華為的5G技術(shù)，源于這種數(shù)學(xué)方法

來源：環(huán)球科學(xué) 發(fā)布時間：2019-05-24瀏覽：3029次

華為的5G技術(shù)，源于這種數(shù)學(xué)方法

　　那么，這位土耳其科學(xué)家做了什么工作？這與華為的5G技術(shù)又有怎樣的聯(lián)系？

　　5G基礎(chǔ)：極化碼

　　1958年，埃達爾·阿勒坎（Erdal Arikan）出生在土耳其首都安卡拉，但他的求學(xué)生涯多在美國度過。1981年，阿勒坎在位于加州理工學(xué)院獲得本科學(xué)位，隨后他去了美國的另一所名校 ——麻省理工學(xué)院，于1985年得到電子信息工程專業(yè)的博士學(xué)位。值得一提的是，阿勒坎的博士生導(dǎo)師是美國人羅伯特·加拉格（Robert Gallager）教授。而加拉格的導(dǎo)師，也就是阿勒坎的師祖，則是大名鼎鼎的信息論鼻祖香農(nóng)。

　　從這個意義上來說，阿勒坎在學(xué)術(shù)上可謂師出名門。而在博士畢業(yè)、回到故鄉(xiāng)土耳其的畢爾肯大學(xué)后，阿勒坎研究出了開創(chuàng)性的技術(shù)。

　　在畢爾肯大學(xué)這所并不算著名的大學(xué)，阿勒坎十年磨一劍，終于在2008年大功告成，發(fā)表了主要用于5G通信編碼的極化碼技術(shù)方案。

　　當(dāng)年他發(fā)表的論文在2008年的IEEE期刊上，文章一共23頁，但作者只有他一個人。

　　華為有很多科學(xué)家，研究能力一流，他們評估了阿勒坎的論文，意識到這篇論文至關(guān)重要，因為其中的技術(shù)可以用于5G編碼。

　　于是，華為與阿勒坎取得了聯(lián)系，在這項技術(shù)的基礎(chǔ)上申請了一批專利，并且以阿勒坎的極化碼為基礎(chǔ)封鎖了一批專利。科技企業(yè)的國際競爭，是專利之爭，也是利益之爭，必須先下手為強。

　　而極化碼的數(shù)學(xué)原理是什么呢？大家可以看下圖這篇文章，大概需要有一些通信與編碼的基礎(chǔ)知識才可以看明白。當(dāng)然如果具備線性代數(shù)或者群論的知識，那么只需要花下時間，肯定可以看懂極化碼的原理。

　　其實，極化碼看起來很復(fù)雜，但本質(zhì)上還是一些矩陣的乘法，比如，如果要對4個比特的[u1 u2 u3 u4]用極化碼編碼，那會得到另外一個4比特的信號（碼字）[x1 x2 x3 x4]

　　，這等價于以下的矩陣乘法：

　　5G標(biāo)準：師徒之爭

　　華為在極化碼的基礎(chǔ)上開發(fā)出5G通信技術(shù)后，迎來了至關(guān)重要的5G標(biāo)準投票——若能取勝，就能掌握5G通信網(wǎng)絡(luò)的話語權(quán)。

　　在去年的5G標(biāo)準投票中，華為推崇的極化碼，受到了美國高通公司的阻擊，高通推崇的是低密度奇偶校驗（LDPC）碼。

　　而LDPC碼的提出者，正是阿勒坎的導(dǎo)師加拉格。

　　所以，在這場5G通信標(biāo)準之爭的背后，是一對師徒的技術(shù)之爭。當(dāng)然，表面上是技術(shù)之爭，背后也有國家利益之爭。

　　以美國的高通為代表的通信業(yè)巨頭自然傾向于用美國人提出的編碼方法，但華為為代表的通信業(yè)新秀也希望在這個國際標(biāo)準的制定中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。在5G標(biāo)準的制定中，經(jīng)過復(fù)雜的博弈，最終形成了一個折衷方案：

　　LDPC碼成為數(shù)據(jù)信道的編碼方案；極化碼成為控制信道的編碼方案。

　　所以，這是一種現(xiàn)實的結(jié)果，華為雖然沒有完勝，但也沒有完敗。高通也一樣，最后的結(jié)果就是大家一起發(fā)展5G，誰也別把誰踢走。

　　從技術(shù)層面來說，LDPC在1963就發(fā)明了，但受限于當(dāng)時的硬件條件，同時因為缺乏可行的譯碼算法，所以此后30多年間基本被人們忽視。但隨 著技術(shù)的進步，尤其是1993年貝魯?shù)热税l(fā)現(xiàn)了Turbo碼并用于3G與4G通信后，受Turbo碼啟發(fā)，人們對LDPC碼進行了改進。結(jié)果發(fā) 現(xiàn)，LDPC碼的性能比Turbo碼更好。

　　所以，LDPC碼被認為一種比較成熟的老牌編碼方案，效果確實是不錯的。但極化碼的優(yōu)勢是計算量小，用小規(guī)模的芯片就可以實現(xiàn)，比較適應(yīng)于5G的小基站，而且采用這種編碼方法的硬件商業(yè)化后設(shè)備成本低，因此也極具競爭力。

　　控制信道

　　上文提到，華為主推的極化碼主要用于5G的控制信道編碼，這是什么意思呢？

　　控制信道是用來傳輸指令和同步數(shù)據(jù)的，這就好像我們打開電腦時，電腦需要讀取硬盤上的信息，這就需要給硬盤通電，這個通電過程就是由控制信號來傳遞的。

　　所以，簡單地說，華為的5G極化碼方案爭取到了“給電腦硬盤通電的管制權(quán)”，而不是“傳輸硬盤上的電影數(shù)據(jù)的權(quán)力”。

　　從數(shù)據(jù)量來說，控制信道的數(shù)據(jù)量要小很多，碼塊長度一般在20-300比特之間——這就好像你不是要傳輸高清的電影數(shù)據(jù)，只是要把電腦打開，不 需要那么多數(shù)據(jù)量來完成開機這個事情。而5G數(shù)據(jù)信道的碼塊長度要長得多，典型的數(shù)據(jù)量在3000~8000比特之間，而且碼塊非常多，其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量 比控制信道要高幾個數(shù)量級。

　　所以，從數(shù)據(jù)量大小來說，LDPC碼取得的勝利更大一些，但這也不表示極化碼失敗了。畢竟，極化碼是一個新秀，還沒有在實踐上經(jīng)過千錘百煉，所以只能等5G大規(guī)模商用以后，我們再來評估極化碼的優(yōu)越性到底是不是真的好。

　　對于極化碼來說，長度為N的數(shù)據(jù)塊，其編碼的復(fù)雜度是O（N log N）。而根據(jù)祖師爺香農(nóng)的判據(jù)，這已經(jīng)到達了5G編碼的最優(yōu)極限。

　　所以，華為看好極化碼的未來，因為它極富理論優(yōu)勢。而且華為已經(jīng)在5G產(chǎn)業(yè)化上走得很遠了。因此，我們不難理解華為的底氣：因為掌握了技術(shù)，即使遭遇貿(mào)易戰(zhàn)，華為也有勝利的信心。