5G標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)題：“Polar碼”—移動(dòng)通信領(lǐng)域皇冠上的寶石

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作者：鄭友德 王活濤 袁真富【1】廣東智誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究院

原標(biāo)題：5G標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)題：Polar碼——移動(dòng)通信領(lǐng)域皇冠上的寶石

隨著5G第一個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)R15的凍結(jié)和封版，參與通信設(shè)備商，芯片制造商，運(yùn)營(yíng)商以及研究者都積極向歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)披露和聲明自己擁有的5G標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)專(zhuān)利，但各家在Polar碼領(lǐng)域的相關(guān)研究和布局情況如何呢？本文將作簡(jiǎn)要解讀。

前言-Polar碼簡(jiǎn)史

2008年，通信技術(shù)專(zhuān)家、土耳其畢爾肯大學(xué)電氣工程系Erdal Arikan教授首次提出Polar碼并發(fā)表論文。

2016年，Polar碼方案成為5G控制信道eMBB場(chǎng)景編碼最終方案，并成功進(jìn)入5G基礎(chǔ)通信框架協(xié)議。

2018年，全球第一個(gè)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的、支持Polar碼的5G系統(tǒng)正式發(fā)布。經(jīng)過(guò)十年的不懈努力和投入，Polar碼從理論變成了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

信道編碼簡(jiǎn)史

眾所周知，3GPP于2018年6月14日正式凍結(jié)了5G New Radio的獨(dú)立組網(wǎng)規(guī)范。這標(biāo)志著5G Release 15標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布。非獨(dú)立組網(wǎng)的NR規(guī)格于去年12月發(fā)布。目前，所有功能標(biāo)準(zhǔn)化工作的第一階段已經(jīng)完成。去年12月，5Ｇ極化碼（Polar碼）被確認(rèn)為5G標(biāo)準(zhǔn)的基本要素。

世界上第一個(gè)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)、支持Palor碼的5G系統(tǒng)，于2018年2月22日在世界移動(dòng)大會(huì)上發(fā)布，此時(shí)距離通信技術(shù)專(zhuān)家土耳其畢爾肯大學(xué)電氣工程系Erdal Arikan教授關(guān)于Palor碼的論文發(fā)布已經(jīng)過(guò)去了大約10年。

我們今天看到的只是冰山一角。在水面以下，有著數(shù)十年不間斷的研究和探索。

1948年，克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）發(fā)表了論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，它成為信息理論的基礎(chǔ)。在論文中，他指出了在給定帶寬上以一定質(zhì)量可靠地傳輸信息的最大速率。這被稱(chēng)為香農(nóng)極限。他還提出，信道編碼技術(shù)提供了達(dá)到該限制的手段。因此，信道編碼技術(shù)已經(jīng)成為通信領(lǐng)域皇冠上的寶石，眾多科學(xué)家不知疲倦地致力于開(kāi)發(fā)和發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)。

1967年，維特比解碼算法被發(fā)明。它代表了第一代信道編碼技術(shù)的巔峰之作。該算法使解碼更簡(jiǎn)單，并在解碼過(guò)程中提供了更好的性能。它使卷積碼廣泛用于信息和通信行業(yè)。該算法于1988年用于2G GSM網(wǎng)絡(luò)，并用于隨后的3G網(wǎng)絡(luò)。

1991年，法國(guó)教授克勞德·貝魯（Claude Berrou）發(fā)現(xiàn)了turbo碼，這是第一個(gè)接近香農(nóng)極限的編碼方案。這為第二代信道編碼技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)。1999年，3GPP采用turbo碼作為3G UMTS系統(tǒng)的信道編碼。它也被用于4G LTE系統(tǒng)。基于turbo碼原則，科學(xué)界對(duì)1962年由羅伯特·加拉格爾（Robert Gallager） 教授發(fā)現(xiàn)的LDPC碼有了新的理解。人們意識(shí)到，憑借現(xiàn)代計(jì)算能力，LDPC碼也可以接近香農(nóng)極限。在隨后的幾十年中，LDPC碼已廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)和廣播領(lǐng)域。

2008年，Erdal Arikan教授發(fā)表了關(guān)于Palor碼的論文。Palor碼成為唯一理論證明可以達(dá)到香農(nóng)極限的編碼方案。它們開(kāi)創(chuàng)了第三代信道編碼技術(shù)。Palor碼和LDPC都被采用為5G標(biāo)準(zhǔn)。

2016年底，在3G PPRAN1 87 次會(huì)議的5G方案討論中，Polar碼方案在與LDPC和Turbo2.0方案競(jìng)爭(zhēng)中勝出，成為5G控制信道 eMBB 場(chǎng)景編碼最終方案。自此，Polar碼成功進(jìn)入5G基礎(chǔ)通信框架協(xié)議。

在這段信道編碼的發(fā)展歷史中我們看到，三代信道編碼技術(shù)中的每一代都需要10到20年才能從學(xué)術(shù)發(fā)現(xiàn)發(fā)展到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)研究從理論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用是一個(gè)充滿無(wú)數(shù)工程障礙的過(guò)程。

Palor碼——移動(dòng)通信領(lǐng)域皇冠上的寶石

達(dá)到香農(nóng)極限的Polar碼，有著低的編碼和譯碼復(fù)雜度，解決了香農(nóng)信息論領(lǐng)域塵封近60年的難題。

Palor碼構(gòu)造的核心是通過(guò)“信道極化”的處理，在編碼側(cè)，采用編碼的方法使各個(gè)子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性，當(dāng)碼長(zhǎng)持續(xù)增加時(shí)，一部分子信道將趨向于容量接近于1的可靠信道（無(wú)誤碼），另一部分子信道趨向于容量接近于0的純?cè)肼曅诺溃x擇在容量接近于1的子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(jiǎn)單的逐次干擾抵消譯碼的方法，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。

在靜止和移動(dòng)場(chǎng)景性能測(cè)試中，使用Polar碼的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短包和長(zhǎng)包場(chǎng)景中穩(wěn)定的性能增益，使現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率提升10%，與毫米波結(jié)合達(dá)到27Gbps的速率，實(shí)測(cè)結(jié)果證明Polar碼可以同時(shí)滿足ITU的超高速率、低時(shí)延、大連接的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)三大類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景需求。

Polar碼聲明標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)利統(tǒng)計(jì)分析

隨著5G第一個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)R15的凍結(jié)和封版，參與通信設(shè)備商，芯片制造商，運(yùn)營(yíng)商以及研究者都積極向歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI，一個(gè)非營(yíng)利性的電信標(biāo)準(zhǔn)化組織，目前有來(lái)自47個(gè)國(guó)家的457名成員，涉及電信行政管理機(jī)構(gòu)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商、專(zhuān)用網(wǎng)業(yè)務(wù)提供者、用戶研究機(jī)構(gòu)等，是全球標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP的成員之一）披露和聲明自己擁有的5G標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)專(zhuān)利（見(jiàn)《5G標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)題研究之一：5G標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)利，誰(shuí)執(zhí)牛耳？》點(diǎn)擊標(biāo)題，查看原文），但各家在Polar碼領(lǐng)域的相關(guān)研究和布局情況又如何呢？

為此，筆者對(duì)當(dāng)前各公司向ESTI聲明的5G polar專(zhuān)利情況做了進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)和分析（如下表）。

截至2018年7月27日，5G 新空口（NR）聲明標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)利累計(jì)達(dá)5970族，相對(duì)《5G標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)題研究之一：5G標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)利，誰(shuí)執(zhí)牛耳？》中6月14日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)新增聲明846族；目前5G新空口聲明標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)利中已有3518族有公開(kāi)的專(zhuān)利文本。

筆者對(duì)已經(jīng)公開(kāi)的3518族公開(kāi)專(zhuān)利進(jìn)行人工閱讀分析，結(jié)合Polar碼、編解碼的中英文關(guān)鍵詞，以及極化信道可靠度、信息比特、凍結(jié)比特、特有的生成矩陣等Polar碼特性，通過(guò)閱讀摘要、權(quán)利要求、說(shuō)明書(shū)，以及附圖等判斷出是否是Polar碼技術(shù)方案，獲得與Polar碼相關(guān)的公開(kāi)聲明專(zhuān)利為76族。筆者對(duì)未公開(kāi)的2452族專(zhuān)利信息也進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)還有27族專(zhuān)利的標(biāo)題含有Polar code元素。匯總看有103族polar碼的聲明標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)利，區(qū)分專(zhuān)利權(quán)人：華為擁有51族專(zhuān)利，占總數(shù)的49.5%；緊隨其后的是愛(ài)立信，它擁有26族專(zhuān)利，占總數(shù)的25.2%。

展望未來(lái)，我們清楚地意識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)的誕生只是5G通訊時(shí)代的開(kāi)始?，F(xiàn)在及未來(lái)，包括Polar碼在內(nèi)的5G技術(shù)必將更快、更好地為社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值，為ICT產(chǎn)業(yè)和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展創(chuàng)造更多的奇跡。

注釋

作者簡(jiǎn)介：

鄭友德：華中科技大學(xué)法學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、廣東智誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究院院長(zhǎng)。

王活濤：深圳峰創(chuàng)智誠(chéng)科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO、首批全國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)軍人才。

袁真富：法學(xué)博士，上海大學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)學(xué)院副院長(zhǎng)。

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