第一屆5G算法創(chuàng)新大賽：Polar Code賽事評述

　　通信的過程是在接收端準(zhǔn)確或近似地恢復(fù)在發(fā)送端所選擇的信息的過程。信道編碼是保證信息在隨機(jī)信道上高效和可靠傳遞的基本手段，也是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特征之一。通過信道編碼，通信系統(tǒng)能夠可靠地對付信道噪聲等所引起的隨機(jī)差錯，同時有效利用功率和頻率資源從而逼近信道容量。信道編碼一直是通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)和核心問題，其每一次重大突破，都會引起通信系統(tǒng)的新一輪演進(jìn)或變革。例如，20世紀(jì)90年代發(fā)明的Turbo碼，極大地推進(jìn)了3G、4G無線通信技術(shù)的發(fā)展;與Turbo碼同期被重新發(fā)現(xiàn)的LDPC碼則為WiMAX、DVB以及深空通信技術(shù)帶來了全新的傳輸體制。

　　圖 1 Polar Code——一種新型編碼技術(shù)

　　由E. Arikan在近年發(fā)明的Polar碼是繼Turbo碼之后編碼領(lǐng)域的又一重大突破。它作為第一種能夠嚴(yán)格被證明達(dá)到信道容量極限的編碼方案，具有很低的編譯碼復(fù)雜度和較好的譯碼性能。通過與循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)碼結(jié)合，能夠獲得超過Turbo碼和LDPC碼的糾錯能力。在譯碼復(fù)雜度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，相比Turbo碼，Polar碼僅需更低的信噪比即可達(dá)到相同的誤碼性能：在無線通信常用的中長碼配置下，能夠獲得大約0.5dB的增益;短碼配置下甚至能夠獲得大于1dB的增益。隨著微電子器件工藝水平的提高、芯片處理能力的增加，通過采用相對更為復(fù)雜的譯碼算法，Polar碼還能進(jìn)一步取得大于1dB的增益;而Turbo碼則由于其譯碼算法收斂特性，即使付出額外復(fù)雜度，性能也難以有明顯提升。在硬件實(shí)現(xiàn)方面，Polar碼具有規(guī)則一致的編譯碼結(jié)構(gòu)，這使得Polar碼能夠以相同的編譯碼器，以1比特為變化步長，支持任意的輸入、輸出序列長度，從而獲得更高的編碼增益。此外，Polar碼還能夠?qū)崿F(xiàn)超低復(fù)雜度的高吞吐率譯碼，已有公開報告表明，Polar碼譯碼器的最高吞吐率可達(dá)200Gbps以上!正因?yàn)槿绱?，它有望成?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/5G">5G無線通信系統(tǒng)新型編碼體制的有力競爭方案之一。

　　圖 2：典型編譯碼技術(shù)的性能比較

　　近年來，Polar Codes得到了國內(nèi)外5G標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的強(qiáng)烈關(guān)注。這也是第一屆5G算法創(chuàng)新大賽(http://www.innovateasia.com/5g/)的重點(diǎn)方向之一。我有幸被邀請參與了Polar Codes競賽專題的評審工作。盡管編碼技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)門檻較高、難度較大，但此次5G算法創(chuàng)新大賽仍然吸引了境內(nèi)外大量高水平隊伍參加，包括來自清華大學(xué)、香港科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)等幾十所高校，有十余支入圍隊伍均表現(xiàn)出較高的專業(yè)水準(zhǔn)。從各參賽隊伍提交的材料和答辯的情況看，各參賽隊伍對極化碼的原理和算法都進(jìn)行了深入的研究和探索，部分還提出了頗具新意的譯碼算法和優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，比如通過改進(jìn)度量計算、存儲和排序以及控制等關(guān)鍵單元，獲得較優(yōu)的時間和空間復(fù)雜度以及較好的糾錯性能等等。難能可貴的是，這次有本科生隊伍脫穎而出入圍復(fù)賽，表現(xiàn)出其扎實(shí)的知識基礎(chǔ)、突出的鉆研精神和較好的培養(yǎng)潛力。這次大賽，反映了青年學(xué)子對通信領(lǐng)域新技術(shù)的極大熱情和求知欲望，也反映了由興趣驅(qū)動、以問題為導(dǎo)向的國家人才培養(yǎng)機(jī)制改革探索所取得的顯著成效。這項活動對5G無線通信的技術(shù)研究、知識普及和人才培養(yǎng)是一個極大的促進(jìn)。