机情观察室：华为5G polar Code是什么?

【IT168 评测】11月18日，在互联网上当所有人都被林丹出轨刷屏的时候，可能许多人并没有注意，在大洋彼岸的拉斯维加斯举行的3GPP RAN1#87次会议上，正式宣布由华为主推的Polar码成为5G eMBB场景下控制信道的短码编码方案。而随后在互联网上，一些诸如“碾压高通”“称霸5G”类似的报道连篇累牍，点燃许多吃瓜群众爱国之情，纷纷在朋友圈、微博上奔走相告好不欢喜。我们今天的机情观察室，就来聊聊Polar码是个什么东西，所谓的华为“拿下”5G又是怎么回事？

LDPC码和Polar码究竟是什么?

首先，无论是LDPC还是polar，都是一种信道编码，并且均为第一次入选3GPP的标准。信道编码是通讯行业中的一个名词，广泛用作表示检测及纠正编码错误的一种术语，常常用于通信及存储领域，是通信系统的核心技术之一。简单的说就是信道编码就是在传输过程中保护数据以及在出错时恢复数据用的一种数字调制方式。

▲信道编码相当于数据的保护盒

因为在无线传输过程中，我们会将比较复杂的模拟信号(含有复杂的模简数据信息)转化成简单的数字信号(由0和1组成)，这样虽然便于传输但是会影响还原数据的准确性。因为无线数据传输过程中，往往会出现掺杂噪音或者丢失数据的情况。信道编码则是将这些数字信号进行分组，接收存储之后再重复接受并与之前存储的数据进行对比，如果相同分组的数据相同则判断为正确。比如接受存储的数据为1，经过3组对比后该数据全部为1，则判断正确传输数据1。信道编码的作用就像在运快递，有用的数据是你买的东西，但是为了确保东西安全送给你，需要对其包装。本来一车能运100个，现在包完了只能送50个，但是准确率有所提高。

对于5G网络来说，3GPP对5G网络的定义范围包括：eMBB（大流量移动带宽业务）、mMTC（大规模物联网）、URLLC（低延时高可靠的业务，比如自动驾驶）。整个5G网络覆盖的场景对下载速率、时延的要求更加严格。因此，对于信道编码来说，在保证可靠性的前提下，效率显得异常重要。这里的效率，指的是接近信道容量的极限：香农限。简单来说，香农限是指在带宽一定、噪音已知(可以根据通道数据算出来)的情况下，一个传输通道能通过有用的数据量上限能够接近信道所能容纳的最大数据量。目前，能够符合5G网要求的信道编码就只有LDPC和Polar。

▲典型的LDPC

LDPC码：即低密度奇偶校验码。在1963年由MIT的Gallager博士提出，但在当时由于计算过于复杂而被人所忽略。后来经过不断努力，简化LDPC解码算法。之后，有人发现LDPC码可以逼近香农极限，此时的LDPC码又回到大家的视野。LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵的线性分组码，具有更低的误码平台，译码过程简单高效，复杂度和时延都比较低，目前已经在广播系统、有线、无线甚至航空航天等通讯系统有所应用，编解码的算法比较成熟。

▲Polar Code的优势

Polar码：即极化码。与有着50多岁高龄的LDPC码相比，Polar码完全算得上少年儿童。Polar码由土耳其教授Erdal Arikan在2008年提出。Polar码基于信道旦渗裤极化理论，在解码时将信道分为无噪信道和全噪信道，将有用的信息分到无噪信道，将垃圾信息分到全噪信道。因此在理论速度上，Polar码可以拥有无限逼近香农极限的速率，相比LDPC码，Polar码在网络性能能更有优势，并且编码和驿码的复杂度也比较低。

　　LDPC码与Polar在入选5G标准中的差异?

而从3GPP RAN1#87次会议的最终结果来看，eMBB场景下，LDPC码最终成为eMBB成为数据信道编码长码，而Polar码则是控制信道短码编码方案。polar码也并非唯一的标准，而是作为控制信道的短码。因此主要的问题，就在于数据信道与控制信道、长码与短码之间的区别。

简单来说，控制信道主要负责传输指令和同步参数，数据信道主要传输数据。举个例子，比如高速公路，数据信道相当于主路，传输各种主要信息，控制信道相当于应急车道，个中作用大家可想而知。而控制信道中所谓的“长短码”，则是将数字信喊启号所形成的二进制指令进行分组，常用的信息用相对短的二进制位数表示，不常用信息的采用相对长的二进制位数表示。这样做可以在指令不变的情况下更迅速的进行编码(常用码较短，易校对编译，不常用的较长，可以快速的带过并且不会影响数据的准确性)。

因此从会议确定的结果来看，此次华为不仅不是所谓的“拿下5G标准”，甚至在5G的eMBB场景下也不是唯一编码标准。在整个5G eMMB场景中，LDPC拿下数据信道与长码，Polar拿下控制信道与短码，最多算是平分秋色。

Polar码入选5G标准对意味着什么?

▲会议上支持华为的企业

关注手机的人或许听说过一句玩笑：高通就是一家卖基带送处理器的公司。这也从某方面显示出通讯专利对于企业的重要性。此次Polar码入选5G标准，对于以华为为首主导Polar码的中国通讯界，经过多年的努力，终于能在世界通讯标准中立足，尽管只是确立5G标准进程中的一小部分，但也终于实现了中国通讯企业从无到有的一大步，在基础标准领域有了一定的话语权。并且对于主导Polar码的华为以及其它中国企业，其已经积累的研究成果在未来有了落地的可能性。

polar极化码优缺点分别是：

polar极化码优点是：

1、 Polar码逼近香农限的性能具有强有力的理论支撑。

2、polar极化码具有明确的构码方法。

3、polar极化码它的编译码复杂度相对较低。

4、polar极化码采用合适的译码方法如（CA-SCL算法），其性能可超越最好的LDPC码与Turbo码。

polar极化码缺点是：polar极化码译码过程高并行度不容易实现，导致其时延相对较大。原因是SC译码算法的机制为逐比特译码。

polar极化码的理论陆旅历基础是：

并且Polar 码的理论基础就是信道极化。信道极化包括信道组合和信道分解部分。当组合镇枣信道的数目趋于无穷大时，则会出现极化现象：一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分则趋于全噪信道。

这种现象就是信道极化现象。无噪信道的传输速率将会达到信道容量 I (W )，而全噪信道的传输速率趋于零。Polar 码的编码策略正是应用了这早搜种现象的特性，利用无噪信道传输用户有用的信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。

polar函数不能使用axis类似的语句设置轴的范围。你可以用别的办法，原理如下：

h = polar([0 2*pi], [0 1])% 半径范围0到1

hold on

polar(t,sin(2*t).*cos(2*t),'--r')

函数在数学上的定义：给定一个非空的数即A,对A施加对应法则f，记作f（A），型正得到另一数即B，也就是B=f（A）。那么这个关系式就叫函数关系式，简称函数。

设函数f(x)的定义域为D，数集X包含于D。如果存在数K1，使得f(x)≤K1对任卜拆悔一x∈X都成立，则称函数f(x)在X上有上界，而K1称为函数f(x)在X上的一个上界。如果存在数K2，使得f(x)≥K2对任一x∈X都成立，则称函数f(x)在X上有下界，而K2称为函数f(x)在X上的一个下界。如果存在正数M，使得|f(x)|<=M对任一x∈X都成立，则称函数f(x)在X上有界，如果这样的M不存在，就称函数f(x)在X上无界。

函数f(x)在X上有界的充分必要条件是它在X上既有上界又有下界御粗。

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