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5G标准专题:Polar码——移动通信领域皇冠上的宝石

发布时间:2018-09-04 16:04:36  来源:北国网    背景:

  5G标准专题:Polar码——移动通信领域皇冠上的宝石

  广东智诚知识产权研究院

  郑友德、王活涛、袁真富

  作者介绍

  郑友德:华中科技大学法学院教授、博士生导师、广东智诚知识产权研究院院长。

  王活涛:深圳峰创智诚科技有限公司创始人兼CEO、首批全国知识产权领军人才。

  袁真富:法学博士,上海大学知识产权学院副院长。

  

  【前言-Polar码简史】

  2008年,通信技术专家、土耳其毕尔肯大学电气工程系Erdal Arikan教授首次提出Polar码并发表论文。

  2016年,Polar码方案成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案,并成功进入5G基础通信框架协议。

  2018年,全球第一个符合3GPP标准的、支持Polar码的5G系统正式发布。经过十年的不懈努力和投入,Polar码从理论变成了现实应用。

  信道编码简史

  众所周知,3GPP于2018年6月14日正式冻结了5G New Radio的独立组网规范。这标志着5G Release 15标准的正式发布。非独立组网的NR规格于去年12月发布。目前,所有功能标准化工作的第一阶段已经完成。去年12月,5G极化码(Polar码)被确认为5G标准的基本要素。

  世界上第一个符合3GPP标准、支持Palor码的5G系统,于2018年2月22日在世界移动大会上发布,此时距离通信技术专家土耳其毕尔肯大学电气工程系Erdal Arikan教授关于Palor码的论文发布已经过去了大约10年。

  我们今天看到的只是冰山一角。在水面以下,有着数十年不间断的研究和探索。

  1948年,克劳德·香农(Claude Shannon)发表了论文《通信的数学理论》,它成为信息理论的基础。在论文中,他指出了在给定带宽上以一定质量可靠地传输信息的最大速率。这被称为香农极限。他还提出,信道编码技术提供了达到该限制的手段。因此,信道编码技术已经成为通信领域皇冠上的宝石,众多科学家不知疲倦地致力于开发和发展这项技术。

  1967年,维特比解码算法被发明。它代表了第一代信道编码技术的巅峰之作。该算法使解码更简单,并在解码过程中提供了更好的性能。它使卷积码广泛用于信息和通信行业。该算法于1988年用于2G GSM网络,并用于随后的3G网络。

  1991年,法国教授克劳德·贝鲁(Claude Berrou)发现了turbo码,这是第一个接近香农极限的编码方案。这为第二代信道编码技术打开了大门。1999年,3GPP采用turbo码作为3G UMTS系统的信道编码。它也被用于4G LTE系统。基于turbo码原则,科学界对1962年由罗伯特·加拉格尔(Robert Gallager) 教授发现的LDPC码有了新的理解。人们意识到,凭借现代计算能力,LDPC码也可以接近香农极限。在随后的几十年中,LDPC码已广泛应用于存储和广播领域。

  2008年,Erdal Arikan教授发表了关于Palor码的论文。Palor码成为唯一理论证明可以达到香农极限的编码方案。它们开创了第三代信道编码技术。Palor码和LDPC都被采用为5G标准。

  2016年底,在3G PPRAN1 87 次会议的5G方案讨论中,Polar码方案在与LDPC和Turbo2.0方案竞争中胜出,成为5G控制信道 eMBB 场景编码最终方案。自此,Polar码成功进入5G基础通信框架协议。

  在这段信道编码的发展历史中我们看到,三代信道编码技术中的每一代都需要10到20年才能从学术发现发展到行业标准。科学研究从理论转向实际应用是一个充满无数工程障碍的过程。

  Palor码——移动通信领域皇冠上的宝石

  达到香农极限的Polar码,有着低的编码和译码复杂度,解决了香农信息论领域尘封近60年的难题。

  Palor码构造的核心是通过“信道极化”的处理,在编码侧,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,一部分子信道将趋向于容量接近于1的可靠信道(无误码),另一部分子信道趋向于容量接近于0的纯噪声信道,选择在容量接近于1的子信道上直接传输信息以逼近信道容量。在译码侧,极化后的信道可用简单的逐次干扰抵消译码的方法,以较低的实现复杂度获得与最大似然译码相近的性能。

  在静止和移动场景性能测试中,使用Polar码的同时实现了短包和长包场景中稳定的性能增益,使现有蜂窝网络的频谱效率提升10%,与毫米波结合达到27Gbps的速率,实测结果证明Polar码可以同时满足ITU的超高速率、低时延、大连接的移动互联网和物联网三大类应用场景需求。

  Polar码声明标准专利统计分析

  随着5G第一个版本标准R15的冻结和封版,参与通信设备商,芯片制造商,运营商以及研究者都积极向欧洲电信标准化协会(ETSI,一个非营利性的电信标准化组织,目前有来自47个国家的457名成员,涉及电信行政管理机构、国家标准化组织、网络运营商、设备制造商、专用网业务提供者、用户研究机构等,是全球标准化组织3GPP的成员之一)披露和声明自己拥有的5G标准相关专利(见《5G标准专题研究之一:5G标准专利,谁执牛耳?》),但各家在Polar码领域的相关研究和布局情况又如何呢?为此,笔者对当前各公司向ESTI声明的5G polar专利情况做了进一步的统计和分析(如下表)。

  截至2018年7月27日,5G 新空口(NR)声明标准专利累计达5970族,相对《5G标准专题研究之一:5G标准专利,谁执牛耳?》中6月14日统计数据新增声明846族;目前5G新空口声明标准专利中已有3518族有公开的专利文本。

  笔者对已经公开的3518族公开专利进行人工阅读分析,结合Polar码、编解码的中英文关键词,以及极化信道可靠度、信息比特、冻结比特、特有的生成矩阵等Polar码特性,通过阅读摘要、权利要求、说明书,以及附图等判断出是否是Polar码技术方案,获得与Polar码相关的公开声明专利为76族。笔者对未公开的2452族专利信息也进行整理统计,发现还有27族专利的标题含有Polar code元素。汇总看有103族polar码的声明标准专利,区分专利权人:华为拥有51族专利,占总数的49.5%;紧随其后的是爱立信,它拥有26族专利,占总数的25.2%。

  展望未来,我们清楚地意识到标准的诞生只是5G通讯时代的开始。现在及未来,包括Polar码在内的5G技术必将更快、更好地为社会创造价值,为ICT产业和人类社会的发展创造更多的奇迹。

  广东智诚知识产权研究院

  由深圳峰创智诚科技有限公司全资设立的民办科研机构(非企业组织性质),集知识产权研究、策划、咨询、管理、培训、交流于一体的高水准知识产权综合机构。广东智诚知识产权研究院汇聚国内外知识产权研究和实务的顶级专家,引进国内外一流高端创新资源的知识产权专业化智库,秉持“扎根深圳、立足珠三角、服务全国、辐射世界”的方针,致力于推动知识产权交流与合作;为政府科学决策提供智力支持;为知识产权促进广东省乃至我国经济转型发展提供智力支持。

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