为极解密，华为 5G Polar 码之争真相（二）

[hipola]

第三章 极化过程

第三章 第一节 哥德堡会议（ 2016 年 8 月）

要了解 Polar 码极化事件的极化过程就有必要跟踪整个“华为三神器”在 3GPP 的历程。

5G NR 自从 2016 年 4 月在釜山正式拉开帷幕，经过了釜山（ 2016 年 4 月）和南京（ 2016 年 5 月）两次会议的讨论与研究后，在 8 月的哥德堡 RAN1 86 会议上，对频谱约束（ spectral confinement ）的波形技术做了总结。 RAN1 决定不在标准中指定 spectrum confinement technique ，发送端波形技术做到对接收机透明。具体的频谱特性需求则移交 RAN4 继续讨论[1]：

Agreement:

• From RAN1 perspective, spectral confinement technique(s) (e.g. filtering, windowing, etc.) for a waveform at the transmitter is transparent to the receiver

这标志着三神器之一的 fOFDM 至此已结束了 5G 在 3GPP RAN1 的历程。这样的结果实际上并不意外，一方面正如前面章节所说的有太多的实现方法来达到不同的性能取舍， RAN1 很难定标某一个具体的实现方案；另一方面，定标对接收机透明，可以留给实现更多的空间来不断创新和演进波形技术。

此时信道编码的情况怎样呢？关于 eMBB 数据信道采用 LDPC 已经获得了大多数公司的认可。从下面的提案中可以看出，非但是后来的所谓 LDPC 阵营的公司，该提案也获得了大多数当红中国手机 OEM 公司的支持。理由无他，支持高速率用 LDPC 是非它不可，大势所趋。

R1-167999 WF on Channel Coding Selection Qualcomm Incorporated, Samsung, Nokia, ASB, ZTE, MediaTek, Intel, Sharp, MTI, Interdigital, Verizon Wireless, KT Corporation, KDDI, IITH, CEWiT, Reliance-jio, Tejas Networks, Beijing Xinwei Telecom Technology, Vivo, Potevio, WILUS, Sony, Xiaomi

Also supported by Oppo.

Revision of R1-166376

Proposal:

• LDPC should be selected for eMBB data channel to provide performance and implementation advantages at high rate and large blocklength

从下面的提案中就可以看出，此时看好 polar 的公司实在是寥寥无几。即便把 polar 作为一个候选代码，范围扩展到所有 5G 的应用领域 eMBB, URLLC, mMTC 支持公司也只有几个与华为合作多年的中国和欧洲运营商们：

R1-168040 WF on channel coding selection Huawei, HiSilicon, CMCC, CUCC, Deutsche Telekom, Orange, Telecom Italia, Vodafone, China Unicom, Spreadtrum

Not supported by Orange.

Proposal:

• Polar code is a candidate channel coding technique for NR for eMBB, URLLC, mMTC

可见在 8 月的哥德堡会议上，极化过程尚未发生。

第三章 第二节 “国标码”

“国标码”是“国家制定标准编码”的缩写，而非汉字国家标准代码 GB 码（笑）。

在 10 月里斯本会议前， 5G 信道编码不知不觉被披上一层了地域政治的外衣。一些媒体就把围绕 5G eMBB 数据信道编码在 Turbo 、 LDPC 和 Polar 之间的选择描述成了法国、美国和中国的“三国演义”。信道编码本是纯技术的东西，不应有国界。一种信道编码能否代表一个国家？可以从技术背景和 3GPP 主推公司两方面来分析一下：

1 ） Turbo 码设计和解码方法均由法国人 Berrou 发明并实现。 Turbo 码对信息论和通信领域产生了深远的影响，无可争议的是法国人引以为豪的独家发明。在 3GPP 5G NR 的讨论中，，法国电信公司 Orange 主推 Turbo 码。

2 ） LDPC 最初由信息论大牛 MIT 教授 Robert Gallager 发明于 60 年代，由于计算机仿真能力的局限， Gallager 本人并没有意识到 LDPC 的强大威力， LDPC 沉寂江湖三十余载。在 Turbo 码发明几年之后， LDPC 才被英国剑桥大学教授 David MacKay 于 1996 年左右重新发现，此后学术界和工业界百花齐放， LDPC 的应用几乎遍布除了移动通信的其他各个领域均（刚刚发射成功的嫦娥二号上也有 LDPC 的身影）。在 3GPP 支持 LDPC 的公司分散于五海三洲：三星，高通，诺基亚，夏普，索尼，英特尔，在 10 月里斯本会议之前甚至包括了大多数中国 OEM 和亚洲芯片制造商。

3 ） 最有意思的是 polar 码，观其成长发展历史， polar 码由 Robert Gallager 的学生土耳其教授 Arikan 于 2008 年左右发明，最初只具有理论价值。后 polar 码的译码算法经由 UCSD 教授 Vardy 的突破性改进而开始具有实用价值。在 3GPP 研究 polar 码的公司不少，但真正看好而全力推行 polar 码的公司华为只此一家。由于其解码延时，复杂度，以及技术成熟度不及 Turbo/LDPC ，其他公司（包括 10 月里斯本会议之前的大多数中国公司）都不甚看好 polar 。

仔细分析一下，码与国之间无必然联系，把 LDPC 和 polar 之间的选择描绘成中美之战是惟恐天下不乱的说法。然而一旦有了如此联系，“国标”之“码”的意义便远远超出编码本身。更有甚者，把对编码的甄选渲染成对手为“国标”争霸而耍的阴谋。

说起这阴谋论又要回溯到之前提到的 Verizon pre-5G 毫米波的标准，即所谓的“ 5GTF ”。 5GTF 的定标，绝大部分标准以 LTE 为基础，在特定细节上，做了一些针对毫米波和高速率的更改。其中数据信道编码采用了 LDPC 码（究其原因，也还是为了要支持高速率）。而阴谋论者的理解则不然，他们指 3GPP 会在信道编码的选择上倾向 LDPC ，从而让 3GPP NR 标准与 5GTF 更靠近，好让美国版的 pre5G 标准有先发优势，是彻头彻尾的美帝阴谋！

如此阴谋论在熟知技术内情的人看来简直贻笑大方。一方面 Verizon 的 5GTF 为了保证能够大干快上，跳过了 LDPC 设计过程，直接拿了 WiFi 802.11ac 的 LDPC 码。另一方面 NR 对峰值速率，解码延时等要求与 5GTF 不可同日而语。其性能、灵活性、 IR-HARQ 的支持等方面都将远远超过 WiFi LDPC 。更况且让 3GPP 直接用 IEEE 标准中采用的编码，就好比让 Apple iPhone 里面默认自带 Internet Explorer 浏览器，可能性几乎为零。

这看似荒诞的阴谋论，却着实耸人听闻，且涉及“国标”大事，不由得人不信。最终，在这个阴谋论的推波助澜之下， polar 码事件在 3GPP 掀起了一股惊涛骇浪。

第三章 第三节 里斯本会议（ 2016 年 10 月）

在 10 月里斯本 RAN1 86b 开始之前， 9 月的 RAN #73 已经决定把大规模务联网（ mMTC ）课题的优先级降低，推迟到 2017 年 3 月再继续研究。 RAN1 之前已经有决定， eMBB 的多址方式应基于正交的多址方式，非正交方式多址先只限于 mMTC 的研究中。因此， 10 月里斯本会议成为 5G 第一阶段的最后一次会议讨论多址。

这个结论也同样并不出人意料，整个 NR 的多址讨论各种非正交提案五花八门，但对 eMBB 一般场景下增益所得有限。只做一个大框架的结论，把其余细节都留待明年三月 Rel-15 再继续研究确是明智之举。然而，这一决定同时意味着三神器之二的 SCMA 也被排除在了 NR 的第一阶段标准之外（平心而论，即便明年三月 mMTC 多址再开展， SCMA 在链路预算和 PAPR 上的硬伤也让它很难在 mMTC 的多址方案中占据一席之地。）

这样一来， Polar 码成了华为三神器中最后的一根稻草，如果 polar 码不能进 NR ，华为所大肆宣传的三神器在 5G NR 中将颗粒无收。

此时“码”定“国标”阴谋论的蛊惑，将整个事件升级到了一个远远超越华为一家公司的层面。光从会议 WF 提案的支持公司来看，此时 polar 的极化已经在 3GPP 发生了（ Polar 的支持公司显示出了相当的地域和业务相关性）。有兴趣的可以对照之前 8 月哥德堡会议的提案。

R1-1610767 Way forward on eMBB data channel coding Samsung, Qualcomm Incorporated, Nokia, Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Verizon Wireless, KT Corporation, KDDI, ETRI, IITH, IITM, CEWiT, Reliance Jio, Tejas Network, Xilinx, Sony, SK Telecom, Intel Corporation, Sharp, MTI, National Instrument, Motorola Mobility, Lenovo, Cohere Technologies, Acorn Technologies, CableLabs, WILUS Inc, NextNav, ASUSTEK, ITL

Revision of R1-1610689

Also acceptable to Ericsson

Proposal:

• Adopt LDPC code for eMBB data channel as single coding scheme

R1-1610850 WF on channel codes Huawei, HiSilicon, Acer, Bell, CATR, China Unicom, China Telecom, CHTTL, Coolpad, Deutsche Telekom, Etisalat, InterDigital, III, ITRI, MediaTek, Nubia Technology, Nuel, OPPO, Potevio, Spreadtrum, TD Tech, Telus, Vivo, Xiaomi, Xinwei, ZTE, ZTE Microelectronics

Revision of R1-1610668

Also acceptable to CATT

Proposal:

• Polar code is supported as a channel coding scheme for NR eMBB data channel

（注： Way-forward (WF ）是 3GPP 当前公司在技术讨论完之后的提案）

至今回想 10 月里斯本会场的场景仍令人感慨不已。某公司的一位代表在周二还慷慨激昂地批评 polar 码技术上不够成熟，存在巨大的商用风险并与华为代表多番论战。到了周三却噤若寒蝉，无奈苦笑。到了最近一次雷诺（ Reno ）会议上同样是这个公司甚至同签了 polar 的提案。个中原因，值得深味。而这样的例子发生在不止一家公司一位代表的身上。

经历了漫长的讨论，最终在（数据信道）短码上是用 turbo ， LDPC 或是 polar 各大公司无法达成一致。作为一个妥协方案， 10 月里斯本会议同意了 eMBB 数据码长码采用 LDPC 这个大家都能接受的方案。 Polar 没能在 NR 锁定一席之地，华为再次空手而回。然而在阴谋论的推波助澜之下，极化过程已经开始势必难以逆转了。

第三章 第四节 雷诺会议（ 2016 年 11 月）

会前，就有消息说华为这次为了 polar 码立了军令状，决意破釜沉舟，不成功便成仁。更有危言耸听，说此次 polar 如果在 5G NR 再无一席之地，三神器彻底出局，则华为多年经营的运作模式也将随之土崩瓦解。面对如此荒谬言论，大多数人也只能是一哂了之。现今华为如日中天，岂会因为一个小小的 polar 码而有毫发之损（若当真势如类卵，华为在研发投入上也是该重新审视一番了。此又是题外话。）

这次会议上的极化达到了巅峰。有些公司未卜先知地知道了华为最新的 polar 设计（发布在本次会议的最新提案 [4]），做了穿越时空的引用不说，并且还做了非常细致的仿真。与此相对应，另外一些公司却发现该提案中新设计的描述都是含混不清，甚至似有自相矛盾之处。这公司研发人员之间的认知水平差别未免太大，抑或是有 side information 导致了这种认知和实现速度上的巨大差别？这里不想指名道姓哪些公司，信道编码提案在 R1-87 的文稿中 [5]（ R1-1611107~R1-1613027 ）， 有兴趣的读者可以自行索引。

有人或许会辩解说，从 8 月的哥德堡会议到 11 月的雷诺会议， Polar 码技术上越变越好了，所以支持的公司越来越多？首先，华为研究 polar 已经 4~5 年，从 8 月哥德堡到 11 月雷诺短短 3 个月时间。如此短时间做出如此大规模的基于直觉经验的编码设计更改，何以保证能好过之前经过多年锤炼的设计。其临阵修改设计的结果，往往是按下葫芦起了瓢（降低了 BLER 却升高了 false alarm rate （ FAR ））。更可怕的是，这些新的基于直觉经验的编码构造一无学术论文做理论支持，二无对此编码构造优势和隐患的透彻分析。如此多问题，现在无人能给予任何肯定的答复，一概留给了具体实现公司和将来 5G 的性能测试；怕只怕到那时要回头已经太难了。

在激烈的技术讨论结束后，讨论提案的时刻到了，华为终于在赌城亮出了底牌， Polar 码 WF 有超过 50 家公司的同签 [3]。甚至包括了电子商务巨擘阿里巴巴。有代表戏言“阿里巴巴携四十大盗夜袭 3GPP ”。可能更确切点来说，是华为携手阿里巴巴和五十余大盗在诸多基站、终端供应商和电信运营商反对的情况下，硬是把 polar 码塞进了 3GPP 5G NR 的控制信道。

其实控制信道的讨论在 11 月雷诺 3GPP RAN1 会议刚刚开始讨论，这本是一个重要而值得多花一些时间讨论的议题。本可以在下次 2017 年 1 月 NR Ad-hoc 会议上做进一步的性能和复杂度的研究，尤其是针对下行控制性道（由于其对手机终端功耗的影响）。相比 TBCC ， Polar 在控制信道上并没有显著的性能优势却在解码延时和实现复杂度上有很大的风险。但为了能在 11 月雷诺会议上取得进展，妥协方案让 polar 取代 TBCC 被选为上下行控制信道的编码，以保证数据信道不会有 polar 码（从而不至于浪费太多硬件资源在 polar 码上）。

11 月雷诺会议上华为主推的 polar WF [3]，有兴趣的读者可以自行再跟前面会议的提案相比较。这时候极化达到了最顶峰。对于 11 月雷诺会议的 polar 码极化事件，几个问题值得思考：

1 ） 诸如阿里巴巴这样的公司，其业务跟信道编码几无任何干系，却能够在决议中起到关键作用。

2 ） 这些几十个同签公司在 3GPP 的活跃程度怎么样，在过去的几年内又有多少篇独立的关于信道编码的提案？

3 ） 作为最终要做实现的芯片供应商，在最后阶段考虑的问题已经是怎样把 polar 码的风险和损害降到最低。哪个信道上放 polar 码风险最小。 Polar 若真是王师，既入 NR 已成定局，大家怎得不箪食壶浆以相迎，却反而人人避之唯恐不及？

最终，基于 polar 码控制信道的功耗和解码延时是否能满足 5G 的需求，我们还将拭目以待。