第一届5G算法创新大赛：Polar Code赛事评述

作者：浙江大学 张朝阳教授

 

    通信的过程是在接收端准确或近似地恢复在发送端所选择的信息的过程。信道编码是保证信息在随机信道上高效和可靠传递的基本手段，也是现代通信系统的主要技术特征之一。通过信道编码，通信系统能够可靠地对付信道噪声等所引起的随机差错，同时有效利用功率和频率资源从而逼近信道容量。信道编码一直是通信领域的基础和核心问题，其每一次重大突破，都会引起通信系统的新一轮演进或变革。例如，20世纪90年代发明的Turbo码，极大地推进了3G、4G无线通信技术的发展；与Turbo码同期被重新发现的LDPC码则为WiMAX、DVB以及深空通信技术带来了全新的传输体制。

    

 

    图 1  Polar Code——一种新型编码技术

 

    由E. Arikan在近年发明的Polar码是继Turbo码之后编码领域的又一重大突破。它作为第一种能够严格被证明达到信道容量极限的编码方案，具有很低的编译码复杂度和较好的译码性能。通过与循环冗余校验（CRC）码结合，能够获得超过Turbo码和LDPC码的纠错能力。在译码复杂度相当的前提下，相比Turbo码，Polar码仅需更低的信噪比即可达到相同的误码性能：在无线通信常用的中长码配置下，能够获得大约0.5dB的增益；短码配置下甚至能够获得大于1dB的增益。随着微电子器件工艺水平的提高、芯片处理能力的增加，通过采用相对更为复杂的译码算法，Polar码还能进一步取得大于1dB的增益；而Turbo码则由于其译码算法收敛特性，即使付出额外复杂度，性能也难以有明显提升。在硬件实现方面，Polar码具有规则一致的编译码结构，这使得Polar码能够以相同的编译码器，以1比特为变化步长，支持任意的输入、输出序列长度，从而获得更高的编码增益。此外，Polar码还能够实现超低复杂度的高吞吐率译码，已有公开报告表明，Polar码译码器的最高吞吐率可达200Gbps以上！正因为如此，它有望成为5G无线通信系统新型编码体制的有力竞争方案之一。

   

 

    图 2：典型编译码技术的性能比较
 

    近年来，Polar Codes得到了国内外5G标准化研发机构和学术界的强烈关注。这也是第一届5G算法创新大赛（http://www.innovateasia.com/5g/）的重点方向之一。我有幸被邀请参与了Polar Codes竞赛专题的评审工作。尽管编码技术的研究和实现门槛较高、难度较大，但此次5G算法创新大赛仍然吸引了境内外大量高水平队伍参加，包括来自清华大学、香港科技大学、西安电子科技大学、东南大学、北京邮电大学、电子科技大学等几十所高校，有十余支入围队伍均表现出较高的专业水准。从各参赛队伍提交的材料和答辩的情况看，各参赛队伍对极化码的原理和算法都进行了深入的研究和探索，部分还提出了颇具新意的译码算法和优化的实现结构，比如通过改进度量计算、存储和排序以及控制等关键单元，获得较优的时间和空间复杂度以及较好的纠错性能等等。难能可贵的是，这次有本科生队伍脱颖而出入围复赛，表现出其扎实的知识基础、突出的钻研精神和较好的培养潜力。这次大赛，反映了青年学子对通信领域新技术的极大热情和求知欲望，也反映了由兴趣驱动、以问题为导向的国家人才培养机制改革探索所取得的显著成效。这项活动对5G无线通信的技术研究、知识普及和人才培养是一个极大的促进。