5G——天下武功，唯快不破！

　　在移动互联网时代，最核心的技术是移动通信技术。而在通信行业，标准之争是最高话语权的争夺。一旦标准确立，将对全球通信产业产生巨大影响。

　　纵观世界通讯技术发展史，已经先后经历了2G、3G、4G几个重要时代莱比锡红牛主场失利，斯特加尔或成球队拯救者：

　　第一代是模拟技术；

　　第二代是2G，实现了语音的数字化；

　　第三代是3G，以多媒体通信为特征；

　　第四代是4G，通信进入无线宽带时代，速率大大提高。

　　然而这些阶段里的重要专利技术几乎被美国的高通、爱立信垄断，中国一直处于落后状态！

　　比如在3G时代，中国虽然自主研发了TD-SCDMA，但是技术上依然无法与其相提并论。即便到了4G时代，中国TD-LTE有了一定的突破，但是其核心长码编码Turbo码和短码咬尾卷积码，都不是中国原创的技术。这就导致美国高通动不动就控告你侵权，索取额外专利费。

　　转折点在这一天到来！

　　中国方案入选了5G（第五代移动电话行动通信标准）标准。

　　美国时间11月17日，国际无线标准化机构3GPP的RAN1（无线物理层）87次会议在美国拉斯维加斯召开，就5G短码方案进行讨论。三位主角依然是中国华为主推的PolarCode（极化码）方案，美国高通主推LDPC方案，法国主推Turbo2.0方案。最终，华为的Polar方案从两大竞争对手中胜出！

　　按照业界预计，2020年5G将开始全球范围内商用。这也就意味着莱比锡红牛主场失利，斯特加尔或成球队拯救者：在正在到来的5G时代，中国通信核心技术第一次占领至高点，终于完成了弯道超车！

　　再来做一个科普，什么是5G呢？

　　4G和5G相比，简直就如同龟兔赛跑！

　　4G使用是特高频段，5G就得往超高频甚至更高的频段。5G的网络传输速率将是4G峰值的100倍。这意味着，在5G时代一部超高清画质的电影1秒内就可以下载完成。而且5G的功耗将低于4G，这从而带来一系列新的无线产品，比如更多智能家居设备和可穿戴计算设备。

　　5G——WiFi将“消亡”？

　　如果我们用上了5G手机，那么快的网络，就不会再每到一个地方就去寻找WIFI了，用户可以无缝、平滑的在任意空间过渡，省去了切换网络、输入密码等繁琐步骤，WiFi很可能“消亡”。

　　更重要的是，在5G时代华为很可能一统天下。因为在3G、4G时代，有美国、欧盟、中国等不同的网络制式，因此出现了各种不同制式的手机，给消费者造成一些困扰。到了5G时代，消费者只需要一种制式的手机就可以包打天下了，这就意味着华为很有可能获得极高的国际地位！

　　这也就意味着美国高通独霸的时代宣告结束！

　　而这项核心技术的超越，将使中国互联网的发展如虎添翼！

　　在刚刚闭幕的第三届世界互联网大会上，中欧数字协会主席Luigi Gambardella在接受媒体采访时说：“中国即将成为5G时代的全球领跑者，而5G时代的到来将推动新一轮技术革命。”

　　中国5G，正在制定世界标准！

　　除了华为之外，中国移动、中国联通也在5G领域布局完成。中国移动称，中国移动5G联合创新中心经过9个月的推动，现已拥有基础通信、物联网、车联网、虚拟现实/增强现实、云端智能机器人、工业互联网六大领域51家合作伙伴，建成首批4个开放实验室。看得出，中国移动联合通信企业、互联网企业及垂直应用行业合作伙伴，试图打造5G跨行业融合生态系统。

　　而在5G未来网络方面，中国联通目前正在发展基于多级云协同的5G网络架构，支持移动边缘计算端到端服务解决方案。未来视频服务的用户体验将因此大大改进。

　　华为则呼吁，各国政府和监管机构释放更多通讯频谱，建设无线千兆宽带（Gigaband）；同时，全球应以开放合作的精神引导5G技术标准统一，以降低成本、实现全球无缝互联互通。

　　从以上布局我们可以看出，中国正在制定5G的世界标准！

　　5G时代——万物互联，互联网将消失？

　　5G的真正意义在于：为万物互联打下基础！

　　如果说3G和4G使人与人相联，那么5G将使万物互联。由于数字传输效率的大大提升，这使万物之间的联系紧密增强。5G不仅仅是下一代移动技术，它将是一种全新网络，将万事万物以最优的方式连接起来，这种统一的连接架构将会把移动技术的优势扩展到全新行业，并创造全新商业模式。

　　未来的世界里，每一件物体都有传感器，利用5G实现数据交互，人、花草、机器、手机、交通工具、家居用品等等都有独立的IP，一切物体都可控、交流、定位，彼此协同工作。世界上几乎所有东西都会被连接在一起，超越了空间和时间的限制。

　　我们都知道，这个世界上存在多种生态系统，比如自然是一种生态系统，人类是一种生态系统，工业是一种生态系统，信息产业也是一种生态系统，资本和金融也是一种生态系统，每种生态系统都有自己循环结构，生生不息，并不断的趋向平衡。虽然这些生态系统都在向前推进，但是系统与系统之间比较独立。一旦到5G 时代，这些系统将打破原来的界限，走向共融，共同组建一个更包容的“大生态系统”，也就是万物互联。（这不是咱嵌入式工程师的春天吗！）

　　届时，整个世界组建了一个社会性的“大生态系统”，而且这个系统的规则会更加清晰明了，所谓的“主观”情况干扰会越来越少。我们知道跟“人”打交道是一件最复杂的事情，因为人的七情六欲会时刻影响一个人的行为，“人性”在很多时候往往是一种阻碍。但是在未来，人和物、物和物之间的主要沟通将依靠数据，这是一种很客观的东西，它将会遵守我们已经制定好的规则，这也会帮人类省去不少烦恼，人们会感觉越来越轻便、轻松。这也就是一种大网无网的状态！

　　5G时代，中国将终结美国霸权！

　　美国是这个世界的传统规则的制定者，掌控了全球的货币引发（美元）、货物的流动（TPP：跨太平伙伴关系协定），而现在，摆在我们面前的是一个需要拯救的世界，各国经济一篇泥潭，迫切需要中国去注入新的活力。互联网给中国带来了新经济，中国又成了世界经济的希望。

　　如今无论是中国还是美国，都在向世界输出自己的模式。美国仍然企图用大数据和云计算来制定新的世界规则，而中国的互联网发展却向美国发起了挑战。正如我们前面所言，百度追求的是连接“人和信息”，阿里巴巴追求的是连接“人和商品”，腾讯追求的是连接“人和人”，BAT的共同追求的是将“人”、“信息”、“商品”三者互相链接起来，这三者分别代表人类的社交、感知、和交易三大行为。一旦它们建立了连接，可以发挥1+1+1大于3的综合效应。因为这三者是可以互相作用的，链接起来就可以发生裂变和聚变的效应，瞬间聚合、张力无限。一旦5G再实现了万物互联，那么世界的变化是不可想象的！

　　这正是“互联互通、共享共治——构建网络空间命运共同体”的深刻洞解，中国改写的不仅是商业，而是整个世界的规则。

　　未来的货币流、信息流、产品流，都依靠数据传输去完成，5G将帮助中国治理全球，也是斩断美国霸权的一把利剑！

　　如今的美国，越来越依靠战争机器和货币霸权来掠夺其他国家财富，逐渐走向全世界人民的对立面，也越来越空心化。而中国则积极投身于新技术、电子商务等互联网产业的发展，且乐意与世界各国共享经验和繁荣。一个是八九点钟的太阳，一个是已近黄昏的夕阳，历史和命运，一定会在某个合理的时间点将中国推上位，然后引导世界进入下一个更高阶段的文明！

　　好消息被刷屏的同时，一位搞通信的工程师从技术角度分析了华为赢得5G标准的大实话！

　　Polar码被采纳为5G eMBB场景的控制信道编码，这两天连续被这条消息刷屏，连吃瓜群众都直呼好爽。

　　然而，随着媒体报道的持续发酵，真相在口口相传中变了形，不乏夸大不实之嫌，小编终于坐不住了，也想吐露点心里话，希望尽可能站在客观的角度，在这个浮躁的世界里发出一点微不足道的声音，一个通信工程师的声音。

　　事件经过我们再回溯一遍…

　　2016年11月14日至18日期间，3GPP RAN1 #87会议在美国Reno召开，本次会议其中一项内容是决定5G短码块的信道编码方案，其中，提出了三种短码编码方案：Turbo码、LDPC码和Polar码。

　　关于这三种编码方案之争，这已经是5G标准的第二次较量。在2016年10月14日葡萄牙里斯本举行的会议上，LDPC码战胜了Turbo码和Polar码，被采纳为5G eMBB场景的数据信道的长码块编码方案。

　　在这个背景下，这一次关于短码块编码方案的争论更为激烈。因为LDPC码已经拿下一局，出于实施复杂性考虑，整个移动通信系统采用单一的编码方案更利于5G部署，比如，3G和4G采用的是Turbo码，估计会有更多人支持LDPC码。

　　这样一来，主要由美国企业主导的LDPC码有可能一统5G天下，而华为等中国企业主导的Polar码将前功尽弃。

　　由于抛弃Turbo码的呼声较大，在上次会议失利之后，可以说Turbo码基本大势已去，本次5G编码之争最终演变为Polar码和LDPC码之间的拳击争霸赛，一场中美拳击争霸赛。

　　最终，经过连续熬夜的激战后，Polar码终于在5G核心标准上扳回一局，成为5G eMBB场景的控制信道编码方案。

　　自此，经过两次激战，在5G eMBB场景上，Polar码和LDPC码二分天下，前者为信令信道编码方案，后者为数据信道编码方案。Polar码和LDPC码一起历史性的走进蜂窝移动通信系统，而在3G和4G时代陪伴我们多年的Turbo码再输一局，留下了落魄而孤寂的背影。

　　这确实是一个令人振奋的消息，如果说用力挽狂澜来形容，我觉得并不为过。

　　这对于主导Polar码的华为和中国企业绝对利好，毕竟，多年在Polar码上研发投入终于有了盼头。

　　但是，我们看到有些媒体的报道，恕我直言，太过浮夸。

　　1.不是“拿下5G时代”

　　在5G eMBB场景上，Polar为信令信道编码方案，LDPC码为数据信道编码方案，最多叫平分秋色。同时，后面还有很多路要走。

　　我们在前文中提到的eMBB场景不过是5G应用的其中一个场景。3GPP定义了5G三大场景：eMBB、mMTC和URLLC。eMBB对应的是3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC对应的是大规模物联网业务，而URLLC对应的是如无人驾驶、工业自动化等需要低时延高可靠连接的业务。

　　本次采纳的编码方案是针对其中eMBB场景，后续还将决定URLLC场景下的信道编码方案，最后再决定mMTC场景（估计在2017年第一季度）。

　　尽管此次采纳Polar码为后续标准话语权打下了坚实的基础，但革命还未成功，同志仍需努力。

　　2.Polar码不是华为的，LDPC也不是高通的

　　这要从信道编码的历史说起。

　　Turbo码是由法国科学家C.Berrou和A.Glavieux发明。从1993年开始，通信领域开始对其研究。随后，Turbo码被3G和4G标准采纳。

　　LDPC码是由MIT的教授 Robert Gallager在1962年提出，这是最早提出的逼近香农极限的信道编码，不过，受限于当时环境，难以克服计算复杂性，随后被人遗忘。直到1996年才引起通信领域的关注。后来，LDPC码被WiFi标准采纳。

　　Polar码是由土耳其比尔肯大学教授E. Arikan在2007年提出，2009年开始引起通信领域的关注。

　　简而言之，信道编码是数学家们原创出理论，通信就是跟着数学家们跑，在他们的理论基础上不断研究试验，使之落地于实际应用。

　　为什么有些公司力挺Polar码，有些公司力挺LDPC码？这就像下赌注，看中了某种编码技术，就开始对其研究，一旦赌赢了，那么我的研究成果就能快速落地应用，一旦输了，只能从头再来。

　　比如，华为选择了Polar码，5G也选择了Polar码，这就意味着华为在5G领域更具影响力。当然，在研究中，一定也积累了不少专利。

　　所以，尽管这次Polar码赢了，但个人以为，媒体们不能因为太过兴奋而忽略了数学家们的贡献，更不能张冠李戴，有些东西是没有国界的。

　　3.为何5G采纳了Polar码？

　　这个小标题应该叫：5G为何采纳了Polar码和LDPC码？又为何放弃了Trubo码？

　　先从什么叫信道编码说起。

　　当我们拿起手机刷朋友圈时，数据通过无线信号在手机和基站间传送。由于受到无线干扰、弱覆盖等原因影响，我们手机发送的数据和基站接收到数据有时会不一致，比如，我们手机发送的1 0 0 1 0，而基站接收到的却是1 1 0 1 0，为了纠错，移动通信系统就引入了信道编码技术。

　　信道编码，简单的讲，就是我们在有K比特的数据块中插入冗余比特，形成一个更长的码块，这个码块的长度为N比特位，N>K，N-K就是用于检测和纠错的冗余比特，编码率R就是K/N。一个好的信道编码，是在一定的编码率下，能无限接入信道容量的理论极限。

　　在过去几十年里，出现了两种接近容量极限的信道编码技术：LDPC和Turbo码，分别被3G和4G通信标准和WiFi标准采纳。2007年，土耳其教授E. Arikan提出了Polar码，被称为是迄今发现的唯一一类能够达到香农限的编码方法。

　　所以，这三种优秀的编码技术均进入5G编码标准的法眼，并引发了一场争夺赛。

　　为何这场争夺赛这么激烈？都是KPI惹的祸。

　　5G NR（New Radio）的KPI里，明确规定：峰值速率20Gbps、用户面时延0.5ms（URLLC）。

　　这个KPI定的太高，在4G基础上提升了20倍。报告领导，不好完成。

　　有多难呢？5G NR的下行峰值速率要求是20Gbps，由于手机（或基站）接收到的每一bit都要经过信道译码器，20Gbps就相当于译码器每秒钟要处理几十亿bit数据。

　　举个例子，20 Gbps就意味着译码吞吐量T为20 Gbps，假设译码迭代次数I为10次，处理器的时钟频率F为500 MHz，那么，I *T /F = 10*20G/500M=400，也就是说需要400个处理器并行工作。（备注：译码器是信道编码最难实现的一环）

　　这也是为何很多人选择放弃3G和4G时代使用的Turbo码的原因之一，因为4G的最大速率不过1Gbps，传统Turbo码通过迭代译码，本质上源于串行的内部结构，所以，有人认为Turbo遇上更高速率的5G时就遇到了瓶颈。

　　比如LDPC译码器是基于并行的内部结构，这意味着译码的时候可以并行同时处理，不但能处理较大的数据量，还能减少处理时延。尽管可以采用外部并行的方式，但又带来了时延问题。

　　对于时延，出于技术宅的本能，也请容许我再啰嗦一下。

　　5G NR的URLLC应用场景要求用户面时延为0.5ms，这是4G 10ms的二十分之一。之所以要求这么高的时延，是因为我们在体验增强现实、远程控制和游戏等业务时，需要传送到云端处理，并实时传回，这一来回的过程时延一定要足够低，低到用户无法觉察到。另外，机器对时延比人类更敏感，对时延要求更高，尤其是5G的车联网、自动工厂和远程机器人等应用。

　　空口0.5ms时延意味着物理层的时延不能超过50μs，而物理层时延除了受译码影响，还受其它因素影响（比如同步），这就需要译码的处理时延一定要低于50μs，越低越好。

　　总得来说，这就好比春节的航班，人流太多，要把几亿中国人从南到北，从东向西转移一次，“数据量”太大，这就需要多开航班，并且加快航行速度。

　　“航班公司”5G NR表示鸭梨山大，而信道编码表示压力更大，层层传递嘛。

　　但是，这点压力还不够，5G表示还能抗。

　　刚才我们讲了，3GPP定义了5G三大场景：eMBB、mMTC和URLLC，这些场景对应5G的AR、VR、车联网、大规模物联网、高清视频等等各种应用，较之3/4G只有语音和数据业务，5G可繁忙多了。

　　这就对5G信道编码提出了更高要求，需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。比如，短码块应用于物联网，长码块应用于高清视频，低编码率应用于基站分布稀疏的农村站点，高编码率应用于密集城区。如果大家都用同样的编码率，这就会造成数据比特浪费，进而浪费频谱资源，这叫编码的灵活性。

　　另外，5G还得保障更高可靠性的通信。LTE对一般数据的空口误块率要求初始传输为10%，经过几次重传后，误块率如果低于1%即可。但是，5G要求误块率要降到十万分之一。这就意味着，10万个码块中，只允许信道译码器犯一次错，最多只能有一个码块不能纠错。

　　综上，决定5G采用哪种编码方式的因素就是：译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性，还有实施复杂性、成熟度和后向兼容性等。

　　比较一下三种编码的译码吞吐量、时延、纠错能力、灵活性和实施复杂性，谁更强的呢？

　　小编查阅了最新的大量文献，结果是：被搞得晕头转向，一脸懵逼。这个问题太复杂了，公说公有理婆说婆有理。

　　比如，有人认为，Turbo码达到了瓶颈，无法处理20Gbps高速率，然而，有厂家证明，基于全并行设计的Turbo译码器的译码吞吐量能到21.9 Gbps，处理时延可达0.24μs，这也能满足5G NR的20Gbps速率需求。

　　比如，如果用译码器在译码每一bit时执行的Max，Min和Add操作的总次数来衡量计算复杂度，有人认为Polar码和LDPC码在计算复杂度上优于Turbo码。

　　比如，有人说Turbo不够灵活，然而有人指出，LTE Turbo码的码块长度从40到6144，一共有188 种，可以支持不同的业务，而采用多个并行处理器来同时完成码块译码的Turbo码，能更灵活支持不同的码块长度。

　　小编试图从技术的角度去找到5G选择Polar码或者LDPC码的理由，然而，能力有限，把自己搞得灰头土脸。

　　那么，我们从成熟度和向后兼容性方面看吧。

　　Turbo码被3/4G标准采用，LDPC被Wi-Fi标准采用，而Polar码出现较晚，在5G之前还没有任何标准采用。从这方面讲，Polar码的成熟度较低。

　　然而，华为表示不服，5G编码标准之争前，海外通信圈就有一篇文章疯传，华为表示，采用Polar码实现了5G速率达到27Gbps，表示满足5G需求没问题。

　　至于向后兼容性，5G NR是一种全新的无线技术，是更新换代，不是像2G—>2.5G或4G—>4.5G那样，现网升级即可，这是要运营商买新基站设备的，所以，其实不用考虑后向兼容性。

　　不过，对于终端就是另外一回事了。现在的4G手机支持2G和3G，同样，以后5G手机也要支持3G和4G。3G和4G采用Turbo码，如果5G也采用LDPC或Polar码，这就意味着手机要采用两套硬件设计，而译码器是整个基带处理器的重要组成部分，占据了近72%的基带处理硬件资源和功耗，这可能会导致5G终端成本稍高一点，也可能会稍微拉长一点5G商用化的时间。

　　但是，有句老话叫磨刀不误砍柴工。如果这一编码方案足够优秀，极具潜力，那么，5G晚到一点又有什么关系呢，无非是为了更好的体验多花一点时间而已。

　　所以，关于5G为何采纳Polar码，我们的结论是：技术分析并没有什么卵用。

　　因为，这一场标准之争，在我们看来，早已超越了技术的边界，而是综合实力和话语权的较量。

　　Polar码最终能够胜出，只能说明中国通信的崛起，国际地位明显提升，早已今非昔比。

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