張碧軍 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

陳大庚 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

王光健 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

沈輝 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

王俊 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

中國(guó)5G測(cè)試
——極化碼

張碧軍 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

陳大庚 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

王光健 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

沈輝 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

王俊 華為技術(shù)有限公司通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室工程師

針對(duì)ITU定義的3種典型應(yīng)用場(chǎng)景，必須以革命性的基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能，高效信道編碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的關(guān)鍵途徑之一。本文首先對(duì)極化碼的基本原理及對(duì)應(yīng)的編解碼鏈路框架進(jìn)行介紹，接著介紹極化碼在中國(guó)5G測(cè)試背景下，在低頻與高頻下的測(cè)試情況。最后，豐富的測(cè)試?yán)皽y(cè)試結(jié)果表明，極化碼對(duì)ITU定義的3種典型應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。由此可見，極化碼已為5G關(guān)鍵技術(shù)選型做好了充分的準(zhǔn)備工作。

極化碼；ITU；5G；應(yīng)用場(chǎng)景

1 引言

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的3種典型應(yīng)用場(chǎng)景，分別是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、低功耗大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）和低時(shí)延、超可靠通信（uRLLC）。上述3種典型應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)終端上網(wǎng)峰值速率、單位面積終端鏈接數(shù)量、低時(shí)延高可靠通信均提出了相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，以滿足增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)、視頻直播、海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等5G時(shí)代的典型應(yīng)用。

中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)自2016年1月份啟動(dòng)，分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、技術(shù)方案驗(yàn)證和系統(tǒng)驗(yàn)證3個(gè)階段。據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組介紹，第一階段關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線、新型多址、新型多載波、新型編碼調(diào)制、高頻段通信等7個(gè)無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)。目前，相關(guān)系統(tǒng)廠商已就上述技術(shù)驗(yàn)證了在支持Gbit/s用戶體驗(yàn)速率、ms級(jí)端到端時(shí)延、每平方公里百萬(wàn)連接等多樣化5G場(chǎng)景需求的技術(shù)可行性。

5G要實(shí)現(xiàn)的10～20Gbit/s的峰值速率、千億的連接、1ms的時(shí)延能力，必須以革命性的基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升了網(wǎng)絡(luò)性能。高效信道編碼技術(shù)以盡可能小的業(yè)務(wù)開銷增加信息傳輸?shù)目煽啃?，信道編碼效率的提升將直接反映到頻譜效率的改善。構(gòu)造可達(dá)到信道容量或者可逼近信道容量（Shannon限）的信道編碼方法，及可實(shí)用的線性復(fù)雜度的譯碼算法一直是信道編碼技術(shù)研究的目標(biāo)。

2008年，Ar?kan在國(guó)際信息論ISIT會(huì)議上首次提出了信道極化（ChannelPolarization）的概念，并于2009年在《IEEETransactiononInformationTheory》期刊上發(fā)表的一篇論文中進(jìn)行了更詳細(xì)的闡述，同時(shí)基于信道極化給出了一種編碼方式，起名為極化碼（Polar Codes）。極化碼具有確定性的構(gòu)造方法，并且是第一種、也是已知的唯一一種能夠被嚴(yán)格證明“達(dá)到”信道容量的信道編碼方法。近些年，針對(duì)極化碼的研究，主要集中在如何提高譯碼效率同時(shí)獲得逼近ML的譯碼性能。由于極化碼的構(gòu)造是基于串行抵消（SC）譯碼算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的，因此，對(duì)于譯碼算法的改進(jìn)也應(yīng)當(dāng)是基于SC譯碼過(guò)程的。SC譯碼算法可以看作是在極化碼碼樹上的一種路徑搜索過(guò)程，通過(guò)改進(jìn)樹搜索算法可大大提高譯碼性能。一種是基于廣度優(yōu)先搜索的串行抵消列表（SCL）算法首先被提出，通過(guò)并行地搜索多條路徑降低ML路徑丟失的概率，從而達(dá)到接近ML譯碼的性能。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）碼是一種應(yīng)用極其廣泛的糾錯(cuò)編碼。從信息論的角度來(lái)看，能夠通過(guò)CRC校驗(yàn)是一個(gè)關(guān)于待譯碼序列的先驗(yàn)信息，利用好這一先驗(yàn)信息，理論上就有可能

提高譯碼性能。在配置了極化碼的場(chǎng)景下，這些候選路徑中具有最大后驗(yàn)概率的一條會(huì)被輸出作為譯碼結(jié)果，而如果信息序列中包含有CRC比特，那么就可以直接選擇能夠通過(guò)CRC校驗(yàn)的那一條候選路徑。由于CRC校驗(yàn)漏檢概率非常低，因此用這種CRC輔助（CA-SCL）的譯碼方案可大大提高其譯碼性能。

2 極化碼簡(jiǎn)介

2.1 極化碼基本原理

極化碼作為目前唯一可理論證明達(dá)到香農(nóng)極限，并且具有可實(shí)用的線性復(fù)雜度編譯碼能力的信道編碼技術(shù)，成為下一代通信系統(tǒng)（5G）中信道編碼方案的強(qiáng)力候選者。極化碼構(gòu)造的核心是通過(guò)“信道極化”的處理，如下圖1所示，在編碼側(cè)，采用編碼的方法使各個(gè)子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性，當(dāng)碼長(zhǎng)持續(xù)增加時(shí)，一部分信道將趨向于容量接近于1的完美信道（無(wú)誤碼），另一部分信道趨向于容量接近于0的純?cè)肼曅诺?，選擇在容量接近于1的信道上直接傳輸信息以逼近信道容量。在譯碼側(cè)，極化后的信道可用簡(jiǎn)單的逐次干擾抵消譯碼的方法，以較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度獲得與最大似然譯碼相近的性能。

圖1 極化碼原理

2.2 基于極化碼的編解碼鏈路框架

基于極化碼的編解碼鏈路框架如圖2所示。在發(fā)射端，采用極化碼作為信道編碼方案。同LTE系統(tǒng)的Turbo信道編碼方案近似，在發(fā)射端，同樣需要將傳輸塊（TB）分割為多個(gè)碼塊（CB）、碼率匹配（RM）等功能模塊。在接收端，首先進(jìn)行解碼率匹配（De-RM），然后解碼多個(gè)碼塊并級(jí)聯(lián)成獨(dú)立的傳輸塊。不同于Turbo解碼方案，極化碼譯碼采取如SCL算法對(duì)每個(gè)碼塊進(jìn)行譯碼。SCL譯碼算法復(fù)雜度依賴于搜索寬度。對(duì)于搜索寬度為32的SCL譯碼算法，相比8次迭代的Turbo譯碼復(fù)雜度還要低。對(duì)于Turbo編解碼框架，可參考3GPP協(xié)議規(guī)范文檔。

3 極化碼測(cè)試

3.1 極化碼在低頻中的測(cè)試

在中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試中，華為首次針對(duì)低頻，在實(shí)驗(yàn)室與外場(chǎng)環(huán)境下，做了極化碼與Turbo碼的對(duì)比性能測(cè)試。為充分對(duì)比二者性能，設(shè)定兩種資源塊（RB）個(gè)數(shù)，同時(shí)結(jié)合不同調(diào)制編碼級(jí)別（MCS）下的組合，分別就長(zhǎng)碼長(zhǎng)與短碼長(zhǎng)兩種情形進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。同時(shí)，考慮減小信道時(shí)變對(duì)極化碼與Turbo的不同影響，將二者配置在上行的兩相鄰時(shí)隙進(jìn)行同時(shí)傳輸。測(cè)試拓?fù)渑渲?、硬件?guī)格、空口規(guī)格以及測(cè)試?yán)c對(duì)應(yīng)性能見下文。

3.1.1 測(cè)試拓?fù)渑渲?/p>

在關(guān)鍵技術(shù)極化碼與Turbo的對(duì)比測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試配置與外場(chǎng)測(cè)試配置如圖3所示。

圖3左邊由信道模擬儀建模不同信道模型及終端不同接收信噪比，從而可評(píng)估不同信道條件、信噪比下二者性能對(duì)比。圖3右邊為外場(chǎng)空口測(cè)試配置，測(cè)試空口環(huán)境下，二者性能對(duì)比。

3.1.2 測(cè)試硬件規(guī)格及空口規(guī)格

在對(duì)比測(cè)試中，硬件規(guī)格與空口規(guī)格如表1所示。

在一階段測(cè)試中，基于LTE幀結(jié)構(gòu)，下行采用空頻編碼（SFBC），上行采用單發(fā)多收（SIMO）模式進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試。

3.1.3 測(cè)試?yán)O(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

圖2 極化碼編解碼鏈路框架

為充分對(duì)比極化碼與Turbo性能，設(shè)計(jì)了如表2所示的測(cè)試?yán)?。考慮實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)信道模擬儀的測(cè)試及外

場(chǎng)終端靜止與移動(dòng)下的測(cè)試。無(wú)論哪種測(cè)試?yán)紲y(cè)試長(zhǎng)碼長(zhǎng)與短碼長(zhǎng)下極化碼與Turbo的性能。如何配置長(zhǎng)碼長(zhǎng)與短碼長(zhǎng)，可參考表3。其中，4RBs組合3種MCS對(duì)應(yīng)短碼長(zhǎng)而100RBs組合3種MCS對(duì)應(yīng)長(zhǎng)碼長(zhǎng)。

圖3 極化碼在低頻測(cè)試拓?fù)渑渲檬疽鈭D

表1 極化碼在低頻硬件規(guī)格及空口規(guī)格

表2 極化碼在低頻的測(cè)試?yán)?/p>

表3 長(zhǎng)/短碼配置

實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)碼長(zhǎng)與短碼長(zhǎng)對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖4所示。其中，信道模擬儀建模信道采用EPA信道模型，對(duì)比性能情況總結(jié)如下：

●在長(zhǎng)碼長(zhǎng)情況下，極化碼相對(duì)Turbo在1% BLER時(shí)的性能增益為0.5～0.9dB。

●在短碼長(zhǎng)情況下，極化碼相對(duì)Turbo在1%BLER時(shí)的性能增益為0.45～0.9dB。

外場(chǎng)終端靜止長(zhǎng)碼長(zhǎng)與短碼長(zhǎng)對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖5所示。其中，外場(chǎng)終端靜止時(shí)，通過(guò)調(diào)整終端發(fā)射功率來(lái)測(cè)試不同MCS條件下的BLER性能，對(duì)比性能情況總結(jié)如下：

●在長(zhǎng)碼長(zhǎng)情況下，極化碼相對(duì)Turbo在1%BLER時(shí)的性能增益為0.35～0.6dB。

●在短碼長(zhǎng)情況下，極化碼相對(duì)Turbo在1% BLER時(shí)的性能增益為0.35～0.48dB。

外場(chǎng)終端移動(dòng)長(zhǎng)碼長(zhǎng)與短碼長(zhǎng)對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖6所示。其中，外場(chǎng)終端低速（約5km/h）移動(dòng)場(chǎng)景下，同時(shí)選擇一種MCS=11，測(cè)試BLER，情況如下：

●在長(zhǎng)碼長(zhǎng)情況下，極化碼相對(duì)Turbo可以獲得約0.37dB的性能增益。

●在短碼長(zhǎng)情況下，極化碼相對(duì)Turbo可以獲得約0.34dB的性能增益。

3.2 極化碼在高頻中的測(cè)試

在中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試中，華為首次針對(duì)高頻，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，

測(cè)試了極化碼在單用戶與多用戶MIMO情形下的性能。測(cè)試拓?fù)渑渲?，硬件?guī)格、空口規(guī)格以及測(cè)試?yán)c對(duì)應(yīng)性能見下面小節(jié)依次介紹。

圖4 極化碼在低頻實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能對(duì)比

圖5 極化碼在低頻外場(chǎng)靜止測(cè)試性能對(duì)比

圖6 極化碼在低頻外場(chǎng)移動(dòng)測(cè)試性能對(duì)比

3.2.1 測(cè)試拓?fù)渑渲?/p>

在關(guān)鍵技術(shù)極化碼在高頻下的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試配置如圖7所示?？梢?，當(dāng)測(cè)試單用戶時(shí)，只有一個(gè)終

端存在；當(dāng)測(cè)試多用戶時(shí)，兩個(gè)終端同時(shí)存在。無(wú)論是單用戶還是多用戶場(chǎng)景，都有視距（LOS）與非視距（NLOS）兩種情形。

圖7 極化碼在高頻測(cè)試拓?fù)渑渲檬疽鈭D

3.2.2 測(cè)試硬件規(guī)格及空口規(guī)格

針對(duì)高頻環(huán)境極化碼的測(cè)試，硬件規(guī)格與空口規(guī)格如表4、5所示。

3.2.3 測(cè)試?yán)O(shè)計(jì)

及測(cè)試結(jié)果

針對(duì)高頻下極化碼測(cè)試，在一階段測(cè)試中，設(shè)計(jì)了單用戶與多用戶兩種場(chǎng)景進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境單用戶測(cè)試、單用戶峰值與平均吞吐率如圖8所示。

極化碼在單用戶時(shí)，測(cè)試性能總結(jié)如下：

●單用戶峰值吞吐量可達(dá)14.1Gbit/s。

表4 極化碼在高頻測(cè)試的硬件規(guī)格

表5 極化碼在高頻測(cè)試的空口規(guī)格

●單用戶平均吞吐量13.92Gbit/s。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境多用戶測(cè)試，小區(qū)（多用戶）峰值與平均吞吐率如圖9所示。

極化碼在多用戶時(shí)，測(cè)試性能總結(jié)如下：

●小區(qū)（多用戶）峰值吞吐量可達(dá)27.1Gbit/s。

●小區(qū)（多用戶）平均吞吐量為26.49Gbit/s。

4 極化碼支持ITU定義的3大應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)中國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組第一階段的5G空口關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證測(cè)試需求，華為首先在2016年4月份完成了低頻下極化碼的性能對(duì)比測(cè)試。靜止（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與外場(chǎng)環(huán)境）和移動(dòng)（外場(chǎng)環(huán)境）場(chǎng)景下，選擇短包和長(zhǎng)包，極化碼性能增益都表現(xiàn)穩(wěn)定。接著，又首次測(cè)試了極化碼在高頻ms波頻段下單用戶/多用戶下的性能。測(cè)試結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)（多用戶）高達(dá)27Gbit/s的業(yè)務(wù)速率。測(cè)試結(jié)果表明，利用極化碼這種信道編碼技術(shù)可以同時(shí)滿足國(guó)際電信聯(lián)盟ITU定義的高速率、低時(shí)延和大連接的5G 3大類應(yīng)用需求。

圖8 極化碼在高頻實(shí)驗(yàn)室單用戶測(cè)試性能

圖9 極化碼在高頻實(shí)驗(yàn)室多用戶測(cè)試性能

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足國(guó)際電信聯(lián)盟ITU定義的3大應(yīng)用場(chǎng)景的性能指標(biāo)需求，新空口技術(shù)是5G區(qū)別于傳統(tǒng)通信技術(shù)最革命性的創(chuàng)新，同時(shí)也必須以革命性的基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能，才能最終滿足其性能指標(biāo)需求。華為通過(guò)多種新空口技術(shù)（如稀疏碼多址、濾波的OFDM、極化碼等）的組合，總體可使5G空口提升3倍頻譜效率。在中國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組第一階段的5G空口關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證測(cè)試中，針對(duì)極化碼，華為在低頻、高頻場(chǎng)景下，組合各種配置，做了大量的性能驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，極化碼對(duì)ITU定義的3種典型應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐?？梢?，極化碼已為5G關(guān)鍵技術(shù)選型做好了充分的準(zhǔn)備工作。

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China 5G test-polar codes

ZHANG Bijun,CHEN Dageng,WANG Guangjian,SHEN Hui,WANG Jun

Aiming to three kinds of 5G key application scenarios defined by ITU,revolutionary technologies are needed to improve network performance.Among them,efficient channel coding is one typical candidate to arrive at KPI required by those key application scenarios.In this paper,the basic principle of polar codes and the framework of encoding and decoding of it are firslty introduced.Next,the tests in low frequency band and high frequency band of polar codes are described at the backgroud of China 5G Trial.Finally,it’s shown via those rich test results that polar codes can provide strong technical support for those three kinds of key application scenarios.In a conclusion,polar codes has been ready as a 5G candidate technology.

polar codes;ITU;5Gl;3 kinds of 5G application scenarios

2016-10-25）