5G標準專題：Polar碼——移動通信領域皇冠上的寶石

　　廣東智誠知識產(chǎn)權研究院

　　鄭友德、王活濤、袁真富

　　作者介紹

　　鄭友德：華中科技大學法學院教授、博士生導師、廣東智誠知識產(chǎn)權研究院院長。

　　王活濤：深圳峰創(chuàng)智誠科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO、首批全國知識產(chǎn)權領軍人才。

　　袁真富：法學博士，上海大學知識產(chǎn)權學院副院長。

　　

　　【前言-Polar碼簡史】

　　2008年，通信技術專家、土耳其畢爾肯大學電氣工程系Erdal Arikan教授首次提出Polar碼并發(fā)表論文。

　　2016年，Polar碼方案成為5G控制信道eMBB場景編碼最終方案，并成功進入5G基礎通信框架協(xié)議。

　　2018年，全球第一個符合3GPP標準的、支持Polar碼的5G系統(tǒng)正式發(fā)布。經(jīng)過十年的不懈努力和投入，Polar碼從理論變成了現(xiàn)實應用。

　　信道編碼簡史

　　眾所周知，3GPP于2018年6月14日正式凍結了5G New Radio的獨立組網(wǎng)規(guī)范。這標志著5G Release 15標準的正式發(fā)布。非獨立組網(wǎng)的NR規(guī)格于去年12月發(fā)布。目前，所有功能標準化工作的第一階段已經(jīng)完成。去年12月，5G極化碼(Polar碼)被確認為5G標準的基本要素。

　　世界上第一個符合3GPP標準、支持Palor碼的5G系統(tǒng)，于2018年2月22日在世界移動大會上發(fā)布，此時距離通信技術專家土耳其畢爾肯大學電氣工程系Erdal Arikan教授關于Palor碼的論文發(fā)布已經(jīng)過去了大約10年。

　　我們今天看到的只是冰山一角。在水面以下，有著數(shù)十年不間斷的研究和探索。

　　1948年，克勞德·香農(nóng)(Claude Shannon)發(fā)表了論文《通信的數(shù)學理論》，它成為信息理論的基礎。在論文中，他指出了在給定帶寬上以一定質量可靠地傳輸信息的最大速率。這被稱為香農(nóng)極限。他還提出，信道編碼技術提供了達到該限制的手段。因此，信道編碼技術已經(jīng)成為通信領域皇冠上的寶石，眾多科學家不知疲倦地致力于開發(fā)和發(fā)展這項技術。

　　1967年，維特比解碼算法被發(fā)明。它代表了第一代信道編碼技術的巔峰之作。該算法使解碼更簡單，并在解碼過程中提供了更好的性能。它使卷積碼廣泛用于信息和通信行業(yè)。該算法于1988年用于2G GSM網(wǎng)絡，并用于隨后的3G網(wǎng)絡。

　　1991年，法國教授克勞德·貝魯(Claude Berrou)發(fā)現(xiàn)了turbo碼，這是第一個接近香農(nóng)極限的編碼方案。這為第二代信道編碼技術打開了大門。1999年，3GPP采用turbo碼作為3G UMTS系統(tǒng)的信道編碼。它也被用于4G LTE系統(tǒng)?；趖urbo碼原則，科學界對1962年由羅伯特·加拉格爾(Robert Gallager) 教授發(fā)現(xiàn)的LDPC碼有了新的理解。人們意識到，憑借現(xiàn)代計算能力，LDPC碼也可以接近香農(nóng)極限。在隨后的幾十年中，LDPC碼已廣泛應用于存儲和廣播領域。

　　2008年，Erdal Arikan教授發(fā)表了關于Palor碼的論文。Palor碼成為唯一理論證明可以達到香農(nóng)極限的編碼方案。它們開創(chuàng)了第三代信道編碼技術。Palor碼和LDPC都被采用為5G標準。

　　2016年底，在3G PPRAN1 87 次會議的5G方案討論中，Polar碼方案在與LDPC和Turbo2.0方案競爭中勝出，成為5G控制信道 eMBB 場景編碼最終方案。自此，Polar碼成功進入5G基礎通信框架協(xié)議。

　　在這段信道編碼的發(fā)展歷史中我們看到，三代信道編碼技術中的每一代都需要10到20年才能從學術發(fā)現(xiàn)發(fā)展到行業(yè)標準?？茖W研究從理論轉向實際應用是一個充滿無數(shù)工程障礙的過程。

　　Palor碼——移動通信領域皇冠上的寶石

　　達到香農(nóng)極限的Polar碼，有著低的編碼和譯碼復雜度，解決了香農(nóng)信息論領域塵封近60年的難題。

　　Palor碼構造的核心是通過“信道極化”的處理，在編碼側，采用編碼的方法使各個子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性，當碼長持續(xù)增加時，一部分子信道將趨向于容量接近于1的可靠信道(無誤碼)，另一部分子信道趨向于容量接近于0的純噪聲信道，選擇在容量接近于1的子信道上直接傳輸信息以逼近信道容量。在譯碼側，極化后的信道可用簡單的逐次干擾抵消譯碼的方法，以較低的實現(xiàn)復雜度獲得與最大似然譯碼相近的性能。

　　在靜止和移動場景性能測試中，使用Polar碼的同時實現(xiàn)了短包和長包場景中穩(wěn)定的性能增益，使現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡的頻譜效率提升10%，與毫米波結合達到27Gbps的速率，實測結果證明Polar碼可以同時滿足ITU的超高速率、低時延、大連接的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)三大類應用場景需求。

　　Polar碼聲明標準專利統(tǒng)計分析

　　隨著5G第一個版本標準R15的凍結和封版，參與通信設備商，芯片制造商，運營商以及研究者都積極向歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI，一個非營利性的電信標準化組織，目前有來自47個國家的457名成員，涉及電信行政管理機構、國家標準化組織、網(wǎng)絡運營商、設備制造商、專用網(wǎng)業(yè)務提供者、用戶研究機構等，是全球標準化組織3GPP的成員之一)披露和聲明自己擁有的5G標準相關專利(見《5G標準專題研究之一：5G標準專利，誰執(zhí)牛耳?》)，但各家在Polar碼領域的相關研究和布局情況又如何呢?為此，筆者對當前各公司向ESTI聲明的5G polar專利情況做了進一步的統(tǒng)計和分析(如下表)。

　　截至2018年7月27日，5G 新空口(NR)聲明標準專利累計達5970族，相對《5G標準專題研究之一：5G標準專利，誰執(zhí)牛耳?》中6月14日統(tǒng)計數(shù)據(jù)新增聲明846族;目前5G新空口聲明標準專利中已有3518族有公開的專利文本。

　　筆者對已經(jīng)公開的3518族公開專利進行人工閱讀分析，結合Polar碼、編解碼的中英文關鍵詞，以及極化信道可靠度、信息比特、凍結比特、特有的生成矩陣等Polar碼特性，通過閱讀摘要、權利要求、說明書，以及附圖等判斷出是否是Polar碼技術方案，獲得與Polar碼相關的公開聲明專利為76族。筆者對未公開的2452族專利信息也進行整理統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)還有27族專利的標題含有Polar code元素。匯總看有103族polar碼的聲明標準專利，區(qū)分專利權人：華為擁有51族專利，占總數(shù)的49.5%;緊隨其后的是愛立信，它擁有26族專利，占總數(shù)的25.2%。

　　展望未來，我們清楚地意識到標準的誕生只是5G通訊時代的開始。現(xiàn)在及未來，包括Polar碼在內(nèi)的5G技術必將更快、更好地為社會創(chuàng)造價值，為ICT產(chǎn)業(yè)和人類社會的發(fā)展創(chuàng)造更多的奇跡。

　　廣東智誠知識產(chǎn)權研究院

　　由深圳峰創(chuàng)智誠科技有限公司全資設立的民辦科研機構(非企業(yè)組織性質)，集知識產(chǎn)權研究、策劃、咨詢、管理、培訓、交流于一體的高水準知識產(chǎn)權綜合機構。廣東智誠知識產(chǎn)權研究院匯聚國內(nèi)外知識產(chǎn)權研究和實務的頂級專家，引進國內(nèi)外一流高端創(chuàng)新資源的知識產(chǎn)權專業(yè)化智庫，秉持“扎根深圳、立足珠三角、服務全國、輻射世界”的方針，致力于推動知識產(chǎn)權交流與合作;為政府科學決策提供智力支持;為知識產(chǎn)權促進廣東省乃至我國經(jīng)濟轉型發(fā)展提供智力支持。

特別提醒：本網(wǎng)內(nèi)容轉載自其他媒體，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本站證實，對本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，并請自行核實相關內(nèi)容。本站不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。如若本網(wǎng)有任何內(nèi)容侵犯您的權益，請及時聯(lián)系我們，本站將會在24小時內(nèi)處理完畢。