助力5G的LDPC信道编码技术，究竟是何物？

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5G 信道编码 3GPP
LDPC Turbo Polar
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LDPC码终于被5G通信采纳

2016年10月14日，在葡萄牙里斯本，阿尔蒂斯大酒店，3GPP RAN1会议终于确定5G通信将使用LDPC码作为移动宽带（eMBB）业务数据信息的长码块编码方案。在问世53年之后，LDPC终于被主流移动通信系统接纳了。这对从事LDPC码研究的专家或者学者来说（笔者也是其中之一），无疑是一件令人兴奋的事情。

在这次会议中，关于5G 通信中候选的信道编码技术，其实有三个不同的阵营：
美国主推 LDPC码，代表的阵营有高通、NOKIA、Intel和三星。
法国主推 Turbo码，代表的阵营有Orange和爱立信。
中国主推 Polar码，代表的阵营有华为。

美国以高通领队，法国派出了最强团队（94年 Turbo 元老级 Claude Berrou 团队），中国则以华为为首。这是一场美、欧、中三方的通信标准之争。
LDPC码阵营认为，Turbo码译码时延大，不适用于5G高速率、低时延应用场景。
Turbo码阵营反驳，Turbo码已使用于3G、4G，在应用中不断改进的Turbo码是能够满足5G极端场景的。
Polar码则似乎有些弱势，目前还没有大规模应用采纳。
经过几百份提案和无数次讨论之后，最终3GPP 选定 LDPC码为 5G 中长码编码方案。短码的悬念留到了下次会议决定，Polar码和 Turbo码仍有望在未来的 5G 短码编码标准中占一席之地。
什么是信道编码

在移动通信中，由于存在干扰和衰落，信号在传输过程中会出现差错，所以需要对数字信号采用纠、检错技术，即纠、检错编码技术，以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力，提高系统的可靠性。对要在信道中传送的数字信号进行的纠、检错编码就是信道编码。
信道编码是为了降低误码率和提高数字通信的可靠性而采取的编码。信道编码之所以能够检出和校正接收比特流中的差错，是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特。
传统的信号编码有汉明码、BCH码、RS码和卷积码。目前应用较广的有Turbo码，以及5G即将使用的LDPC码，还有具有应用潜力的Polar码等。不同的信道编码，其编译码方法也有所不同，性能也有所差异。
关于LDPC码与Polar码
****LDPC码****

LDPC码和Polar码都是当今5G备选技术里炙手可热的信道编码技术，也是当今信道编码研究领域的热点。在这里不详细讲述具体的技术，只是给大家科普一下关于LDPC码和Polar码的知识。
LDPC码的发明人是美国人Robert Gallager，Polar码的发明人是土耳其人Erdal Arikan。同为顶尖的信息论高手，两个人同时也是师徒关系。

LDPC码于1962年由Robert Gallager提出，由于当时计算机处理能力和硬件实现水平有限，之后很长一段时间没有受到人们的重视。直到1993年Berrou等提出了Turbo码，纠错码理论经过近50年缓慢的发展，突然取得了巨大的进步。人们发现Turbo码从某种角度上说也是一种LDPC码，近几年人们重新认识到LDPC码所具有的优越性能和巨大的实用价值。在80年代，Tanner用图论的方式解释了LDPC码，并改进了译码方法。
到了90年代，剑桥大学卡文迪许实验室的David J.C. MacKay研究表明，采用LDPC长码可以达到Turbo码的性能，LDPC码在此进入了学术界的视野。随后学术界对LDPC投入了大量的关注，对编码矩阵构造、译码算法优化等关键技术展开研究。
其中比较关键的突破包括：高通的Thomas J. Richardson提出的Multi-Edge构造方法可以灵活的得到不同速率LDPC码，非常适合通信系统的递增冗余（IR-HARQ）技术；再加上LDPC的并行译码可以大幅度降低LDPC码的解码时间和复杂度，LDPC从理论进入通信系统的障碍被全部扫清了。现在，LDPC码被公认为是性能最接近香农极限的信道编码之一。

LDPC码是一种线性分组码，它是一种校验矩阵密度（“1”的数量）非常低的分组码，核心思想是用一个稀疏的向量空间把信息分散到整个码字中。普通的分组码校验矩阵密度大，采用最大似然法在译码器中解码时，错误信息会在局部的校验节点之间反复迭代并被加强，造成译码性能下降。
反之，LDPC的校验矩阵非常稀疏，错误信息会在译码器的迭代中被分散到整个译码器中，正确解码的可能性会相应提高。简单的说：普通的分组码的缺点是错误集中并被扩散；而LDPC的优点是错误分散并被纠正。

由于LDPC码优异的性能，已经被5G通信所认可并采纳。对于LDPC码来说，不仅可以应用到移动通信当中，还可以应用到存储领域（笔者目前正从事这方面的研究）。目前，国内外已经有研究利用LDPC码应用到高密度闪存（如现在的MLC/TLC NAND Flash）以提高存储的可靠性，在此之前主要应用的是BCH码。由于存储芯片制造尺寸日益减小，可靠性是一个需要被重视的问题，LDPC码的应用无疑具有重要的意义。
Polar码

Polar码是2007年Erdal Arika在他的一篇关于信道计划理论的文章中提出来的。在近来的研究中，Polar码被发现其具有接近香农限的性能，而且编解码具有较低复杂度，逐渐成为纠错码研宄新的热点。

Polar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，一部分信道将趋向于容量接近于1的完美信道（无误码），另一部分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。Polar码作为目前唯一可理论证明达到香农极限，并且具有可实用的线性复杂度编译码能力的信道编码技术，在未来移动通信当中将具有很大的应用潜力。

在中国，华为大力推进Polar码的研究。华为在中国IMT-2020(5G)推进组5G第一阶段外场的信道编码实际测试中，测试了Polar码在静止和移动场景下的性能，通过极化编码的使用和译码算法的动态选择，同时实现了短包（大连接物联网场景）和长包（高速移动场景，如自动驾驶等低时延要求）场景中的稳定的性能增益，使现有的蜂窝网络的频谱效率有近10%的提升，还与毫米波结合达到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。
新空口技术是5G区别于传统通信技术最革命性的创新，华为通过多种新空口技术（F-OFDM，Polar Code，SCMA，GrantFree，ShortTTI）的组合，总体可使5G空口提升3倍频谱效率，为5G关键技术选型做好了充分的准备工作。
笔者解读

笔者认为无论是LDPC码或者Polar码，由于之前大多的研究主要集中在理论上，但随着计算机与硬件水平的发展，更多的理论会得到实践，两者在未来都将具有非常大的应用潜力。最后感谢一下5GNR，科技蜘蛛，网优雇佣军提供的材料。