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华为打破高通垄断,拿下5G通信的短码标准意味着什么

半导体行业观察  · 公众号  · 半导体  · 2016-11-19 13:38

正文

版权声明:本文来自观察者网和第一财经日报整理如您觉得不合适,请与我们联系,谢谢。


美国当地时间11月17日凌晨0点45分,在刚刚结束的3GPPRAN1 87次会议的5G短码方案讨论中,中国华为公司主推的Polar Code(极化码)方案,从美国主推LDPC,法国主推Turbo2.0两大竞争对手中脱颖而出,成为5G控制信道eMBB场景编码方案,而LDPC码成为数据信道的上行和下行短码方案。此前,5G中长码编码确认方案为LDPC。

 


   

中国拿下5G短码标准的技术价值和商业意义

 

据了解,由于短码的讨论分为控制信道和数据信道,各公司从性能、实现复杂度,以及可行性等角度对几个候选编码进行了全面的分析。有媒体报道称,会议的讨论异常激烈,几乎所有的公司都参与其中,在5G控制信道eMBB场景编码方案上,以华为主导的中国队对抗美欧联军,最后还拉了51家公司同签,力压LDPC的37家公司,真是一场来之不易、令人欣喜的胜利。数十年来,通信行业里各家公司的实力此消彼长;中国公司从一开始被圈在场外,到逐渐开始参与标准制定,到主导部分条目的立项,再到今天这样全方位出击,确实反映了国内公司的技术进步和商业地位。

 


 

最终对于控制信道,由于不使用HARQ避免了时延大的问题,性能优越Polar码战胜了LDPC和TBCC,最终成为控制信道上行和下行的编码方案。而数据信道的上行和下行短码方案则依然花落LDPC码。


此前10月14日,5G中长码编码方案在里斯本确认,最终获胜方案是LDPC,也标志着3G、4G下使用的 Turbo 码结束了其长达十几年的统治地位。据了解5G 三大编码候选技术的背后是真正的三国之战:美国以高通领队主推 LDPC,法国主推 Turbo2.0,以及中国以华为为首的Polar code。

 

图:5G中长码编码确认方案为LDPC

 

在通信行业,占据通信行业金字塔顶尖的不是设备制造能力,商用能力,而是标准,一个国家在通信标准中有了话语权也就意味着这个国家在全球通信行业中拥有了话语权以及产业链先发优势,而编码与调制在被誉为通信技术的皇冠,其也是通信技术核心的核心,体现着一个国家通信科学基础理论的整体实力。


3G标准之争以及商用进程的博弈给国人上了深刻的一课,国际市场WCDMA、CDMA2000的商用化加速,让我国的TD-SCDMA遭遇到从产业链到市场的重重困难。

  

有媒体评论认为,TD-SCDMA是中国通信技术第一次跟上了世界的脚步。而TD-LTE技术的发展,中国通信技术第一次成为了世界的主流技术之一,但其中的核心长码编码Turbo码和短码咬尾卷积码,却不是中国原创的技术。


现在,中国华为公司主导的Polar码最终打破了这个天花板,这既是中国在基础通信领域多年精心研究的回报,也是中国在通信技术领域综合实力不断提升的写照。


不过,小编在此也想转发一位行内大家的精彩评论,觉得有利于大家调整心态,沉静下来思考:


“华为在5G时代的技术突破,令人鼓舞,但作为半导体人,也不应该一味捧杀,不应陷入“泛政治化”、“泛娱乐化”的困局。自嗨和虚荣心理,是与构建大国自信和制造业的工匠文化是格格不入的。纵观世界发展,信息技术依然是推动社会进步的火车头,在IT,DT和BT“3T融合”的背景下,华为为代表的中国信息技术企业,与国外巨头的竞争,正由“望尘莫及”,“望其项背”到“并驾齐驱”迈进,在某些细分行业技术领域取得进步,打破了跨国公司的垄断,增强了我们的话语权,值得点赞,但确实没资格沾沾自喜,我们对此还是要保持清醒头脑。毫不客气的讲,5G物联网时代,其技术产业是个系统工程,是综合国力的体现,我们在某些核心关键领域,与列强的差距不是缩小了,而是拉大了,如果没有“两弹一星”的核威慑,现在可能只有挨打的份。后发国家优势突出,劣势更明显,培育工匠精神,克制上下忽悠,杜绝全民浮躁,方是成功之道。可以多读读产业哲学家任正非的系列讲话,体会华为掌门人是怎么理解这个时代的。”

 

5G标准将会在2019年发布,中国2020年进入商用

   

前些天,在为期四天的“国际电信联盟(ITU)2016年世界电信展”14日在泰国曼谷拉开帷幕。“中国军团”是由中国电信、中国联通和中国移动构成的三大运营商阵营;而除了国家参展,独立参展或赞助的国际企业还有华为、中兴、Cisco、Intel、Nokia、Ericsson、NTT Group等。


ITU世界电信展于1971年由国际电信联盟创办,至今已成功举办了16届,据介绍,这是全球规格最高、规模最大的信息通信展览会之一,也因其权威性、大规模和广泛代表性而被内业喻为信息、通信和技术(ICT)领域的奥运会。

  

在本届展会上,来自世界各地的很多中小企业都带来了与5G有关的模拟产品。据央广网,国际电信联盟秘书长赵厚麟透露,在电信市场上,3G、4G、5G,所有的这些先进的通讯标准都是由国际电联统一制定的。3G的标准是2002年制定发布的,4G的标准是2012年发布的。虽然中国官方已经发布,5G在中国商用是在2020年,但是世界范围5G的标准,将会在2019年发布。

  

赵厚麟介绍说:“现在5G大的路子已经基本上定下来,希望为将来5G提供技术服务和产品设备的主要厂商进行测试,能够让标准化组织觉得这个标准将来能够在市场上站住脚,大家都能够接受。在这种情况下,大概还需要一定时间。我们现在还在请各个主要厂商继续提供这方面的产品技术要求,希望他们提供一些测试的验证报告,让大家互相之间有比较统一的认识。”

  

赵厚麟在接受采访时称,过去和国际上其他的通信展一样,他们的主要精力也仅仅集中在前沿技术之上,但2014年开始,他们将重点有所偏移,今年他们希望能够关注全球中小企业在电信市场上面所发挥的作用。赵厚麟说:“为了中小企业能有更好的创新发展,为中小企业更好的在电信产业界发挥作用,也为中小企业,为当地经济和社会的发展提供更好的发展机遇,所以我们想把现在的平台从以往的,只为国际上面的大小设备制造商和运营商提供舞台,转为为中小企业获得联系或在这个市场上能有更好发展的沟通平台。”

  

除了5G,本届展会上另一个亮点则与中国的一带一路战略有关,很多国家都在本届展会上带来了他们与通讯有关的前沿技术产品——VR、云计算、物联网等。而这些技术产品大多都是基于互联网而产生的。

 

三大编码候选技术

  

由于移动通信存在干扰和衰落,在信号传输过程中将出现差错,故对数字信号必须采用纠、检错技术,即纠、检错编码技术,以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力,提高系统的可靠性。对要在信道中传送的数字信号进行的纠、检错编码就是信道编码。

 


1948年,现代信息论的奠基人香农发表了《通信的数学理论》,标志着信息与编码理论这一学科的创立。根据香农定理,要想在一个带宽确定而存在噪声的信道里可靠地传送信号,无非有两种途径:加大信噪比或在信号编码中加入附加的纠错码。

 


而Turbo码是Claude.Berrou等人在1993年首次提出的一种级联码。基本原理是编码器通过交织器把两个分量编码器进行并行级联,两个分量编码器分别输出相应的校验位比特;译码器在两个分量译码器之间进行迭代译码,分量译码器之间传递去掉正反馈的外信息,这样整个译码过程类似涡轮(Turbo)工作。因此,这个编码方法又被形象地称为Turbo码。Turbo码具有卓越的纠错性能,性能接近香农极限,而且编译码的复杂度不高。

 

图:Turbo编码器结构

 

LDPC码即低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC),它是由RobertG.Gallager博士于1963年提出的一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码,不仅有逼近香农极限的良好性能,而且译码复杂度较低、结构灵活,是近年信道编码领域的研究热点,目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。LDPC码已成为无线通信系统强有力的竞争者,而基于LDPC码的编码方案已经被下一代卫星数字视频广播标准DVB-S2所采纳。

  

极化码是由土耳其毕尔肯大学(bilkent)Erdal Arikan教授于2008年首次提出,其论文从理论上第一次严格证明了在二进制输入对称离散无记忆信道下,极化码可以“达到”香农容量,并且有着低的编码和译码复杂度。

  

目前,极化码是唯一可理论证明达到香农极限,并且具有可实用的线性复杂度编译码能力的信道编码技术。极化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,一部分信道将趋向于容量接近于1的完美信道(无误码),另一部分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自然译码相近的性能。

  

早在3GPP讨论前,Polar Code(极化码)便在中国IMT-2020 (5G)推进组5G第一阶段外场测试中进行了测试,包括静止和移动场景的性能。

  

测试结果显示,通过极化编码的使用和译码算法的动态选择,同时实现了短包(大连接物联网场景)和长包(高速移动场景,如自动驾驶等低时延要求)场景中稳定的性能增益,使现有的蜂窝网络的频谱效率提升10%,还与毫米波结合达到27Gbps的速率,实测结果证明极化码可以同时满足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。

 


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