5G信道编码20161118.pdf

5G 中长码编码确认方案为 LDPC！2016-10-14 TechSpider科技蜘蛛北京时间 2016年 10月 14日 07时 23分，葡萄牙，里斯本， 5G 中长码编码确认方案为 LDPC！20年一遇的 5G 编码大战 暂时偃旗息鼓， 5G 三大编码候选技术的背后是真正的三国之战： 美国 主推 LDPC，法国 主推 Turbo2.0，以及 中国 队的 Polar code这是一场真正意义上的 5G 核心技术的大撕逼大战，就在里斯本美国队以高通领队，中国队以华为为首，法国队摆出了最强团队（ 94年 Turbo 元老级 Claude Berrou团队） 最终 3GPP 选定 LDPC 为 5G 中长码编码方案然而短码的悬念留到了下次辩论， Polar code 和Turbo2.0 仍有望在未来的 5G 短码编码标准中站一席之地Turbo 码 : 一个辉煌时代的 落幕2016-10-19江南小子 &星辰 科技蜘蛛一个时代的落幕葡萄牙里斯本，当地时间 10月 14日，凌晨 00点 23分， 3GPP RAN1确定 LDPC 为 5G 标准 New Radio (NR) 长码编码方案三天来，全球各大通信设备商、运营商和芯片商在这场 5G物理层信道编码的争夺战中进行了无比惨烈的较量，最后由美国主推的 LDPC战胜由中国支持的 Polar码和欧洲主推的 Turbo 2.0，被确定为长码标准。

而短码的角逐还将继续这标志着 3G、 4G下使用的 Turbo 码结束了其长达十几年的统治地位一个时代的落幕，不禁令人唏嘘这个曾将信息理论推入一个崭新时代的编码方案，尽管发展出了性能完美的 2.0版本 (在笔者看来，无论是理论上还是工程上都相对于 LDPC 和 Polar 码拥有优势 )，然而 Turbo 阵营势单力薄，最终不得不因为非技术原因让位于 LDPC现实从来就是残酷的，标准的走向取决于玩家的实力和话语权感伤之余，写成此文纪念 Turbo 和那个辉煌的时代信道编码众所周知，信息以信号为载体进行传播，从一端传输到另一端需要经过信道信号在信道中传播不可避免地会发生扭曲和变形，信道中的噪声和干扰会降低信号质量，甚至淹没信号，导致接收端无法正常接收发射端的信息比如一串为 [0 0 1 1 0 1] 的序列经过信道之后可能会变成 [0 0 0 1 0 1]，那么整个传输过程就没有顺利完成 信道编码的目的正是为了对抗信道引起的传输错误通过对原有信息添加冗余，让传输变得更加健壮一个最简单的例子是奇偶校验码，即当原有序列各比特和为奇数时添加比特 1，若为偶数，则添加比特 0，从而使整个传输序列各比特之和永远保持偶数。

在上面的例子中，信息序列为 [0 0 1 1 0 1]，各比特和为奇数，末尾添 1，实际传输序列变为 [0 0 1 1 0 1 1]，那么当接收端收到 [0 0 0 1 0 1 1] 时，发现序列各比特和为奇数，便知晓实际传输过程中必然发生了错误，接收序列不可信，因此将告诉发送端重传奇偶校验码较为简单，只能对信息进行对错校验，而且校验能力有限更复杂的信道编码通过添加冗余信息，使得接收端不单可以知道自己收到的信息是否是原始发送序列，还能在一定程度上对错误进行修正，恢复原始序列而奠定这一技术数学理论基础的即信息论之父香农香农极限1948年，克劳德 ·香农在贝尔系统技术杂志发表了著名的 《 通信的数学理论 》 一文，为现代信息理论奠定了基础香农从数学上证明，当传输速率低于信道容量时，存在一种信道编码使得一个足够长的传输序列可以完成任意小错误率的传输这就是今天我们常常提起的香农极限然而遗憾的是，香农并没有给出一种在现实工程上可以实现的编解码方案在此后的四十多年里，香农的后继者们不断地做着各种努力和尝试，试图提出一种可以接近香农极限的编码然而 , 数十年过去 , 人们发现他们所取得的进步离理论极限依旧如此遥远，这也曾一度让人怀疑是否真的存在可达到香农极限并现实可行的编码，直到 Turbo码横空出世的那一天。

历史是那样地具有戏剧性，提出 Turbo 码的人也叫克劳德 (Claude Berrou)这看似巧合，却又仿佛是冥冥之中的一种注定 Claude Berrou就职的学校 Télécom Bretagne 坐落于法国西北角的布列塔尼地区，而在学校研究楼边上有一条小道，名字就叫香农之路永远的 Turbo码Turbo的编码器非常简单，由两个并行的卷积码编码器 (Encoder) 组成所谓卷积码，即输出为输入和一段已知序列的卷积与其对应的分组码则是将序列分段，每段序列和编码矩阵相乘得到输出序列（在后续发展中， Turbo码也拥有了分组码版本）在 Turbo码中，输入序列 (Input)在进入第二个编码器时须经过一个交织器 (Interleaver)，用于将序列打乱两个编码器的输出 (Output I 和 II)共同作为冗余信息添加到信息序列 (Systematic output)之后，对抗信道引起的错误值得注意的是， Turbo码的强大主要来源于其解码器从下图 Turbo码解码器中可以看到，整个解码过程与编码过程形成对应关系，信息序列 (Systematic data) 和相应的冗余序列 (Parity 1 and 2) 分别输入两个解码器，而后各自的输出经过一个减法运算并通过交织 (Interleaver) 和解交织 (Deinterleaver) 后反馈给另一个解码器。

Turbo的核心正是这一减法和反馈，图中由红线标注这一小小的连线堪称上帝之手，它将解码技术，甚至是信息理论推向了一个新的时代为什么要做减法呢 ? 因为输出信息被分解为内信息 (intrinsic information) 和外信息(extrinsic information)，通过减法从输出信息中取出外信息并将其反馈给另一个解码器在迭代解码过程中，接收信息错误不断地被纠正，最后无线逼近香农极限整个解码过程信息在两个极为简单的解码器间不断地轮转，像一台无比强大的涡轮机，因而得名 TurboTurbo码利用迭代算法，以时间换取复杂度，第一次实现了现实可行的对香农极限的逼近 1993年，当论文的作者(Berrou, Glavieux, and Thitimajshima)在 ICC会议上首次将他们的成果公之于众时，人们面对几乎与香农极限平行下降的 Turbo码性能曲线，都不敢相信眼前的一切，甚至怀疑是否仿真出现了错误 ! 而 Turbo码也从此将信息理论带入了一个新的时代 Turbo 码解码中外信息的发现启发了编解码领域的科学家们 1996年，人们从一堆旧论文中翻出已经被人遗忘 30多年的 LDPC 码，对其进行了在现实复杂度内的解码，最终成就了 LDPC 今日的风光。

Turbo 码的发明，让人茅塞顿开它不再是一种简单的编解码方案，而成为一种思想，人们基于这一思想开发了 Turbo 均衡， Turbo 信道估计等应用， Turbo 思想将信息理论推向了一个新的台阶而 Turbo码在 3G和 4G中的应用，正是移动互联网大爆发的年代，它在无形之中服务信息社会，支撑其对数据传输的需求Turbo 2.0随着 Turbo 码在 3G 和 4G 系统中得到广泛应用（以下称之为 LTE Turbo），人们慢慢也发现了问题 : LTE Turbo在某些码长和码率组合下， 特别是在短码情况下会出现性能衰减，即编码学里的地板效应（ error floor) 这个问题在 5G标准化中被认为会影响低时延高可靠性传输业务（ URLLC） 为此， Berrou团队再度发力，对问题源头进行了深入研究，最终得到结论 : 地板效应由多方面原因叠加而成首先， Turbo 在 LTE 的应用中引入了网格终止序列（ Trellis Termination Bit--TTB)， 它的用途本来是让网格在编码的起始态和终止态都保持在一个已知的状态，这样有利于更高效的解码 但是由于 TTB并没有经过 Turbo的双编码器保护， 它在接收端并没有像其他序列（信息或冗余序列）同等程度的纠错性，从而造成了性能的衰减。

由于 TTB的长度是固定的，这样的衰减在长码传输的情况下不是特别显著，但在短码情况下地板效应尤为明显找到了问题，解决方案就水到渠成了， Turbo 2.0丢弃了 TTB，而引入了咬尾（ Tailing biting)的编码思路所谓咬尾，即将卷积升级为循环卷积，这样一来不仅解决了 TTB的问题，同时也提高了频谱效率（无需再传输 TTB），使得TTB彻底成为了历史紧接着， Berrou团队发现，即便解决了 TTB的问题，也并不能完全消除地板效应，特别在长码情况下， TTB的主导因素其实很有限， 一定还有别的原因 再次通过深入研究发现，地板效应的另一个重要源头在于交织器和打孔（ puncturing) 的优化设计交织器在前面提到过，即将序列打乱，防止错误连续发生 ; 而所谓打孔 , 是指在编码过程中刻意地不传输一些比特位，达到提高频谱效率的目的在 LTE时代， Turbo 的交织器和打孔是独立设计的，两者并没有一个整体的优化， 这样一来有些权重比较高的信息可能会被打孔器打掉，直接导致码间最小距离（ minimum distance) 变短， 使得在解码的过程中引起大量的错误 在 Turbo 2.0 版本下，交织和打孔得到整体优化，使得高权重的信息始终得到保留， 整套设计确保码间最小距离最大化。

自此， Turbo 的地板效应问题得到彻底解决 ， 并且短码性能比 LDPC更卓越（如右图） Turbo 2.0 在设计上将Turbo 理念做到近似完美虽然 Turbo 阵营远不如其对手强大，但如今 Berrou团队依然带着崭新的Turbo 2.0出现在 3GPP 5G标准战场，以完美性能的 Turbo 2.0与各大阵营PK令人惋惜的是，由于话语权低， Turbo 2.0 在 5G 编码的第一战中失利在此，我们真心祝愿它在短码战场上取得胜利因为无论现实世界如何， Turbo 的信徒们总有孩童般的天真，他们坚信好东西可以暂时被埋没，但最终一定会被重新认可 仅以此文献给我们深爱的 Turbo[1] R1-1610314， FEC performance comparison for short frame sizes for NR[2] R1-1610314， FEC performance comparison for short frame sizes for NR3GPP中短码： Trump上台后 中美第一战2016-11-16科技蜘蛛 科技蜘蛛3GPP短码之战正在美国赌城 Reno如火如荼的展开，调整状态后的 Polar阵营由华为牵头，带领了 50多个公司（包括双 11自顾不暇的阿里巴巴，中国集团优势开始显现）直接叫板 LDPC。

虽然 LDPC本次在人数上略显弱势，但是他们联合了几大巨头公司（包括爱立信，诺基亚，高通，英特尔）全力与 Polar阵营搏杀经过一个不眠夜的厮杀，暂定了 4个备选方案：1.只用 LDPC2.码长 256比特以上只用 LDPC 3.先定 LPDC， Polar再研究研究4.LDPC用于数据传输， Polar用于控制信号传输前 3个方案等于把 Polar给淘汰了，唯有最后一个方案才能让 Polar留在 5G NR中鹿死谁手，明天见分晓！小编解读：从目前的形势上看， 3GPP是铁了心要放弃 Turbo了 LDPC实际上并没有在大系统中真正商用过，而 Polar更是很新的技术无论结果如何，这算是 3GPP在 5G技术上的一次大赌注！可能也是这个原因 3GPP把这个议题放到 Reno来杀青吧 ……BTW: 马云爸爸的阿里移动端大棋是准备从编码标准开始做起了么5G编码之争 : 中国崛起坎坷 路2016-1。