華為的5G技術,源於這種數學方法
2019年05月24日08:26

  近日,華為遭美國貿易製裁後,任正非的表態受到各大媒體關注。任正非對華為的5G技術充滿了信心:“華為的5G是絕對不會受影響,在5G技術方面,別的國家兩三年內肯定追不上華為。”

埃達爾·阿勒坎教授
埃達爾·阿勒坎教授

  值得注意的是,任正非在接受採訪時提到,華為在5G的成就,離不開一位土耳其的科學家的貢獻:“5G標準是源於十多年前土耳其的阿勒坎教授的一篇數學論文……”、“十年時間,我們就把土耳其教授數學論文變成技術和標準。”

  那麼,這位土耳其科學家做了什麼工作?這與華為的5G技術又有怎樣的聯繫?

  5G基礎:極化碼

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

  從這個意義上來說,阿勒坎在學術上可謂師出名門。而在博士畢業、回到故鄉土耳其的畢爾肯大學後,阿勒坎研究出了開創性的技術。

  在畢爾肯大學這所並不算著名的大學,阿勒坎十年磨一劍,終於在2008年大功告成,發表了主要用於5G通信編碼的極化碼技術方案。

  當年他發表的論文在2008年的IEEE期刊上,文章一共23頁,但作者只有他一個人。

這篇文章發表後,就被華為注意到了。
這篇文章發表後,就被華為注意到了。

  華為有很多科學家,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重要,因為其中的技術可以用於5G編碼。

任正非向阿勒坎頒獎,以致敬其為人類通信事業發展所作出的突出貢獻。
任正非向阿勒坎頒獎,以致敬其為人類通信事業發展所作出的突出貢獻。

  於是,華為與阿勒坎取得了聯繫,在這項技術的基礎上申請了一批專利,並且以阿勒坎的極化碼為基礎封鎖了一批專利。科技企業的國際競爭,是專利之爭,也是利益之爭,必須先下手為強。

  而極化碼的數學原理是什麼呢?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知識才可以看明白。當然如果具備線性代數或者群論的知識,那麼只需要花下時間,肯定可以看懂極化碼的原理。

  其實,極化碼看起來很複雜,但本質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]

  ,這等價於以下的矩陣乘法:

  5G標準:師徒之爭

  華為在極化碼的基礎上開發出5G通信技術後,迎來了至關重要的5G標準投票——若能取勝,就能掌握5G通信網絡的話語權。

  在去年的5G標準投票中,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,正是阿勒坎的導師加拉格。

  所以,在這場5G通信標準之爭的背後,是一對師徒的技術之爭。當然,表面上是技術之爭,背後也有國家利益之爭。

  以美國的高通為代表的通信業巨頭自然傾向於用美國人提出的編碼方法,但華為為代表的通信業新秀也希望在這個國際標準的製定中佔據先發優勢。在5G標準的製定中,經過複雜的博弈,最終形成了一個折衷方案:

  LDPC碼成為數據信道的編碼方案;極化碼成為控製信道的編碼方案。

  所以,這是一種現實的結果,華為雖然沒有完勝,但也沒有完敗。高通也一樣,最後的結果就是大家一起發展5G,誰也別把誰踢走。

  從技術層面來說,LDPC在1963就發明了,但受限於當時的硬件條件,同時因為缺乏可行的譯碼算法,所以此後30多年間基本被人們忽視。但隨著技術的進步,尤其是1993年貝魯等人發現了Turbo碼並用於3G與4G通信後,受Turbo碼啟發,人們對LDPC碼進行了改進。結果發現,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。但極化碼的優勢是計算量小,用小規模的芯片就可以實現,比較適應於5G的小基站,而且採用這種編碼方法的硬件商業化後設備成本低,因此也極具競爭力。

  控製信道

  上文提到,華為主推的極化碼主要用於5G的控製信道編碼,這是什麼意思呢?

  控製信道是用來傳輸指令和同步數據的,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製信號來傳遞的。

  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製權”,而不是“傳輸硬盤上的電影數據的權力”。

  從數據量來說,控製信道的數據量要小很多,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據,只是要把電腦打開,不需要那麼多數據量來完成開機這個事情。而5G數據信道的碼塊長度要長得多,典型的數據量在3000~8000比特之間,而且碼塊非常多,其所傳輸的數據量比控製信道要高幾個數量級。

  所以,從數據量大小來說,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,還沒有在實踐上經過千錘百煉,所以只能等5G大規模商用以後,我們再來評估極化碼的優越性到底是不是真的好。

  對於極化碼來說,長度為N的數據塊,其編碼的複雜度是O(N log N)。而根據祖師爺香農的判據,這已經到達了5G編碼的最優極限。

  所以,華為看好極化碼的未來,因為它極富理論優勢。而且華為已經在5G產業化上走得很遠了。因此,我們不難理解華為的底氣:因為掌握了技術,即使遭遇貿易戰,華為也有勝利的信心。

  來源:環球科學

  撰文 | 張華

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