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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日蜜宪，在葡萄牙里斯本虫埂，阿爾蒂斯大酒店，3GPP RAN1會(huì)議終于確定5G通信將使用LDPC碼作為移動(dòng)寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)碼塊編碼方案圃验。在問世53年之后掉伏，LDPC終于被主流移動(dòng)通信系統(tǒng)接納了。這對(duì)從事LDPC碼研究的專家或者學(xué)者來說（筆者也是其中之一）澳窑，無疑是一件令人興奮的事情斧散。
在這次會(huì)議中，關(guān)于5G 通信中候選的信道編碼技術(shù)摊聋，其實(shí)有三個(gè)不同的陣營(yíng)：
美國(guó)主推 LDPC碼鸡捐，代表的陣營(yíng)有高通、NOKIA麻裁、Intel和三星箍镜。
法國(guó)主推 Turbo碼，代表的陣營(yíng)有Orange和愛立信煎源。
中國(guó)主推 Polar碼色迂，代表的陣營(yíng)有華為。
美國(guó)以高通領(lǐng)隊(duì)手销，法國(guó)派出了最強(qiáng)團(tuán)隊(duì)（94年 Turbo 元老級(jí) Claude Berrou 團(tuán)隊(duì)）歇僧，中國(guó)則以華為為首。這是一場(chǎng)美锋拖、歐馏慨、中三方的通信標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)。
LDPC碼陣營(yíng)認(rèn)為姑隅，Turbo碼譯碼時(shí)延大写隶，不適用于5G高速率、低時(shí)延應(yīng)用場(chǎng)景讲仰。
Turbo碼陣營(yíng)反駁慕趴，Turbo碼已使用于3G、4G，在應(yīng)用中不斷改進(jìn)的Turbo碼是能夠滿足5G極端場(chǎng)景的冕房。
Polar碼則似乎有些弱勢(shì)躏啰，目前還沒有大規(guī)模應(yīng)用采納。
經(jīng)過幾百份提案和無數(shù)次討論之后耙册，最終3GPP 選定 LDPC碼為 5G 中長(zhǎng)碼編碼方案给僵。短碼的懸念留到了下次會(huì)議決定，Polar碼和 Turbo碼仍有望在未來的 5G 短碼編碼標(biāo)準(zhǔn)中占一席之地详拙。
什么是信道編碼
在移動(dòng)通信中帝际，由于存在干擾和衰落，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)饶辙，所以需要對(duì)數(shù)字信號(hào)采用糾蹲诀、檢錯(cuò)技術(shù)，即糾弃揽、檢錯(cuò)編碼技術(shù)脯爪，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)在信道中傳輸時(shí)抵御各種干擾的能力，提高系統(tǒng)的可靠性矿微。對(duì)要在信道中傳送的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的糾痕慢、檢錯(cuò)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涌矢。信道編碼之所以能夠檢出和校正接收比特流中的差錯(cuò)守屉，是因?yàn)榧尤胍恍┤哂啾忍兀褞讉€(gè)比特上攜帶的信息擴(kuò)散到更多的比特上蒿辙。為此付出的代價(jià)是必須傳送比該信息所需要的更多的比特。
傳統(tǒng)的信號(hào)編碼有漢明碼滨巴、BCH碼思灌、RS碼和卷積碼。目前應(yīng)用較廣的有Turbo碼恭取，以及5G即將使用的LDPC碼泰偿，還有具有應(yīng)用潛力的Polar碼等。不同的信道編碼蜈垮，其編譯碼方法也有所不同耗跛，性能也有所差異。
關(guān)于LDPC碼與Polar碼
****LDPC碼****
LDPC碼和Polar碼都是當(dāng)今5G備選技術(shù)里炙手可熱的信道編碼技術(shù)攒发，也是當(dāng)今信道編碼研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)调塌。在這里不詳細(xì)講述具體的技術(shù)，只是給大家科普一下關(guān)于LDPC碼和Polar碼的知識(shí)惠猿。
LDPC碼的發(fā)明人是美國(guó)人Robert Gallager羔砾，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(gè)人同時(shí)也是師徒關(guān)系姜凄。
LDPC碼于1962年由Robert Gallager提出政溃，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)處理能力和硬件實(shí)現(xiàn)水平有限，之后很長(zhǎng)一段時(shí)間沒有受到人們的重視态秧。直到1993年Berrou等提出了Turbo碼董虱，糾錯(cuò)碼理論經(jīng)過近50年緩慢的發(fā)展，突然取得了巨大的進(jìn)步申鱼。人們發(fā)現(xiàn)Turbo碼從某種角度上說也是一種LDPC碼愤诱，近幾年人們重新認(rèn)識(shí)到LDPC碼所具有的優(yōu)越性能和巨大的實(shí)用價(jià)值。在80年代润讥，Tanner用圖論的方式解釋了LDPC碼转锈，并改進(jìn)了譯碼方法。
到了90年代楚殿，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的David J.C. MacKay研究表明撮慨，采用LDPC長(zhǎng)碼可以達(dá)到Turbo碼的性能，LDPC碼在此進(jìn)入了學(xué)術(shù)界的視野脆粥。隨后學(xué)術(shù)界對(duì)LDPC投入了大量的關(guān)注砌溺，對(duì)編碼矩陣構(gòu)造、譯碼算法優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)展開研究变隔。
其中比較關(guān)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碼规伐，非常適合通信系統(tǒng)的遞增冗余（IR-HARQ）技術(shù)；再加上LDPC的并行譯碼可以大幅度降低LDPC碼的解碼時(shí)間和復(fù)雜度匣缘，LDPC從理論進(jìn)入通信系統(tǒng)的障礙被全部掃清了〔粒現(xiàn)在，LDPC碼被公認(rèn)為是性能最接近香農(nóng)極限的信道編碼之一肌厨。
LDPC碼是一種線性分組碼培慌，它是一種校驗(yàn)矩陣密度（“1”的數(shù)量）非常低的分組碼，核心思想是用一個(gè)稀疏的向量空間把信息分散到整個(gè)碼字中柑爸。普通的分組碼校驗(yàn)矩陣密度大吵护，采用最大似然法在譯碼器中解碼時(shí)，錯(cuò)誤信息會(huì)在局部的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)之間反復(fù)迭代并被加強(qiáng)表鳍，造成譯碼性能下降馅而。
反之，LDPC的校驗(yàn)矩陣非常稀疏譬圣，錯(cuò)誤信息會(huì)在譯碼器的迭代中被分散到整個(gè)譯碼器中瓮恭，正確解碼的可能性會(huì)相應(yīng)提高。簡(jiǎn)單的說：普通的分組碼的缺點(diǎn)是錯(cuò)誤集中并被擴(kuò)散厘熟；而LDPC的優(yōu)點(diǎn)是錯(cuò)誤分散并被糾正偎血。
由于LDPC碼優(yōu)異的性能诸衔，已經(jīng)被5G通信所認(rèn)可并采納。對(duì)于LDPC碼來說颇玷，不僅可以應(yīng)用到移動(dòng)通信當(dāng)中笨农，還可以應(yīng)用到存儲(chǔ)領(lǐng)域（筆者目前正從事這方面的研究）。目前帖渠，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有研究利用LDPC碼應(yīng)用到高密度閃存（如現(xiàn)在的MLC/TLC NAND Flash）以提高存儲(chǔ)的可靠性谒亦，在此之前主要應(yīng)用的是BCH碼。由于存儲(chǔ)芯片制造尺寸日益減小空郊，可靠性是一個(gè)需要被重視的問題份招，LDPC碼的應(yīng)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(guān)于信道計(jì)劃理論的文章中提出來的狞甚。在近來的研究中锁摔，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(fù)雜度哼审，逐漸成為糾錯(cuò)碼研宄新的熱點(diǎn)谐腰。
Polar碼構(gòu)造的核心是通過“信道極化”的處理，在編碼側(cè)涩盾，采用編碼的方法使各個(gè)子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性十气，當(dāng)碼長(zhǎng)持續(xù)增加時(shí)，一部分信道將趨向于容量接近于1的完美信道（無誤碼）春霍，另一部分信道趨向于容量接近于0的純?cè)肼曅诺涝椅鳎x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)址儒，極化后的信道可用簡(jiǎn)單的逐次干擾抵消譯碼的方法芹枷，以較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)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(dá)到香農(nóng)極限莲趣，并且具有可實(shí)用的線性復(fù)雜度編譯碼能力的信道編碼技術(shù)鸳慈，在未來移動(dòng)通信當(dāng)中將具有很大的應(yīng)用潛力。
在中國(guó)妖爷，華為大力推進(jìn)Polar碼的研究。華為在中國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G第一階段外場(chǎng)的信道編碼實(shí)際測(cè)試中理朋，測(cè)試了Polar碼在靜止和移動(dòng)場(chǎng)景下的性能絮识，通過極化編碼的使用和譯碼算法的動(dòng)態(tài)選擇，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短包（大連接物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景）和長(zhǎng)包（高速移動(dòng)場(chǎng)景嗽上，如自動(dòng)駕駛等低時(shí)延要求）場(chǎng)景中的穩(wěn)定的性能增益次舌，使現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率有近10%的提升，還與毫米波結(jié)合達(dá)到27Gbps的速率兽愤，實(shí)測(cè)結(jié)果證明Polar碼可以同時(shí)滿足ITU的超高速率彼念、低時(shí)延挪圾、大連接的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)三大類應(yīng)用場(chǎng)景。
新空口技術(shù)是5G區(qū)別于傳統(tǒng)通信技術(shù)最革命性的創(chuàng)新逐沙，華為通過多種新空口技術(shù)（F-OFDM哲思，Polar Code，SCMA吩案，GrantFree棚赔，ShortTTI）的組合，總體可使5G空口提升3倍頻譜效率徘郭，為5G關(guān)鍵技術(shù)選型做好了充分的準(zhǔn)備工作靠益。
筆者解讀
筆者認(rèn)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残揉，但隨著計(jì)算機(jī)與硬件水平的發(fā)展胧后，更多的理論會(huì)得到實(shí)踐，兩者在未來都將具有非常大的應(yīng)用潛力抱环。最后感謝一下5GNR壳快，科技蜘蛛，網(wǎng)優(yōu)雇傭軍提供的材料江醇。
