短碼塊，長碼塊用LDPC，短碼塊用Polar，但最終未被主席會所接納。

又因為信道編碼裡頭還劃分了數據信道編碼以及控制信道編碼，由於數據通常碼長比較長，而控制碼長非常短，不明所以然的人就誤以為長碼就是數據信道編碼，而短碼是控制信道編碼，其實這是一種誤讀的，其實長短碼都是用於描述數據信道編碼。

那麼LDPC、Polar、Turbo三雄爭霸又是什麼情況？

信道編碼採用誰家的方案，其實不單單體現國與國之間的較量，其實對於我們消費者來說也是有密切關係，信道編碼方案的優勢、成熟程度最終會對終端基帶的複雜度、成本造成重大影響。而且最終某一個信道編碼方案成為5G標準方案，誰家擁有該專利越多，最後從中收取的專利費用就越多，這個就是涉及到商業利益互博了，佔大頭的還能掌握住5G標準的大權，這個參考高通在CDMA制式上的超強控制能力，以及收專利費收到手軟的例子。

在制定5G標準過程中，經過前期的較量，眾多編碼方案經過討論、考核後，只剩下三個比較有前途的編碼，分別是法國電信的Turbo code、美國高通主推的LDPC Code，還有來自中國華為主推的Polar Code。而這三者都有一個共同點，那就是非常接近香農極限。

1948年Claude Shannon提出了通信領域非常重要的香農定理，揭示了信道信息傳送速率的上限（比特每秒）和信道信噪比及帶寬的關係，而且存在一個上限問題，還可以通過信道編碼的方式來實現更可靠通信。

通信系統框架圖

隨著我們對於網速要求越來越高，通信人不斷在探索更加接近香農極限的信道編碼，其中比較優秀的方案成功突圍，成為5G候選標準之一。

Turbo碼，渦輪碼

Turbo碼的誕生也很神奇，發明它的人卻不是通信行業的工程師，而是兩名來自法國電機工程師C.Berrou和A.Glavieux，使用了迭代解碼的辦法解決了困擾通信人已久的計算複雜性問題，開創了全新的通信時代，這時候原本與香農極限相差2-3dBA，突然一下子就進入到0.1-0.01dBA的水平。

Turbo碼很快成為了3G、4G移動通信技術中採用的編碼技術，但它的缺點很明顯，由於它採用了兩個分量解碼器之間進行迭代解碼，解碼時長上要高於其他方案，這個對於5G願景中超低時延要求不符合，很快就淡出考慮範圍之內。一種編碼用三代的願望就此落空了。

LDPC碼，低密度奇偶校驗碼

最早在1963年由美國MIT的Robert Gallager在博士論文《Low Density Parity Check Codes》中提出，不過你可知道Robert Gallager師承何人？正正是前面提及開創了《資訊理論》與香農定理的Claude Shannon。

但LDPC當時缺乏性能足夠強大的CPU來支持大規模並行運算，受到技術限制未發展起來。但金子終會發光的，直到Turbo碼被商用後，再度被通訊學家重新提及，發現其優勢明顯，很多行業都進行過一場轟轟烈烈的攻關研究，用途極為廣泛，你看現在很多WiFi標準、SSD固態硬碟上已經應用上這種編碼。

LDPC Tanner圖

LDPC利用校驗矩陣的稀疏性，使得解碼複雜度只與碼長成線性關係，在長碼長的情況下仍然可以有效的進行解碼，因而具有更簡單的解碼演算法。由於LDPC可以使用高效的並行解碼構架，其解碼器在硬體實現複雜度和功耗方面均優於Turbo碼，在利用計算機找到最優秀的LDPC碼，其極限性能距香農理論限已經縮小到0.0045dB水平。

Polar碼，極化碼

相比於Turbo碼、LDPC碼有悠久歷史，極化碼顯得相當年輕，土耳其Erdal Arikan在2018年最先通過研究信道極化現象提出了Polar Code極化碼，更湊巧的是，LDPC碼的發明人Robert Gallager就是Erdal Arikan的MIT導師，沒想到一對師徒各自研究出可以影響5G移動網路格局的信道編碼。

Erdal Arikan在講解Polar碼

Polar碼是首個能從數學上被嚴格證明達到信道容量極限的編碼方案，比起Turbo碼、LDPC碼更加優秀。曾有通訊專家表示，如果不考慮通信系統設計問題，就單一的編碼技術而已，Polar可以說已經走到了信道編碼技術「盡頭」，除非是找到比Polar碼更低複雜程度的編碼，更加容易解碼，否則Polar碼可能就是編碼技術的巔峰。這也是華為看中了它的前景，在這方面花了大量時間、人力、物力去攻關Polar碼技術，掌握大量的基礎專利。雖然Polar碼不是出自中國之手，但是由華為主導推動並發揚光大的。

然而Polar碼雖然極具潛力和優秀，目前就編解碼複雜性問題而言還是一道坎，只能利用Successive Cancelation List演算法，以較低複雜度的代價實現最大似然解碼，而且在硬體不適合併行計算。

其次就是Polar碼實在是太年輕了，從來沒有應用於實際通訊系統，不像Turbo碼、LDPC碼的廣泛用於各種通信系統中，很多東西還是基於理論基礎之上，落實到硬體設計、系統設計上是否還有問題就很難說一時半會能不能完成，畢竟5G網路商用時間迫在眉睫，整個產業鏈都在等標準的落實，如果不能快速成熟，Polar碼可能會錯過5G的黃金時代。

還原聯想在5G信道編碼投票上都幹了些什麼

這個可能要從三場關鍵性會議說起：

RAN1#86

當時的R1-16799提案就是LDPC要一統數據信道編碼天下，而華為提議的R1-168040則是希望Polar碼能作為數據信道的候選方案之一。不過這次會議就純討論、摸底性質，沒有說必然的。

聯想之所以會同意LDPC方案，這個可能和聯想早期收購了摩托羅拉有很大關係，因為摩托羅拉早期以通信起家，更是造了全世界第一支手機，前期積累下大量的基礎專利，其中就包括了LDPC的40個標準基礎專利，被收購以後就落到了聯想手中，為了公司利益著想，站隊LDPC碼是合情合理，根本不存在什麼「不愛國」行為，況且當時在會議上，中興、Vivo、小米、北京信威通信也都支持了LDPC。

RAN1#86b

這次還是繼續上次的話題，到底用哪個作為信道編碼，然而這次聯想和摩托羅拉再提議LDPC成為5G數據信道唯一編碼，支持名單非常豪華，清一色美歐日韓的大公司，而中國公司開始轉向了華為的R1-1610850提案，就是長碼用LDPC、短碼用Polar。這次方案選擇的火藥味就更重了，聯想成為一個「特殊」的存在，因此這個事情成了「聯想不支持華為Polar事件」的導火索。