为极解密，华为 5G Polar 码之争真相（一）

[hipola]

编者按 “华为极化码事件”内幕： 极化码获得的并非之前大肆炒作的“短码”。 极化码打败的对手并不是 LDPC ，而是在控制信道上取代 4G 现有技术 TBCC 。 若非极化码最终靠非技术手腕挤进控制信道，华为投资几十亿的 5G “三神器”在 5G NR 第一阶段业已全部打水漂。

整个 5G 信道编码又经历一番怎样波澜壮阔的争斗，这背后又隐藏着多少暗流汹涌的阴谋诡计。”为极解密“ 为您最全方位的解析。

第一章 极之澄清

第一章 第一节 5G 到底哪一部分码会考虑使用极化码？

第一章 第二节 极化码在长码上真的是几票惜败于 LDPC 么？

第一章 第三节 5G NR 极化码到底打败了谁？

第二章 极化之源

第二章 第一节 前 5G -- 毫米波

第二章 第二节 “三神器”

第三章 极化过程

第三章 第一节 哥德堡会议（ 2016 年 8 月）

第三章 第二节 “国标码”

第三章 第三节 里斯本会议（ 2016 年 10 月）

第三章 第四节 雷诺会议（ 2016 年 11 月）

第四章 登峰“造”极，“为”我独尊

跋

参考文献

附录 1

附录 2

附录 3

序

近期有关“华为的”极化码（ polar code ）碾压西方列强赢得 5G 信道编码的新闻铺天盖地。作为几次会议的观战者，仅作此文澄清一些事实，也兼谈一些对 5G 的个人看法，以期抛砖引玉。

“为极”有两方面含义：

字面意思即华“为”所推崇的“极”化码。

同时也蕴含“所作所为以至极”的意思，隐喻此次事件对 3GPP 的影响。

第一章 极之澄清

第一章 第一节 5G 到底哪一部分码会考虑使用极化码？

有关 polar code 的报道可谓铺天盖地，各种名词概念看得人头晕目眩，到底 polar 码会被 5G 哪部分采用，看了诸多报道可能还是一头雾水。其实梳理一下，编码应用主要集中在以下两类信道：数据信道，控制信道。在 3GPP 的讨论过程中，数据信道又有了长码和短码的讨论。

先说一下结论：

Polar code 被采用的是控制信道的编码，既不是长码也不是短码，因为长短码只属于数据码讨论范畴。 我们首先解释一下数据和控制信道的区别和联系：

所谓数据信道：传输的是用户所要传递的数据，视频浏览，微信短信，电话服务等等。

所谓控制信道：传输的是有关数据信道的信息，譬如，数据在哪里传，数据块的大小，等一些控制信息。

通常来说，数据信道编码所需要的码长范围远远大于控制信道，且数据信道编码需要支持高速率数据传输，相对控制信道而言有更高的硬件要求。下面表格 1 总结了数据信道和控制信道比较常见的码块信息比特长度。

表格 1 ：数据信道和控制信道码块信息比特长度的通常范围

数据信道 Info Bit K From 40 to 6,000~8,000

控制信道 Info Bit K 20~100 (一般场景) 控制信道 Info Bit K Up to 300 bits (极端场景)

这个表格的例子列举了常见的数据信道和控制信道所要支持的信道编码码块长度。一个数据信道码块长度从 40-bit 到 6,000~8,000-bit 。一个数据信道的传输块可以包含几十甚至成百上千的码块，换而言之，数据信道的数据量可以比控制信道高几个数量级。而控制信道的码长一般在 100 以内便可以覆盖大部分应用场景（此处数据参照 4G LTE ， 5G 的控制信道设计尚未完成，具体范围是否变化还待定）。这并不意味着控制信道编码不如数据信道编码重要（而只是说明两种信道需要的码长范围不同），事实上恰恰相反，控制信道编码解码对 5G 整个的延时，功耗等都有着深远的影响。 Polar 在延时功耗上能否符合要求还有待验证。

控制信道的码长虽短，但却并不隶属于媒体近日一直热炒的“长码”和“短码”中的任何一类。因为被热炒的 Turbo, LDPC 和 Polar 5G “短码”之争仅限于数据码范畴。

其实 3GPP 标准中本无所谓长码短码的概念，时下报道中常见的长码短码来自于 10 月里斯本（ 3GPP RAN1 ）会议关于“增强型移动宽带（ eMBB ）的数据码”的讨论。 10 月里斯本 RAN1 的决议[2]摘录见附录 1 。四点决定非常清楚：

a. 数据信道长码(information block size > X)用 LDPC

b. 数据信道短码(information block size ≤ X)用 Turbo, LDPC or Polar 有待 3GPP 十一月雷诺会议决定

c. 长码短码载荷分界线 X 在 128 到 1024 bit 之间, X 的具体值有待 3GPP 十一月雷诺会议决定。

d. 控制信道和 URLLC （超可靠低时延通信）和 mMTC （大规模物联网）的编码有待研究

由此可见，最近一直被提及的长码短码指的都是数据信道编码（ a 和 b ）。控制编码的讨论是另外的研究课题（包含在 d 里面）。

很多报道说 polar 被控制信道“短码”所采用，不知是对数据信道“长码短码”的讨论背景确实一无所知，亦或是有意无意地混淆了概念。

在章节最后，重申一下结论：

Polar code 最终被采用的是控制信道的编码，既不是数据码中的“长码”也不是“短码”。

第一章 第二节 极化码在长码上真的是几票惜败于 LDPC 么？

有报道说在 10 月里斯本 3GPP RAN1 会议长码的决议中， polar code 以几票之差惜败于 LDPC 。是否有这回事呢，到底有多少家公司支持 polar 做 eMBB 的长码？

察看一下 10 月里斯本会议的纪录[2]，事实便很清晰（原始记录[2]可以在 3GPP 网站上下载，参考文献里提供了链接）。事实上在当时的讨论中，对于大多数公司来说， LDPC 用于长码，几乎是无可争议，是为了达到高吞吐率和硬件的高效率所必需的。绝大多数公司都认可即便短码可能有其他选择，长码都必须要有 LDPC 。实际上，除了华为觉得 polar code 可以同时胜任长码和短码以外，其他没有任何一家公司表示长码不需要 LDPC （其他所有支持 turbo/polar 的公司也都明确表示长码需要 LDPC ，即 LDPC+Turbo 或者 LDPC+Polar ）。然而在短码问题上，用 LDPC, Polar 还是 Turbo 几方争持不下。为了取得进展，主席最终先采纳了大家都能够同意的 LDPC 作为 eMBB 长码，参见附录 2 中的详细分析。

从结果来看， LDPC 用于长码几乎是众望所归自然而然的结果。所谓 polar 的几票惜败 LDPC 于长码的说法，不知有何依据。

第一章 第三节 5G NR 极化码到底打败了谁？

首先列举一下 5G 主要的候选编码如下：

1 ） Turbo code (turbo 码)

2 ） LDPC code （低密度奇偶校验码)

3 ） Polar code (极化码)

4 ） TBCC (咬尾卷集码)

数据信道编码的竞争主要在 Turbo/LDPC 和 Polar 三者之间展开。最终 LDPC 脱颖而出，成为数据信道编码（请参考前文）。

而控制信道编码，主要的争夺其实是在 TBCC 和 Polar 之间展开，具体的技术讨论也只是在 11 月雷诺会议上才展开。控制信道编码本来不必在雷诺会议上决定，但作为数据控制信道编码一揽子妥协方案的一部分，最终决定以 Polar code 取代 4G 采用的 TBCC 。

看看最终的决定和最后阶段的几个竞争方案便一目了然（详细分析参见附录 3 ）。

最终 TBCC 并未能成为下行控制信道的编码，但之前提到的“短码”属于数据码讨论范畴，跟控制码完全是风马牛不相及的两回事。说“ polar 在短码上击败了 LDPC 拿下控制信道”，至少有两处偷换了概念（ a. 把控制信道编码混淆成之前所说的数据信道短码. b. 把 polar 击败的对手 TBCC 混淆成了 LDPC ）。再次简单总结一下最后的结果：

1 ） 数据信道：长码，短码均采用了 LDPC

2 ） 控制信道： Polar 击败的是 TBCC 而非 LDPC

第二章 极化之源

“ Polar 事件” 极化过程并非一蹴而就，也非一个孤立的事件。把它的发展过程放到整个 3GPP 5G 发展的大背景下才能得见事件的全貌。要了解整个事件的来龙去脉，必须对之前 5G 的背景做一些简单的介绍。无线通信系统，从 1G 到 2G 是从模拟到数字的飞跃； 2G 到 3G 是从语音到数据的飞跃； 3G 到 4G 则是从移动窄带到宽带的飞跃。关于 5G 的技术重点近年来众说纷纭，各个国家地区的研究重点也因可用的 5G 频谱上的不同而因地制宜。

第二章 第一节 前 5G -- 毫米波

早在 3GPP 5G NR 开始之前， Verizon Wireless 早已迫不及待地搞了一个 5G technical forum （ 5GTF ）,基于 LTE 标准的框架定了一套针对毫米波的 pre-5G 商业试用 spec 。

毫米波是 5G 的一个发展方向，具有高频得天独厚超高宽带的优势，如果能有效结合波束赋形（ beamforming ），那在覆盖范围内能支持非常高的速率。然而高频毫米波真正要做到移动宽带，挑战也确实不小。高频覆盖范围小，对介质的穿透能力极其有限，移动应用中毫米波从室外到室内的覆盖问题始终是一个难点。

Verizon 在 3G ， 4G 时代都是率先尝试新技术，自然也希望在 5G 时代，继续保持技术领先。

但这不是 Verizon 大张旗鼓投入毫米波作为其 5G 切入点的主要原因。 Verizon 选择上毫米波的根本原因在于频谱。放眼望去，美国的非毫米波频段（ sub-6GHz ）几乎没有可用于 5G 移动宽带的频谱（好容易有个 3.5GHz 的可能频段本，被 Google 一番游说后变成 shared licensed spectrum 了）， FCC 刚刚批准的 5G 频谱全部在毫米波频段。

还有一点很关键的是， Verizon 面临的不单是移动服务上来自传统运营商（ ATT, T-mobile, Sprint ）的竞争。更要面对潜在新兴运营商在移动和固网上的双重挑战（比如 Google 之前一段炒得很热的 Google Fiber 对 Verizon 的固网业务就是潜在的威胁）。由于这两方面的原因， Verizon 投入固网和移动都能支持的毫米波技术就势在必然了。

其实 Verizon 想抢跑 5G 纯粹出于自身商业利益考虑，但有好事者就把 Verizon 的 5GTF 描绘成了美国想绕开 3GPP 在 5G 抢得了先机的阴谋。几个月前，当 5GTF 刚刚完成定标，网络上“美国抢跑 5G ”之类的新闻也是铺天盖地。其实 5GTF 是否与地域政治有关，只需看看美国其它运营商的反应。同为美国运营商的 ATT 对 Verizon 的抢跑显然非常不满，急吼吼地催促 3GPP 加速完成 5G NR 的定标（ ATT 公开宣称 5G NR 的第一版将在 2017 年底之前完成）。

这个 5G 的战前小插曲本来与 polar 码丝毫不沾边。可我们后面将看到，这是如何被“国标定码”的阴谋论所利用，催生了整个 polar 极化事件。

第二章 第二节 “三神器”

所谓三神器，即华为主推的三种 5G 基础技术：

一． filtered-OFDM

二． SCMA (稀疏码分多址， sparse-code-multiple-access)

三． polar code

说起如今的移动通讯界，便不得不提到华为的大名。纵观通讯行业，老牌公司（无论是设备或是终端厂商）大多在保盈利与求发展的薄刃上徘徊挣扎。国际上传统通信设备供应商面临华为为首的中国企业的巨大挑战，兼并重组，整合不断，能够在这一产业生存的玩家逐步减少。手机终端产业则面临风云变幻的市场和惨烈的竞争。往往是你方唱罢我登场，几个月前还风光无限，稍有不慎便会深陷危机。即便是业界巨擘也是如履薄冰，时刻面临着发展停滞的潜在危险。

就是在通讯行业这样的大环境下，华为却能在基站和终端业务上花开并蒂，多年保持百分之几十的增长，不得不令人叹服。华为也非满足于眼下发展的池中之物，有着包藏宇宙之机，吞吐天地之志的雄心，踌躇着要在 5G 时代有一番作为。单从技术层面看，华为有着世界上最大的 4G LTE TDD （时分双工）市场，同时在基站与终端两端均享有巨大的份额，这在当今的通讯行业极为难得（绝大多数通讯企业只有基站或者终端一方面的业务，要基站终端联调必须与其他公司合作），这巨大的市场本身便是华为一个得天独厚的的研发和创新平台。

笔者以为华为靠多年 TDD 的经验和研发便足以在 5G 增强型移动宽带上引领群雄，大展一番宏图：大规模 MIMO 天线阵和 channel reciprocity 相辅相成，恰如九阳神功结合乾坤大挪移足以实现高速率和高覆盖的移动宽带体验；凭借在 TDD 各类相关业务上多年的累积（ LTE 大 /小 /微型小区的经验），能在 5G 上赋予动态 TDD 和灵活双工模式（ flexible Duplex ）新的生命，甚至彻底颠覆传统 FDD 、 TDD 双工模式，把上下行的调度做得更为灵活高效，甚至可能在 5G 上豪赌，挑战全双工的系统实现。

出乎意料的是，华为主推的所谓三神器与其 TDD 上的技术积累几乎没有任何关联性可循。每与同事 /同行谈及三神器，都不觉莞尔。这三种技术实在是谈不上革命性，甚至不具有演进性的意义，因为已经有太多类似的技术可以达到类似或者更好的性能。更棘手的是，三神器的性能增益大部分仍停留在纸上谈兵的学术研究阶段。举几个简单的例子：

fOFDM ，在实际功放模型下（ practical PA model ），其性能与传统的“加窗”技术相比并无明显优势，却大大增加了发送和接收机的复杂度。

SCMA ，由于其稀疏的限制，在物联网应用上链路预算大打折扣。（题外话：即便是从信息论角度而言，在信道编码之外再多加一层多维短码实有房上加楼之嫌。在理论上毫无必要）。

Polar 码，现行的逐次消去列表解码法（ successive cancellation list decoding ）并不非常适合硬件并行实现。高效率低延时解码设计， IR-HARQ 设计等诸多方面的成熟度相比 LDPC ， Turbo 和 TBCC 仍相去甚远。考虑上延时，实现复杂度等因素， Polar 码能否有任何可实现的性能优势也是见仁见智。然而 Polar 码所带来的实现风险却是无法回避的问题。

三神器之于 5G ，着实让人有“食之无味，弃之可惜”的感慨。令人费解的是，华为竟然会举全公司的 5G 研发资源专注于如此三个初创公司的课题。抑或是我辈见识浅薄，管中窥豹，未见全璧？然则三神器到底是何等的无可替代，它们又能在 5G 开启怎样的新功能、新服务实在是让人说不上来。有人甚至揣测，华为大肆宣传“三神器”莫非是效仿当年韩信“明修栈道，暗渡陈仓”的战略。一旦 3GPP 正式开始，图穷匕见，华为便会拿出真正的 5G 方案蓝图，所谓的三神器不过掩人耳目罢了。

之后 3GPP 的会议历程验证了上述一半的猜测，但是后来事态的极化恐怕远远超出了所有人的意料。