中國5G測試
——極化碼

張碧軍 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

陳大庚 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

王光健 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

沈輝 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

王俊 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

中國5G測試
——極化碼

張碧軍 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

陳大庚 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

王光健 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

沈輝 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

王俊 華為技術有限公司通信技術實驗室工程師

針對ITU定義的3種典型應用場景，必須以革命性的基礎技術創(chuàng)新來提升網(wǎng)絡性能，高效信道編碼技術是實現(xiàn)其目標的關鍵途徑之一。本文首先對極化碼的基本原理及對應的編解碼鏈路框架進行介紹，接著介紹極化碼在中國5G測試背景下，在低頻與高頻下的測試情況。最后，豐富的測試例及測試結果表明，極化碼對ITU定義的3種典型應用場景提供了強有力的技術支撐。由此可見，極化碼已為5G關鍵技術選型做好了充分的準備工作。

極化碼；ITU；5G；應用場景

1 引言

國際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的3種典型應用場景，分別是增強型移動寬帶（eMBB）、低功耗大連接物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）和低時延、超可靠通信（uRLLC）。上述3種典型應用場景對終端上網(wǎng)峰值速率、單位面積終端鏈接數(shù)量、低時延高可靠通信均提出了相應技術指標，以滿足增強虛擬現(xiàn)實、視頻直播、海量物聯(lián)網(wǎng)設備接入、遠程醫(yī)療、自動駕駛等5G時代的典型應用。

中國5G技術研發(fā)試驗自2016年1月份啟動，分為關鍵技術驗證、技術方案驗證和系統(tǒng)驗證3個階段。據(jù)IMT-2020（5G）推進組介紹，第一階段關鍵技術包括大規(guī)模天線、新型多址、新型多載波、新型編碼調制、高頻段通信等7個無線關鍵技術。目前，相關系統(tǒng)廠商已就上述技術驗證了在支持Gbit/s用戶體驗速率、ms級端到端時延、每平方公里百萬連接等多樣化5G場景需求的技術可行性。

5G要實現(xiàn)的10～20Gbit/s的峰值速率、千億的連接、1ms的時延能力，必須以革命性的基礎技術創(chuàng)新來提升了網(wǎng)絡性能。高效信道編碼技術以盡可能小的業(yè)務開銷增加信息傳輸?shù)目煽啃裕诺谰幋a效率的提升將直接反映到頻譜效率的改善。構造可達到信道容量或者可逼近信道容量（Shannon限）的信道編碼方法，及可實用的線性復雜度的譯碼算法一直是信道編碼技術研究的目標。

2008年，Ar?kan在國際信息論ISIT會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)表的一篇論文中進行了更詳細的闡述，同時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造方法，并且是第一種、也是已知的唯一一種能夠被嚴格證明“達到”信道容量的信道編碼方法。近些年，針對極化碼的研究，主要集中在如何提高譯碼效率同時獲得逼近ML的譯碼性能。由于極化碼的構造是基于串行抵消（SC）譯碼算法優(yōu)化設計的，因此，對于譯碼算法的改進也應當是基于SC譯碼過程的。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程，通過改進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，通過并行地搜索多條路徑降低ML路徑丟失的概率，從而達到接近ML譯碼的性能。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，循環(huán)冗余校驗（CRC）碼是一種應用極其廣泛的糾錯編碼。從信息論的角度來看，能夠通過CRC校驗是一個關于待譯碼序列的先驗信息，利用好這一先驗信息，理論上就有可能

提高譯碼性能。在配置了極化碼的場景下，這些候選路徑中具有最大后驗概率的一條會被輸出作為譯碼結果，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CRC校驗的那一條候選路徑。由于CRC校驗漏檢概率非常低，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到香農極限，并且具有可實用的線性復雜度編譯碼能力的信道編碼技術，成為下一代通信系統(tǒng)（5G）中信道編碼方案的強力候選者。極化碼構造的核心是通過“信道極化”的處理，如下圖1所示，在編碼側，采用編碼的方法使各個子信道呈現(xiàn)出不同的可靠性，當碼長持續(xù)增加時，一部分信道將趨向于容量接近于1的完美信道（無誤碼），另一部分信道趨向于容量接近于0的純噪聲信道，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，極化后的信道可用簡單的逐次干擾抵消譯碼的方法，以較低的實現(xiàn)復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）分割為多個碼塊（CB）、碼率匹配（RM）等功能模塊。在接收端，首先進行解碼率匹配（De-RM），然后解碼多個碼塊并級聯(lián)成獨立的傳輸塊。不同于Turbo解碼方案，極化碼譯碼采取如SCL算法對每個碼塊進行譯碼。SCL譯碼算法復雜度依賴于搜索寬度。對于搜索寬度為32的SCL譯碼算法，相比8次迭代的Turbo譯碼復雜度還要低。對于Turbo編解碼框架，可參考3GPP協(xié)議規(guī)范文檔。

3 極化碼測試

3.1 極化碼在低頻中的測試

在中國5G技術研發(fā)試驗第一階段關鍵技術測試中，華為首次針對低頻，在實驗室與外場環(huán)境下，做了極化碼與Turbo碼的對比性能測試。為充分對比二者性能，設定兩種資源塊（RB）個數(shù)，同時結合不同調制編碼級別（MCS）下的組合，分別就長碼長與短碼長兩種情形進行對比測試。同時，考慮減小信道時變對極化碼與Turbo的不同影響，將二者配置在上行的兩相鄰時隙進行同時傳輸。測試拓撲配置、硬件規(guī)格、空口規(guī)格以及測試例與對應性能見下文。

3.1.1 測試拓撲配置

在關鍵技術極化碼與Turbo的對比測試中，實驗室測試配置與外場測試配置如圖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，從而可評估不同信道條件、信噪比下二者性能對比。圖3右邊為外場空口測試配置，測試空口環(huán)境下，二者性能對比。

3.1.2 測試硬件規(guī)格及空口規(guī)格

在對比測試中，硬件規(guī)格與空口規(guī)格如表1所示。

在一階段測試中，基于LTE幀結構，下行采用空頻編碼（SFBC），上行采用單發(fā)多收（SIMO）模式進行性能對比測試。

3.1.3 測試例設計及測試結果

圖2 極化碼編解碼鏈路框架

為充分對比極化碼與Turbo性能，設計了如表2所示的測試例。考慮實驗室經(jīng)過信道模擬儀的測試及外

場終端靜止與移動下的測試。無論哪種測試例，都測試長碼長與短碼長下極化碼與Turbo的性能。如何配置長碼長與短碼長，可參考表3。其中，4RBs組合3種MCS對應短碼長而100RBs組合3種MCS對應長碼長。

圖3 極化碼在低頻測試拓撲配置示意圖

表1 極化碼在低頻硬件規(guī)格及空口規(guī)格

表2 極化碼在低頻的測試例

表3 長/短碼配置

實驗室長碼長與短碼長對比測試結果如圖4所示。其中，信道模擬儀建模信道采用EPA信道模型，對比性能情況總結如下：

●在長碼長情況下，極化碼相對Turbo在1% BLER時的性能增益為0.5～0.9dB。

●在短碼長情況下，極化碼相對Turbo在1%BLER時的性能增益為0.45～0.9dB。

外場終端靜止長碼長與短碼長對比測試結果如圖5所示。其中，外場終端靜止時，通過調整終端發(fā)射功率來測試不同MCS條件下的BLER性能，對比性能情況總結如下：

●在長碼長情況下，極化碼相對Turbo在1%BLER時的性能增益為0.35～0.6dB。

●在短碼長情況下，極化碼相對Turbo在1% BLER時的性能增益為0.35～0.48dB。

外場終端移動長碼長與短碼長對比測試結果如圖6所示。其中，外場終端低速（約5km/h）移動場景下，同時選擇一種MCS=11，測試BLER，情況如下：

●在長碼長情況下，極化碼相對Turbo可以獲得約0.37dB的性能增益。

●在短碼長情況下，極化碼相對Turbo可以獲得約0.34dB的性能增益。

3.2 極化碼在高頻中的測試

在中國5G技術研發(fā)試驗第一階段關鍵技術測試中，華為首次針對高頻，在實驗室環(huán)境下，

測試了極化碼在單用戶與多用戶MIMO情形下的性能。測試拓撲配置，硬件規(guī)格、空口規(guī)格以及測試例與對應性能見下面小節(jié)依次介紹。

圖4 極化碼在低頻實驗室測試性能對比

圖5 極化碼在低頻外場靜止測試性能對比

圖6 極化碼在低頻外場移動測試性能對比

3.2.1 測試拓撲配置

在關鍵技術極化碼在高頻下的測試，實驗室測試配置如圖7所示。可見，當測試單用戶時，只有一個終

端存在；當測試多用戶時，兩個終端同時存在。無論是單用戶還是多用戶場景，都有視距（LOS）與非視距（NLOS）兩種情形。

圖7 極化碼在高頻測試拓撲配置示意圖

3.2.2 測試硬件規(guī)格及空口規(guī)格

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

3.2.3 測試例設計

及測試結果

針對高頻下極化碼測試，在一階段測試中，設計了單用戶與多用戶兩種場景進行性能測試。實驗室環(huán)境單用戶測試、單用戶峰值與平均吞吐率如圖8所示。

極化碼在單用戶時，測試性能總結如下：

●單用戶峰值吞吐量可達14.1Gbit/s。

表4 極化碼在高頻測試的硬件規(guī)格

表5 極化碼在高頻測試的空口規(guī)格

●單用戶平均吞吐量13.92Gbit/s。

實驗室環(huán)境多用戶測試，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，測試性能總結如下：

●小區(qū)（多用戶）峰值吞吐量可達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大應用場景

針對中國IMT-2020（5G）推進組第一階段的5G空口關鍵技術驗證測試需求，華為首先在2016年4月份完成了低頻下極化碼的性能對比測試。靜止（實驗室環(huán)境與外場環(huán)境）和移動（外場環(huán)境）場景下，選擇短包和長包，極化碼性能增益都表現(xiàn)穩(wěn)定。接著，又首次測試了極化碼在高頻ms波頻段下單用戶/多用戶下的性能。測試結果表明可以實現(xiàn)小區(qū)（多用戶）高達27Gbit/s的業(yè)務速率。測試結果表明，利用極化碼這種信道編碼技術可以同時滿足國際電信聯(lián)盟ITU定義的高速率、低時延和大連接的5G 3大類應用需求。

圖8 極化碼在高頻實驗室單用戶測試性能

圖9 極化碼在高頻實驗室多用戶測試性能

5 結束語

為滿足國際電信聯(lián)盟ITU定義的3大應用場景的性能指標需求，新空口技術是5G區(qū)別于傳統(tǒng)通信技術最革命性的創(chuàng)新，同時也必須以革命性的基礎技術創(chuàng)新來提升網(wǎng)絡性能，才能最終滿足其性能指標需求。華為通過多種新空口技術（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IMT-2020（5G）推進組第一階段的5G空口關鍵技術驗證測試中，針對極化碼，華為在低頻、高頻場景下，組合各種配置，做了大量的性能驗證測試。測試結果表明，極化碼對ITU定義的3種典型應用場景提供了強有力的技術支撐。可見，極化碼已為5G關鍵技術選型做好了充分的準備工作。

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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）