探秘5G全新空口技术

需要的最小信噪比就是广义的香农极限。

通信与物流很相似，目标都是要可靠地将货物运送至终点，5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，例如一个玻璃杯工厂，需要从厂房A（信源）运送一批玻璃杯到厂房B（信宿），厂房A到厂房B之间有一条单车道的运输公路（信道），公路上存在各种坑洼和颠簸（信道噪声），为了减少在运输过程中玻璃杯的破碎损耗（误码），需要在出厂时对玻璃杯用纸盒进行包装（编码），运送到厂房B之后再进行拆封（译码）。虽然包装（编码）增加了开销，单位空间内能装的杯子（信息净荷）减少了，但显然经过包装之后，破损率（误码率）将大大降低。在允许一定破损率（误码率）的情况下，改进包装（编码）方法以尽可能地降低对路面和运输车辆（信噪比）的要求，这个最低要求（最小信噪比）就是香农极限。

香农第二定理是一个存在性定理，只是说明这类编码存在，可并没有说明什么编码可以达到，这可苦了编码学家们，在过去的半个多世纪中提出了多种纠错码技术，例如RS码、卷积码、Turbo码和LDPC码等，并在各种通信系统中进行了广泛应用，但是以往所有实用的编码方法都未能达到香农极限，直到Polar Code横空出世。

Polar Code基本原理：

2007年，土耳其比尔肯大学教授Erdal Arikan首次提出了信道极化的概念，基于该理论，他给出了人类已知的第一种能够被严格证明达到香农极限的信道编码方法，并命名为极化码（Polar Code）。这一突破如一道闪电，划破漫长而又黑暗的夜空，在编码技术史上具有划时代的意义。Polar码具有明确而简单的编码和译码算法。通过信道编码学者的不断努力，当前Polar码所能达到的纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码和LDPC码。

要理解Polar码，首先要理解信道极化的概念。所谓信道极化，顾名思义就是信道出现了两极分化，是指针对一组独立的二进制对称输入离散无记忆信道，可以采用编码的方法，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完美信道（无误码），而另一部分信道则趋向于纯噪声信道。

为了便于理解，仍以玻璃杯工厂为例来进行说明。对此，5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到：在工厂原来采用的包装方案（编码方法）下，运输过程中杯子出现破损（误码）的位置是不确定的，而Polar Code通过特定的包装方案，不管道路怎么颠簸，都可以保证一部分装箱的位置在运送过程中绝不破损（完美信道），而另一部分装箱的位置则必然破损（纯噪声信道），利用这种信道极化的特性，就可以在完美信道的位置装上杯子（信息比特），而纯噪声信道的位置啥也不装（固定比特），因为在装箱的时候就可以知道完美信道的分布，因此在拆箱的时候，译码也就变得更加简单。事实上，Polar Code在使用改进后的SCL（Successive Cancelation List）译码算法时能以较低复杂度的代价，接近最大似然译码的性能。

总结下Polar码的优点：

（1）首先是相比Turbo码更高的增益，在相同的误码率前提下，实测Polar码对信噪比的要求要比Turbo码低0.5～1.2dB，更高的编码效率等同于频谱效率的提升。

（2）其次，Polar码得益于汉明距离和SC算法设计的好，因此没有误码平层，可靠性相比Turbo码大大提升（Turbo码采用的是次优译码算法，所以有误码平层），对于未来5G超高可靠性需求的业务应用（例如远程实时操控和无人驾驶等），能真正实现99.999%的可靠性，解决垂直行业可靠性的难题。

（3）第三，Polar Code的译码采用了基于SC的方案，因此译码复杂度也大大降低，这样终端的功耗就大大降低了，在相同译码复杂度情况下相比Turbo码可以降低功耗20多倍，对于功耗十分敏感的物联网传感器而言，可以大大延长电池寿命。

4）总结

重要的事情说3遍，最后再简单总结下这3大空口物理层技术：F-OFDM是实现统一空口的基础波形，结合灵活的Numerology以实现空口切片。SCMA和Polar Code在F-OFDM的基础上，进一步提升了连接数、可靠性和频谱效率，满足了ITU对5G的能力要求。因此，这3大物理层关键技术成为构建华为5G新空口理念的基石。

四、技术竞争推动5G技术进步

5G的大幕刚刚拉开，我们已站在一个伟大时刻的前沿，回望每一代移动通信的发展历程，有过波澜壮阔的方向之争，也有过暗流涌动的候选技术之争，但最终大浪淘沙，历尽沉浮，这些方向与技术在经过理论、实践和市场的筛选、融合和验证之后，最终改头换面站到了浪潮之巅，在人类科技史上留下浓墨重彩的一笔。

在标准定义过程中，所有的技术和方向都值得我们铭记和尊重，它们是产业智慧的结晶，并将最终推动5G技术的