什么是信道编码（信道编码简史）

消除干扰，让无线信号更干净，是信道编码技术的初衷。然而，最近的闹剧极坐标编码投票在网上凭空添加了杂质，与所讨论的技术本质背道而驰。如果《极地代码》有血有肉，你会有怎样的感受？如果香农的前辈们还活着，他们会嘲笑我们吗？

一场闹剧终于落幕。

它起源于知乎，然后各种平台上出现了很多关于为什么联想投华为，联想没有不支持极坐标方案和联想支持高通，这导致华为以微弱优势落败。

这些文章我看过一些，漏洞百出。从1998年开始，由世界主要国家和电信、通信厂商组成的3GPP标准组织一直以严谨、专业甚至保守著称。在确定每一项技术标准时，都要经过反复讨论和严格审查，以确保其可实现性。绝不像这篇文章所说的选举村干部拉票。一个严谨的技术题目，很难被扣上帽子，蒙上阴影，这简直不可理喻。

好在这场闹剧终于结束了。5月11日，联想和华为发布官方声明对此进行澄清。

华为官方微博称，在2016年11月的3GPP会议上，华为和其他55家公司(包括联想和摩托罗拉移动)在广泛的性能评估和分析比较的基础上，共同提出了Polar code作为控制信道的编码机制，并获得通过。联想及其子公司摩托罗拉移动对这一计划投了赞成票。我要感谢联想集团及其摩托罗拉移动在3GPP举行的5G标准投票会议上投票支持Polar code方案。我们都在为中国企业在国际标准上的不断突破而共同努力。

就像极码的精髓一样，排除杂质干扰，光洁明亮。今天，让让我们来谈谈Turbo、LDPC、Polar等信道编码技术。让让我们在信道编码的辉煌历史中找到技术的原始核心。

什么是信道编码？

当我们拿起手机刷朋友圈的时候，数据是通过无线信号在手机和基站之间传输的。由于无线信号敏感脆弱，易受干扰和覆盖弱的影响，发射的数据和接收的数据有时会不一致，比如手机发出的1 0 0 1 0，基站收到的却是1 1 0 1 0。为了纠正错误，移动通信系统引入了信道编码技术。

在20世纪40年代之前，人们认为这种通信错误只能通过增加传输功率和重传来减少。这不是直到1948年香农提出了伟大的香农理论，人们才意识到可靠的通信可以通过信道编码来实现。

所谓信道编码，也叫差错控制编码，就是在发送端对原始数据添加冗余信息，使之与原始数据相关，然后在接收端根据这种相关性检测并纠正传输过程中产生的差错，以对抗传输过程的干扰。

然而，尽管香农前人指出了通过差错控制码实现可靠通信的理论依据，但没有给出具体的实现方法。于是，人们开始研究编码方案，不断接近香农极限。

信道编码简史

人类信道编码的第一次突破发生在1949年。R.Hamming和M.Golay提出了第一个实用的差错控制编码方案，——汉明码。

汉明码每4比特需要3个冗余校验位，所以编码效率低，一个码组只能纠正一个比特错误。

然后，M.Golay先生研究了汉明码的缺点，提出了Golay码。

Golay码被用于美国宇航局的误差控制系统从1979年到1981年，美国太空探测器旅行者号带回了数百张木星和土星的彩色照片。

Golay码之后是新的分组码——RM码。从1969年到1977年，RM码在火星探测中得到广泛应用，其快速解码算法非常适合光纤通信系统。

继RM码之后，人们提出了循环码的概念，也称为循环冗余校验(CRC)码。循环码也是分组码的一种，其码字具有循环移位特性。这种循环结构大大简化了编码和解码结构。

但上述编码方案都是基于分组码的，分组码主要有两个缺点：一是解码前必须接收整个码字；第二，需要精确的帧同步，导致延迟大，增益损失大。

直到卷积码的出现，分组码的缺点得到了改善。得益于卷积码，无线通信性能在接下来的10年里有了突飞猛进的发展。

Elias在1955年提出卷积码。

卷积码不同于分组码，它充分利用了信息块之间的相关性。在卷积码的译码过程中，不仅从这个码中提取译码信息，而且充分利用前后收到的码块，从这些码块中提取译码相关信息，译码也是连续进行的，从而保证卷积码的译码时延比较小。

卷积码虽然让通信编码技术腾飞了10年，但仍然遇到了—— 计算复杂性。

幸运的是，有一个神奇的摩尔这个世界的法律。感谢摩尔定律，编码技术在一定程度上解决了计算复杂度和功耗的问题。与摩尔定律，维特比译码算法于1967年被提出。

维特比译码算法提出后，卷积码被广泛应用于通信系统，如GSM、IS-95 CDMA、3G和商用卫星通信系统。

然而，随着通信技术的飞速发展。计算复杂性仍然是一堵不可逾越的墙。专家们苦苦思索，试图设计出计算复杂度可接受的代码和算法来提高效率，但其增益与Shannon 的理论极限。

当专家们不知所措的时候，奇迹出现了。

1993年，法国两位不知名的电气工程师C.Berrou和A.Glavieux声称他们发明了一种编码方法，——Turbo码，可以使信道编码效率接近Shannon s极限。

C.贝尔鲁

一开始大家都是半信半疑，甚至懒得理会这两个小角色。那么多数学家都没能取得突破，你们两个小小的机电工程师就敢自称接近香农极限？傻瓜，对吧？

而这两位法国工程师恰恰绕过了数学理论，凭借他们丰富的实践经验，通过迭代解码解决了计算复杂度。

Turbo码译码器有两个分量码译码器，译码在两个分量译码器之间迭代进行。所以整个解码过程的工作原理就像一个turbo，所以也被形象地称为turbo码。

Turbo码的发明再次开启了通信编码史上的一个革命性时代。

随后，世界各大公司开始专注于Turbo码的研究。Turbo码也成为了3G/4G移动通信技术中使用的编码技术，直到今天的4.5G我们还在使用它。

然而，由于Turbo码的迭代译码，必然会出现时间延迟。因此，当实时性要求较高时，Turbo码对于即将到来的超高速率、超低时延的5G要求遇到瓶颈。所以5G时代就有了Polar码和LDPC码之争。

5G: LDPC和Polar码亮相

让让我们先来看看5G KPI。

如上所示，5G和4G之间至少有三个主要区别：

4G面临单一的MBB场景，即手机的移动宽带业务；而5G面对的是eMBB、eMTC、URLLC三种场景，即5G面对的是万物互联，要应对AR、VR、车联网、工业4.0、智慧城市等各种应用。相对于只有语音和数据业务的3/4G，5G要忙很多。

4G的峰值速率是1Gbps，而5G的峰值速率高达20Gbps。

4G的用户面时延为5ms，5G则低至0.5ms(URLLC)。

这样一比较，问题就来了。5G的峰值速率是LTE的20倍，延迟是LTE的1/10，这意味着5G编码技术需要在有限的延迟内支持更快的处理速度。比如20Gbps相当于解码器每秒处理几十亿比特的数据，也就是解码器的数据吞吐率远高于4G。

解码器的数据吞吐率越高，硬件实现复杂度越高，处理功耗越大。解码器是手机基带处理的重要组成部分，占基带处理硬件资源和功耗的近72%。因此，为了实现5G的应用，选择一种高效的信道编码技术非常重要。

3GPP必须反复讨论编码技术的选择，严格把关。它这绝不像某些文章所披露的那样是为了拉选票。

同时，由于5G面临更多的应用场景，需要更高的编码灵活性，需要支持更宽的码块长度和更多的编码速率。比如短码块应用于物联网，长码块应用于高清文章，低码率应用于基站稀疏的农村站点，高码率应用于密集的城区。如果大家都用同样的编码速率，会浪费数据比特，从而浪费频谱资源。

由此，两种新的优秀编码技术进入了5G编码标准的视线：LDPC和Polar码，这两种都是接近香农的信道码极限。

LDPC电码是由麻省理工学院的罗伯特加拉格尔教授于1962年提出的。这是第一个接近香农提出的信道编码。s极限。但由于当时的局限性，很难克服计算的复杂性，后来就被遗忘了。直到1996年才引起通信界的关注。后来，LDPC码被WiFi标准采用。

LDPC有什么优势？基于LDPC高效的并行译码架构，其译码器在硬件实现复杂度和功耗方面优于Turbo码。

Turbo码和LDPC码功耗对比，来自5G论坛

Polar code于2007年由土耳其伯肯大学教授e阿里坎提出，2009年开始在通信领域引起关注。虽然Polar提出的比较晚，但是理论上已经证明可以达到香农极限。自其发明以来，业界在解码算法、速率兼容编码方案和硬件实现方面做了大量的研究和开发。

Polar码有什么优势？Polar码编译码复杂度低，无误码平台现象，比Turbo码的误帧率(FER)低很多，还支持灵活的编码长度和码率，各方面性能都比Turbo码好。

对比Turbo码与Polar码FER，来源5G论坛

因此，3GPP最终在5G时代放弃了Turbo码，选择LDPC作为数据信道编码方案，Polar作为广播和控制信道编码方案。

那么，为什么3GPP同时选择了LDPC码和极坐标码呢？有一个唐不要把鸡蛋放在同一个篮子里和一个一个代码不适合所有。

首先，华为不会孤注一掷进Polar code，高通也不会孤注一掷进LDPC code。每个公司都会把所有的鸡蛋放在不同的候选技术上。其次，各种编码方案的优缺点不同，需要综合考虑其硬件实现复杂度、功耗、灵活性和成熟度。一种准则不能适用于所有情况，也没有一刀切处方。

让技术回归技术，噪音少一点，我们的5G走得更稳。