通信人家园
标题:
Polar码不是华为的,LDPC也不是高通的
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时间:
2018-7-17 09:33
作者:
liluxiang
标题:
Polar码不是华为的,LDPC也不是高通的
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。
时间:
2018-7-17 10:48
作者:
scnc001
看到wifi,感觉现在wifi才是瓶颈了,似乎还没几个厂商去研发
时间:
2018-7-23 10:35
作者:
ldsj89
分析很到位
时间:
2018-9-13 15:29
作者:
fjl301
soga
时间:
2021-5-28 15:33
作者:
qkb_75@163.com
任正非 还给 那个 土耳其人发奖来着。
时间:
2021-5-28 16:26
作者:
litom2004
对,只是厂家支持的不同!
通信人家园 (https://www.txrjy.com/)
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