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5G 信道編碼 3GPP
LDPC Turbo Polar
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LDPC碼終于被5G通信采納
2016年10月14日，在葡萄牙里斯本，阿爾蒂斯大酒店，3GPP RAN1會議終于確定5G通信將使用LDPC碼作為移動寬帶（eMBB）業(yè)務數(shù)據(jù)信息的長碼塊編碼方案。在問世53年之后，LDPC終于被主流移動通信系統(tǒng)接納了。這對從事LDPC碼研究的專家或者學者來說（筆者也是其中之一），無疑是一件令人興奮的事情。
在這次會議中，關于5G 通信中候選的信道編碼技術，其實有三個不同的陣營：
美國主推 LDPC碼，代表的陣營有高通、NOKIA、Intel和三星。
法國主推 Turbo碼，代表的陣營有Orange和愛立信。
中國主推 Polar碼，代表的陣營有華為。
美國以高通領隊，法國派出了最強團隊（94年 Turbo 元老級 Claude Berrou 團隊），中國則以華為為首。這是一場美、歐、中三方的通信標準之爭。
LDPC碼陣營認為，Turbo碼譯碼時延大，不適用于5G高速率、低時延應用場景。
Turbo碼陣營反駁，Turbo碼已使用于3G、4G，在應用中不斷改進的Turbo碼是能夠滿足5G極端場景的。
Polar碼則似乎有些弱勢，目前還沒有大規(guī)模應用采納。
經(jīng)過幾百份提案和無數(shù)次討論之后，最終3GPP 選定 LDPC碼為 5G 中長碼編碼方案。短碼的懸念留到了下次會議決定，Polar碼和 Turbo碼仍有望在未來的 5G 短碼編碼標準中占一席之地。
什么是信道編碼
在移動通信中，由于存在干擾和衰落，信號在傳輸過程中會出現(xiàn)差錯，所以需要對數(shù)字信號采用糾、檢錯技術，即糾、檢錯編碼技術，以增強數(shù)據(jù)在信道中傳輸時抵御各種干擾的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。對要在信道中傳送的數(shù)字信號進行的糾、檢錯編碼就是信道編碼。
信道編碼是為了降低誤碼率和提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼。信道編碼之所以能夠檢出和校正接收比特流中的差錯，是因為加入一些冗余比特，把幾個比特上攜帶的信息擴散到更多的比特上。為此付出的代價是必須傳送比該信息所需要的更多的比特。
傳統(tǒng)的信號編碼有漢明碼、BCH碼、RS碼和卷積碼。目前應用較廣的有Turbo碼，以及5G即將使用的LDPC碼，還有具有應用潛力的Polar碼等。不同的信道編碼，其編譯碼方法也有所不同，性能也有所差異。
關于LDPC碼與Polar碼
****LDPC碼****
LDPC碼和Polar碼都是當今5G備選技術里炙手可熱的信道編碼技術，也是當今信道編碼研究領域的熱點。在這里不詳細講述具體的技術，只是給大家科普一下關于LDPC碼和Polar碼的知識。
LDPC碼的發(fā)明人是美國人Robert Gallager，Polar碼的發(fā)明人是土耳其人Erdal Arikan。同為頂尖的信息論高手，兩個人同時也是師徒關系。
LDPC碼于1962年由Robert Gallager提出，由于當時計算機處理能力和硬件實現(xiàn)水平有限，之后很長一段時間沒有受到人們的重視。直到1993年Berrou等提出了Turbo碼，糾錯碼理論經(jīng)過近50年緩慢的發(fā)展，突然取得了巨大的進步。人們發(fā)現(xiàn)Turbo碼從某種角度上說也是一種LDPC碼，近幾年人們重新認識到LDPC碼所具有的優(yōu)越性能和巨大的實用價值。在80年代，Tanner用圖論的方式解釋了LDPC碼，并改進了譯碼方法。
到了90年代，劍橋大學卡文迪許實驗室的David J.C. MacKay研究表明，采用LDPC長碼可以達到Turbo碼的性能，LDPC碼在此進入了學術界的視野。隨后學術界對LDPC投入了大量的關注，對編碼矩陣構(gòu)造、譯碼算法優(yōu)化等關鍵技術展開研究。
其中比較關鍵的突破包括：高通的Thomas J. Richardson提出的Multi-Edge構(gòu)造方法可以靈活的得到不同速率LDPC碼，非常適合通信系統(tǒng)的遞增冗余（IR-HARQ）技術；再加上LDPC的并行譯碼可以大幅度降低LDPC碼的解碼時間和復雜度，LDPC從理論進入通信系統(tǒng)的障礙被全部掃清了?，F(xiàn)在，LDPC碼被公認為是性能最接近香農(nóng)極限的信道編碼之一。
LDPC碼是一種線性分組碼，它是一種校驗矩陣密度（“1”的數(shù)量）非常低的分組碼，核心思想是用一個稀疏的向量空間把信息分散到整個碼字中。普通的分組碼校驗矩陣密度大，采用最大似然法在譯碼器中解碼時，錯誤信息會在局部的校驗節(jié)點之間反復迭代并被加強，造成譯碼性能下降。
反之，LDPC的校驗矩陣非常稀疏，錯誤信息會在譯碼器的迭代中被分散到整個譯碼器中，正確解碼的可能性會相應提高。簡單的說：普通的分組碼的缺點是錯誤集中并被擴散；而LDPC的優(yōu)點是錯誤分散并被糾正。
由于LDPC碼優(yōu)異的性能，已經(jīng)被5G通信所認可并采納。對于LDPC碼來說，不僅可以應用到移動通信當中，還可以應用到存儲領域（筆者目前正從事這方面的研究）。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有研究利用LDPC碼應用到高密度閃存（如現(xiàn)在的MLC/TLC NAND Flash）以提高存儲的可靠性，在此之前主要應用的是BCH碼。由于存儲芯片制造尺寸日益減小，可靠性是一個需要被重視的問題，LDPC碼的應用無疑具有重要的意義。
Polar碼
Polar碼是2007年Erdal Arika在他的一篇關于信道計劃理論的文章中提出來的。在近來的研究中，Polar碼被發(fā)現(xiàn)其具有接近香農(nóng)限的性能，而且編解碼具有較低復雜度，逐漸成為糾錯碼研宄新的熱點。
Polar碼構(gòu)造的核心是通過“信道極化”的處理，在編碼側(cè)，采用編碼的方法使各個子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性，當碼長持續(xù)增加時，一部分信道將趨向于容量接近于1的完美信道（無誤碼），另一部分信道趨向于容量接近于0的純噪聲信道，選擇在容量接近于1的信道上直接傳輸信息以逼近信道容量。
在譯碼側(cè)，極化后的信道可用簡單的逐次干擾抵消譯碼的方法，以較低的實現(xiàn)復雜度獲得與最大似然譯碼相近的性能。Polar碼作為目前唯一可理論證明達到香農(nóng)極限，并且具有可實用的線性復雜度編譯碼能力的信道編碼技術，在未來移動通信當中將具有很大的應用潛力。
在中國，華為大力推進Polar碼的研究。華為在中國IMT-2020(5G)推進組5G第一階段外場的信道編碼實際測試中，測試了Polar碼在靜止和移動場景下的性能，通過極化編碼的使用和譯碼算法的動態(tài)選擇，同時實現(xiàn)了短包（大連接物聯(lián)網(wǎng)場景）和長包（高速移動場景，如自動駕駛等低時延要求）場景中的穩(wěn)定的性能增益，使現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡的頻譜效率有近10%的提升，還與毫米波結(jié)合達到27Gbps的速率，實測結(jié)果證明Polar碼可以同時滿足ITU的超高速率、低時延、大連接的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)三大類應用場景。
新空口技術是5G區(qū)別于傳統(tǒng)通信技術最革命性的創(chuàng)新，華為通過多種新空口技術（F-OFDM，Polar Code，SCMA，GrantFree，ShortTTI）的組合，總體可使5G空口提升3倍頻譜效率，為5G關鍵技術選型做好了充分的準備工作。
筆者解讀
筆者認為無論是LDPC碼或者Polar碼，由于之前大多的研究主要集中在理論上，但隨著計算機與硬件水平的發(fā)展，更多的理論會得到實踐，兩者在未來都將具有非常大的應用潛力。最后感謝一下5GNR，科技蜘蛛，網(wǎng)優(yōu)雇傭軍提供的材料。
