5G基礎(chǔ)：極化碼是什么？華為的5G技術(shù)，也源于這種方法

2019-05-24 11:42:17來源：環(huán)球科學(xué)

埃達(dá)爾·阿勒坎教授

撰文| 張華

近日，華為遭美國(guó)貿(mào)易制裁后，任正非的表態(tài)受到各大媒體關(guān)注。任正非對(duì)華為的5G技術(shù)充滿了信心：“華為的5G是絕對(duì)不會(huì)受影響，在5G技術(shù)方面，別的國(guó)家兩三年內(nèi)肯定追不上華為。”

值得注意的是，任正非在接受采訪時(shí)提到，華為在5G的成就，離不開一位土耳其的科學(xué)家的貢獻(xiàn)：“5G標(biāo)準(zhǔn)是源于十多年前土耳其的阿勒坎教授的一篇數(shù)學(xué)論文……”、“十年時(shí)間，我們就把土耳其教授數(shù)學(xué)論文變成技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。”

那么，這位土耳其科學(xué)家做了什么工作?這與華為的5G技術(shù)又有怎樣的聯(lián)系?

5G基礎(chǔ)：極化碼

1958年，埃達(dá)爾·阿勒坎(Erdal Arikan)出生在土耳其首都安卡拉，但他的求學(xué)生涯多在美國(guó)度過。1981年，阿勒坎在位于加州理工學(xué)院獲得本科學(xué)位，隨后他去了美國(guó)的另一所名校——麻省理工學(xué)院，于1985年得到電子信息工程專業(yè)的博士學(xué)位。值得一提的是，阿勒坎的博士生導(dǎo)師是美國(guó)人羅伯特·加拉格(Robert Gallager)教授。而加拉格的導(dǎo)師，也就是阿勒坎的師祖，則是大名鼎鼎的信息論鼻祖香農(nóng)。

從這個(gè)意義上來說，阿勒坎在學(xué)術(shù)上可謂師出名門。而在博士畢業(yè)、回到故鄉(xiāng)土耳其的畢爾肯大學(xué)后，阿勒坎研究出了開創(chuàng)性的技術(shù)。

在畢爾肯大學(xué)這所并不算著名的大學(xué)，阿勒坎十年磨一劍，終于在2008年大功告成，發(fā)表了主要用于5G通信編碼的極化碼技術(shù)方案。

當(dāng)年他發(fā)表的論文在2008年的IEEE期刊上，文章一共23頁，但作者只有他一個(gè)人。

這篇文章發(fā)表后，就被華為注意到了。

華為有很多科學(xué)家，研究能力一流，他們?cè)u(píng)估了阿勒坎的論文，意識(shí)到這篇論文至關(guān)重要，因?yàn)槠渲械募夹g(shù)可以用于5G編碼。

任正非向阿勒坎頒獎(jiǎng)，以致敬其為人類通信事業(yè)發(fā)展所作出的突出貢獻(xiàn)。

于是，華為與阿勒坎取得了聯(lián)系，在這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上申請(qǐng)了一批專利，并且以阿勒坎的極化碼為基礎(chǔ)封鎖了一批專利。科技企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，是專利之爭(zhēng)，也是利益之爭(zhēng)，必須先下手為強(qiáng)。

而極化碼的數(shù)學(xué)原理是什么呢?大家可以看下圖這篇文章，大概需要有一些通信與編碼的基礎(chǔ)知識(shí)才可以看明白。當(dāng)然如果具備線性代數(shù)或者群論的知識(shí)，那么只需要花下時(shí)間，肯定可以看懂極化碼的原理。

其實(shí)，極化碼看起來很復(fù)雜，但本質(zhì)上還是一些矩陣的乘法，比如，如果要對(duì)4個(gè)比特的[u1u2u3u4]用極化碼編碼，那會(huì)得到另外一個(gè)4比特的信號(hào)(碼字)[x1x2x3x4]

，這等價(jià)于以下的矩陣乘法：

5G標(biāo)準(zhǔn)：師徒之爭(zhēng)

華為在極化碼的基礎(chǔ)上開發(fā)出5G通信技術(shù)后，迎來了至關(guān)重要的5G標(biāo)準(zhǔn)投票——若能取勝，就能掌握5G通信網(wǎng)絡(luò)的話語權(quán)。

在去年的5G標(biāo)準(zhǔn)投票中，華為推崇的極化碼，受到了美國(guó)高通公司的阻擊，高通推崇的是低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)碼。

而LDPC碼的提出者，正是阿勒坎的導(dǎo)師加拉格。

所以，在這場(chǎng)5G通信標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)的背后，是一對(duì)師徒的技術(shù)之爭(zhēng)。當(dāng)然，表面上是技術(shù)之爭(zhēng)，背后也有國(guó)家利益之爭(zhēng)。

以美國(guó)的高通為代表的通信業(yè)巨頭自然傾向于用美國(guó)人提出的編碼方法，但華為為代表的通信業(yè)新秀也希望在這個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)。在5G標(biāo)準(zhǔn)的制定中，經(jīng)過復(fù)雜的博弈，最終形成了一個(gè)折衷方案：

LDPC碼成為數(shù)據(jù)信道的編碼方案;極化碼成為控制信道的編碼方案。

所以，這是一種現(xiàn)實(shí)的結(jié)果，華為雖然沒有完勝，但也沒有完敗。高通也一樣，最后的結(jié)果就是大家一起發(fā)展5G，誰也別把誰踢走。

從技術(shù)層面來說，LDPC在1963就發(fā)明了，但受限于當(dāng)時(shí)的硬件條件，同時(shí)因?yàn)槿狈尚械淖g碼算法，所以此后30多年間基本被人們忽視。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是1993年貝魯?shù)热税l(fā)現(xiàn)了Turbo碼并用于3G與4G通信后，受Turbo碼啟發(fā)，人們對(duì)LDPC碼進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LDPC碼的性能比Turbo碼更好。

所以，LDPC碼被認(rèn)為一種比較成熟的老牌編碼方案，效果確實(shí)是不錯(cuò)的。但極化碼的優(yōu)勢(shì)是計(jì)算量小，用小規(guī)模的芯片就可以實(shí)現(xiàn)，比較適應(yīng)于5G的小基站，而且采用這種編碼方法的硬件商業(yè)化后設(shè)備成本低，因此也極具競(jìng)爭(zhēng)力。

控制信道

上文提到，華為主推的極化碼主要用于5G的控制信道編碼，這是什么意思呢?

控制信道是用來傳輸指令和同步數(shù)據(jù)的，這就好像我們打開電腦時(shí)，電腦需要讀取硬盤上的信息，這就需要給硬盤通電，這個(gè)通電過程就是由控制信號(hào)來傳遞的。

所以，簡(jiǎn)單地說，華為的5G極化碼方案爭(zhēng)取到了“給電腦硬盤通電的管制權(quán)”，而不是“傳輸硬盤上的電影數(shù)據(jù)的權(quán)力”。

從數(shù)據(jù)量來說，控制信道的數(shù)據(jù)量要小很多，碼塊長(zhǎng)度一般在20-300比特之間——這就好像你不是要傳輸高清的電影數(shù)據(jù)，只是要把電腦打開，不需要那么多數(shù)據(jù)量來完成開機(jī)這個(gè)事情。而5G數(shù)據(jù)信道的碼塊長(zhǎng)度要長(zhǎng)得多，典型的數(shù)據(jù)量在3000~8000比特之間，而且碼塊非常多，其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比控制信道要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

所以，從數(shù)據(jù)量大小來說，LDPC碼取得的勝利更大一些，但這也不表示極化碼失敗了。畢竟，極化碼是一個(gè)新秀，還沒有在實(shí)踐上經(jīng)過千錘百煉，所以只能等5G大規(guī)模商用以后，我們?cè)賮碓u(píng)估極化碼的優(yōu)越性到底是不是真的好。

對(duì)于極化碼來說，長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)塊，其編碼的復(fù)雜度是O(N log N)。而根據(jù)祖師爺香農(nóng)的判據(jù)，這已經(jīng)到達(dá)了5G編碼的最優(yōu)極限。

所以，華為看好極化碼的未來，因?yàn)樗鼧O富理論優(yōu)勢(shì)。而且華為已經(jīng)在5G產(chǎn)業(yè)化上走得很遠(yuǎn)了。因此，我們不難理解華為的底氣：因?yàn)檎莆樟思夹g(shù)，即使遭遇貿(mào)易戰(zhàn)，華為也有勝利的信心。

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