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5G标准专题:Polar码——移动通信领域皇冠上的宝石

作者: 郑友德 王活涛 袁真富 来源: 北国网
2018-09-05 10:18 
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【前言-Polar码简史】

2008年,通信技术专家、土耳其毕尔肯大学电气工程系Erdal Arikan教授首次提出Polar码并发表论文。

2016年,Polar码方案成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案,并成功进入5G基础通信框架协议。

2018年,全球第一个符合3GPP标准的、支持Polar码的5G系统正式发布。经过十年的不懈努力和投入,Polar码从理论变成了现实应用。

信道编码简史

众所周知,3GPP于2018年6月14日正式冻结了5G New Radio的独立组网规范。这标志着5G Release 15标准的正式发布。非独立组网的NR规格于去年12月发布。目前,所有功能标准化工作的第一阶段已经完成。去年12月,5G极化码(Polar码)被确认为5G标准的基本要素。

世界上第一个符合3GPP标准、支持Palor码的5G系统,于2018年2月22日在世界移动大会上发布,此时距离通信技术专家土耳其毕尔肯大学电气工程系Erdal Arikan教授关于Palor码的论文发布已经过去了大约10年。

我们今天看到的只是冰山一角。在水面以下,有着数十年不间断的研究和探索。

1948年,克劳德·香农(Claude Shannon)发表了论文《通信的数学理论》,它成为信息理论的基础。在论文中,他指出了在给定带宽上以一定质量可靠地传输信息的最大速率。这被称为香农极限。他还提出,信道编码技术提供了达到该限制的手段。因此,信道编码技术已经成为通信领域皇冠上的宝石,众多科学家不知疲倦地致力于开发和发展这项技术。

1967年,维特比解码算法被发明。它代表了第一代信道编码技术的巅峰之作。该算法使解码更简单,并在解码过程中提供了更好的性能。它使卷积码广泛用于信息和通信行业。该算法于1988年用于2G GSM网络,并用于随后的3G网络。

1991年,法国教授克劳德·贝鲁(Claude Berrou)发现了turbo码,这是第一个接近香农极限的编码方案。这为第二代信道编码技术打开了大门。1999年,3GPP采用turbo码作为3G UMTS系统的信道编码。它也被用于4G LTE系统。基于turbo码原则,科学界对1962年由罗伯特·加拉格尔(Robert Gallager)教授发现的LDPC码有了新的理解。人们意识到,凭借现代计算能力,LDPC码也可以接近香农极限。在随后的几十年中,LDPC码已广泛应用于存储和广播领域。

2008年,Erdal Arikan教授发表了关于Palor码的论文。Palor码成为唯一理论证明可以达到香农极限的编码方案。它们开创了第三代信道编码技术。Palor码和LDPC都被采用为5G标准。

2016年底,在3G PPRAN1 87 次会议的5G方案讨论中,Polar码方案在与LDPC和Turbo2.0方案竞争中胜出,成为5G控制信道 eMBB 场景编码最终方案。自此,Polar码成功进入5G基础通信框架协议。

在这段信道编码的发展历史中我们看到,三代信道编码技术中的每一代都需要10到20年才能从学术发现发展到行业标准。科学研究从理论转向实际应用是一个充满无数工程障碍的过程。

Palor码——移动通信领域皇冠上的宝石

达到香农极限的Polar码,有着低的编码和译码复杂度,解决了香农信息论领域尘封近60年的难题。

Palor码构造的核心是通过“信道极化”的处理,在编码侧,采用编码的方法使各个子信道呈现出不同的可靠性,当码长持续增加时,一部分子信道将趋向于容量接近于1的可靠信道(无误码),另一部分子信道趋向于容量接近于0的纯噪声信道,选择在容量接近于1的子信道上直接传输信息以逼近信道容量。在译码侧,极化后的信道可用简单的逐次干扰抵消译码的方法,以较低的实现复杂度获得与最大似然译码相近的性能。

在静止和移动场景性能测试中,使用Polar码的同时实现了短包和长包场景中稳定的性能增益,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,实测结果证明Polar码可以同时满足ITU的超高速率、低时延、大连接的移动互联网和物联网三大类应用场景需求。

Polar码声明标准专利统计分析

随着5G第一个版本标准R15的冻结和封版,参与通信设备商,芯片制造商,运营商以及研究者都积极向欧洲电信标准化协会(ETSI,一个非营利性的电信标准化组织,目前有来自47个国家的457名成员,涉及电信行政管理机构、国家标准化组织、网络运营商、设备制造商、专用网业务提供者、用户研究机构等,是全球标准化组织3GPP的成员之一)披露和声明自己拥有的5G标准相关专利(见《5G标准专题研究之一:5G标准专利,谁执牛耳?》),但各家在Polar码领域的相关研究和布局情况又如何呢?为此,笔者对当前各公司向ESTI声明的5G polar专利情况做了进一步的统计和分析(如下表)。

截至2018年7月27日,5G 新空口(NR)声明标准专利累计达5970族,相对《5G标准专题研究之一:5G标准专利,谁执牛耳?》中6月14日统计数据新增声明846族;目前5G新空口声明标准专利中已有3518族有公开的专利文本。

笔者对已经公开的3518族公开专利进行人工阅读分析,结合Polar码、编解码的中英文关键词,以及极化信道可靠度、信息比特、冻结比特、特有的生成矩阵等Polar码特性,通过阅读摘要、权利要求、说明书,以及附图等判断出是否是Polar码技术方案,获得与Polar码相关的公开声明专利为76族。笔者对未公开的2452族专利信息也进行整理统计,发现还有27族专利的标题含有Polar code元素。汇总看有103族polar码的声明标准专利,区分专利权人:华为拥有51族专利,占总数的49.5%;紧随其后的是爱立信,它拥有26族专利,占总数的25.2%。

展望未来,我们清楚地意识到标准的诞生只是5G通讯时代的开始。现在及未来,包括Polar码在内的5G技术必将更快、更好地为社会创造价值,为ICT产业和人类社会的发展创造更多的奇迹。

 

作者介绍:

郑友德:华中科技大学法学院教授、博士生导师、广东智诚知识产权研究院院长。

王活涛:深圳峰创智诚科技有限公司创始人兼CEO、首批全国知识产权领军人才。

袁真富:法学博士,上海大学知识产权学院副院长。

 

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