5G与华为力挺的Polar编码的那些事儿

有时会不一致，比如，我们手机发送的1 0 0 1 0，而基站接收到的却是1 1 0 1 0，为了纠错，移动通信系统就引入了信道编码技术。

信道编码，简单的讲，就是我们在有K比特的数据块中插入冗余比特，形成一个更长的码块，这个码块的长度为N比特位，N>K，N-K就是用于检测和纠错的冗余比特，编码率R就是K/N。一个好的信道编码，是在一定的编码率下，能无限接入信道容量的理论极限。

在过去几十年里，出现了两种接近容量极限的信道编码技术：LDPC和Turbo码，分别被3G和4G通信标准和WiFi标准采纳。2007年，土耳其教授E. Arikan提出了Polar码，被称为是迄今发现的唯一一类能够达到香农限的编码方法。

所以，这三种优秀的编码技术均进入5G编码标准的法眼，并引发了一场争夺赛。为何这场争夺赛这么激烈？都是KPI惹的祸。

5G NR（New Radio）的KPI里，明确规定：峰值速率20Gbps、用户面时延0.5ms（URLLC）。这个KPI定的太高，在4G基础上提升了20倍。

报告领导，不好完成。

有多难呢？5G NR的下行峰值速率要求是20Gbps，由于手机（或基站）接收到的每一bit都要经过信道译码器，20Gbps就相当于译码器每秒钟要处理几十亿bit数据。

举个例子，20 Gbps就意味着译码吞吐量T为20 Gbps，假设译码迭代次数I为10次，处理器的时钟频率F为500 MHz，那么，I *T /F = 10*20G/500M=400，也就是说需要400个处理器并行工作。

（备注：译码器是信道编码最难实现的一环）

这也是为何很多人选择放弃3G和4G时代使用的Turbo码的原因之一，因为4G的最大速率不过1Gbps，传统Turbo码通过迭代译码，本质上源于串行的内部结构，所以，有人认为Turbo遇上更高速率的5G时就遇到了瓶颈。

比如LDPC译码器是基于并行的内部结构，这意味着译码的时候可以并行同时处理，不但能处理较大的数据量，还能减少处理时延。尽管可以采用外部并行的方式，但又带来了时延问题。

对于时延，出于技术宅的本能，也请容许我再啰嗦一下。

5G NR的URLLC应用场景要求用户面时延为0.5ms，这是4G 10ms的二十分之一。之所以要求这么高的时延，是因为我们在体验增强现实、远程控制和游戏等业务时，需要传送到云端处理，并实时传回，这一来回的过程时延一定要足够低，低到用户无法觉察到。另外，机器对时延比人类更敏感，对时延要求更高，尤其是5G的车联网、自动工厂和远程机器人等应用。

空口0.5ms时延意味着物理层的时延不能超过50μs，而物理层时延除了受译码影响，还受其它因素影响（比如同步），这就需要译码的处理时延一定要低于50μs，越低越好。

总得来说，这就好比春节的航班，人流太多，要把几亿中国人从南到北，从东向西转移一次，"数据量"太大，这就需要多开航班，并且加快航行速度。

"航班公司"5G NR表示鸭梨山大，而信道编码表示压力更大，层层传递嘛。

但是，这点压力还不够，5G表示还能抗。刚才我们讲了，3GPP定义了5G三大场景：eMBB、mMTC和URLLC，这些场景对应5G的AR、VR、车联网、大规模物联网、高清视频等等各种应用，较之3/4G只有语音和数据业务，5G可繁忙多了。

这就对5G信道编码提出了更高要求，需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。比如，短码块应用于物联网，长码块应用于高清视频，低编码率应用于基站分布稀疏的农村站点，高编码率应用于密集城区。如果大家都用同样的编码率，这就会造成数据比特浪费，进而浪费频谱资源，这叫编码的灵活性。

另外，5G还得保障更高可靠性的通信。LTE对一般数据的空口误块率要求初始传输为10%，经过几次重传后，误块率如果低于1%即可。但是，5G要求误块率要降到十万分之一。这就意味着，10万个码块中，只允许信道译码器犯一次错，最多只能有一个码块不能纠错。

综上，决定5G采用哪种编码方式的因素就是：译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性，还有实施复杂性、成熟度和后向兼容性等。

比较一下三种编码的译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性和实施复杂性，谁更强的呢？小编查阅了最新的大量文献，结果是：被搞得晕头转向，一脸懵逼。

这个问题太复杂了，公说公有理婆说婆有理。比如，有人认为，Turbo码达到了瓶颈，无法处理20Gbps高速率，然而，有厂家证明，基于全并行设计的Turbo译码器的译码吞吐量能到21.9 Gbps，处理时延可达0.24μs，这也能满足5G NR的20Gbps速率需求。