面向5G新空口技術(shù)的Polar碼標準化研究進展

謝德勝，柴蓉，黃蕾蕾，陳前斌

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面向5G新空口技術(shù)的Polar碼標準化研究進展

謝德勝，柴蓉，黃蕾蕾，陳前斌

（重慶郵電大學(xué)移動通信重點實驗室，重慶 400065）

5G的業(yè)務(wù)特性及能力要求為新空口（new radio，NR）設(shè)計更加高效的新型信道編碼方案，極化碼（Polar碼）因具備優(yōu)異的性能已被確定為5G增強移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）場景控制信道的編碼方案。在對5G及Polar碼進行概述的基礎(chǔ)上，詳細闡述面向5G NR的Polar碼標準化工作主要研究內(nèi)容，包括碼構(gòu)建、序列設(shè)計、速率匹配及信道交織等。繼而針對第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）各成員機構(gòu)在無線接入網(wǎng)層一（Radio Access Network Layer 1，RAN1）標準化工作組提出的Polar碼編碼方案進行分析和對比，并在此基礎(chǔ)上對Polar碼標準化相關(guān)研究進展進行總結(jié)。

5G；極化碼；碼構(gòu)建；序列設(shè)計；速率匹配

1 引言

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展和智能終端的日趨成熟，4G已難以有效支持未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展帶來的移動數(shù)據(jù)流量的高速增長、海量的設(shè)備連接以及差異化新型業(yè)務(wù)需求。為滿足用戶日益增長的各類移動業(yè)務(wù)需求，5G概念應(yīng)運而生，并已成為學(xué)術(shù)界和信息產(chǎn)業(yè)界的重要研究課題之一[1]。

近年來，國內(nèi)外多家通信組織及相關(guān)機構(gòu)均積極致力于5G的研發(fā)工作。2012年9月，歐盟啟動了面向5G系統(tǒng)的5GNOW（5th generation non-orthogonal waveforms for asynchronous signaling）研究課題，主要針對5G物理層波形技術(shù)開展研究[2]。2012年11月，歐盟正式啟動METIS（mobile and wireless communications enablers for the twenty-twenty information society）研究項目，針對如何實現(xiàn)未來移動通信需求開展廣泛研究[3]。此外，歐盟在2014年啟動了規(guī)模更大的科研項目5G-PPP（5G public-private partnership），旨在加速5G研究和創(chuàng)新。2013年，中韓兩國分別成立IMT-2020（5G）推進組及5G技術(shù)論壇，以推進5G技術(shù)標準的研發(fā)[4]。2015年，在3GPP服務(wù)工作組會議（SA1-Service）上確定的版本14（Re1ease-14）標準工作項目對5G需求進行明確規(guī)范[5]。同年，國際電信聯(lián)盟無線通信部（International Telecommunication Union-Radio Communications Sector，ITU-R）明確了未來5G三大典型應(yīng)用場景[6]，分別為增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）場景、大規(guī)模機器類通信（massive machine type communication，mMTC）場景和超高可靠性低時延通信（ultra-reliable and low latency communication，uRLLC）場景。不同應(yīng)用場景具有不同性能需求。eMBB場景要求支持更高的傳輸速率（峰值速率：上行鏈路達到10 Gbit/s，下行鏈路達到20 Gbit/s）、更高的頻譜效率（峰值頻譜效率：上行鏈路達到12 bit/(s·Hz)，下行鏈路達到30 bit/(s·Hz)）等；mMTC場景要求支持更大連接數(shù)密度（1×106個連接/km2）、更低能耗（終端電池使用壽命達到15年）；uRLLC場景要求支持更低的時延（上下行鏈路時延0.5 ms，即端到端時延低于1 ms）、更高的可靠度（達到99.999 9%，即1 ms內(nèi)的誤幀率低于10-6）、更低的錯誤平層等。

5G中業(yè)務(wù)需求的多樣性及各類業(yè)務(wù)場景的典型特性均給傳統(tǒng)移動通信技術(shù)，特別是現(xiàn)有的信道編碼技術(shù)帶來新的困難及挑戰(zhàn)。5G三大典型應(yīng)用場景對5G NR信道編碼關(guān)鍵要求見表1，而4G中采用的信道編碼方案Turbo碼因在可靠性（Turbo碼存在譯碼錯誤平層）、編譯碼復(fù)雜度、譯碼吞吐量和編碼效率等方面難以有效滿足5G場景下的各種性能要求。亟需為5G新空口（new radio，NR）設(shè)計更加先進高效的信道編碼方案，以盡可能小的業(yè)務(wù)開銷實現(xiàn)信息快速可靠傳輸。

表1 5G NR信道編碼關(guān)鍵要求

目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)已針對5G信道編碼技術(shù)開展了大量研究，并已達成部分共識。Polar碼因其理論證明可達到香農(nóng)極限，且具有可實用的線性復(fù)雜度編譯碼能力而受到業(yè)界重視，成為5G NR信道編碼方案的強有力候選者。在2016年11月召開的3GPP RAN1#87次會議上確定eMBB場景的5G短碼塊信道編碼方案采用Polar碼作為控制信道編碼方案?；诖?，本文首先對Polar碼的基本概念及原理進行概述，繼而對近年來國內(nèi)外研究機構(gòu)針對Polar碼開展的標準化研究工作進行分析綜述。

2 Polar碼概述

2008年，土耳其畢爾肯大學(xué)Arikan教授[7]在國際信息論（International Symposium on Information Theory，ISIT）會議上首次提出信道極化（channel polarization）的概念。2009年，Arikan教授在參考文獻[8]中對信道極化進行更為詳細的闡述，并基于信道極化思想提出一種新型信道編碼方法，即Polar碼。

由于在理論上可被嚴格證明在低譯碼復(fù)雜度下能夠達到信道容量，Polar碼一經(jīng)提出即受到學(xué)術(shù)界及業(yè)界的廣泛關(guān)注，并針對Polar碼相關(guān)理論及應(yīng)用開展深入研究。參考文獻[9]中，Arikan分析了Polar碼的極化現(xiàn)象，并給出Polar碼在二元刪除信道（binary erasure channel，BEC）中的具體構(gòu)造方法以及編譯碼過程?？紤]到Arikan E給出的Polar碼構(gòu)造方法僅適用于BEC信道，具有較大的局限性，Mori和Tanaka等人[10-11]借鑒低密度奇偶校驗（low-density parity-check，LDPC）碼的構(gòu)造方法，提出采用密度進化（density evolution，DE）方式構(gòu)造Polar碼，以適用于任意二進制離散無記憶信道（binary discrete memoryless channel，B-DMC）[10-11]。隨后Tal在參考文獻[12]中針對DE方法的復(fù)雜度進行了研究，給出了更為有效的構(gòu)造方法。此外，也有研究考慮Polar碼在幾類常見的連續(xù)信道中的應(yīng)用，如高斯信道、瑞利信道及中繼信道等[13-16]。近年來，較多研究考慮Polar碼在更為實際的通信信道場景，如多址接入信道[17]、存在竊聽的通信網(wǎng)絡(luò)[18]、量子信道[19]及多階調(diào)制系統(tǒng)[20-21]中的應(yīng)用。

另外，也有研究考慮基于Polar碼的信源編碼。在對具體Polar碼信源編碼方案進行研究的基礎(chǔ)上，提出基于Polar碼的聯(lián)合信源信道編碼理論[22]。

2.1 信道極化概念

Polar碼是基于信道極化理論提出的一種新的線性分組碼。信道極化是指以特定方式對任意=2(≥0)個獨立的B-DMC進行組合分裂，隨著信道數(shù)目的增加，子信道特性呈現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象[23]。信道極化過程包括信道組合和信道分裂兩個過程，以下分別進行簡要介紹。

2.1.1 信道組合

（1）若= 1，可得1=，即不進行信道組合。

2.1.2 信道分裂

2.2 Polar碼編碼

根據(jù)信道極化現(xiàn)象，可將原本相互獨立的個原始信道轉(zhuǎn)化為個信道容量不等的比特信道。當(dāng)趨于無窮大時，一部分信道的容量趨于0，而另一部分信道的容量趨于1。假設(shè)個信道的容量趨于1，-個信道的容量趨于0，可選擇個容量趨近于1的信道傳輸信息比特，選擇-個容量趨近于0的信道傳輸凍結(jié)比特，即固定比特，從而實現(xiàn)由個信息比特到個編碼比特的一一對應(yīng)關(guān)系，也即實現(xiàn)碼率為/的Polar碼的編碼過程。

Polar碼的具體編碼方式可表示為：

2.3 Polar碼譯碼

令表示信息比特位置集合，的補集A表示凍結(jié)比特位置集合，SC譯碼式如式（9）所示：

當(dāng)Polar碼碼長趨于無窮時，由于各個分裂信道接近完全極化，采用SC譯碼算法可確保對每個信息比特實現(xiàn)正確譯碼，從而可以在理論上使得Polar碼達到信道的對稱容量()。然而，對于較短或有限碼長的Polar碼，SC譯碼算法性能并不理想。為提升有限碼長Polar碼性能，已有研究人員提出多個高性能譯碼算法，如置信傳播（belief propagation，BP）譯碼算法[25]、線性規(guī)劃（linear programing，LP）譯碼算法[26]、串行抵消列表（successive cancellation list，SCL）譯碼算法[27-28]、串行抵消堆棧（successive cancellation stack，SCS）譯碼算法[29]、混合串行抵消（successive cancellation hybrid，SCH）譯碼算法[30]等。

近年來，國內(nèi)外多家公司針對5G NR場景下的Polar碼標準化工作開展深入研究，并已取得階段性成果?，F(xiàn)有的面向5G NR Polar碼標準化研究工作主要涉及碼構(gòu)建、序列設(shè)計、速率匹配和交織器設(shè)計等方面，將在后續(xù)各節(jié)逐一進行介紹。

3 Polar碼構(gòu)建標準研究進展

3.1 Polar碼構(gòu)建概述

Polar碼構(gòu)建的關(guān)鍵是編碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為提升譯碼性能、減少譯碼復(fù)雜度及控制信道盲檢測的次數(shù)，3GPP建議采用基于循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check，CRC）輔助Polar碼方案進行碼構(gòu)建，具體編碼結(jié)構(gòu)為“+'+基本Polar碼”，其中，表示24位CRC比特，主要用于錯誤檢測及輔助譯碼；'表示額外的CRC/奇偶比特，主要用于輔助譯碼，針對不同物理信道可采用不同的值。CRC輔助（CRC assisted，CA）Polar碼的編碼和譯碼流程如圖3所示。

3.2 Polar碼構(gòu)建標準提案

目前，各公司所提的Polar碼構(gòu)建標準提案主要針對基于CA Polar碼方案，具體包括（+'）位CRC比特分布方式選擇以及'比特長度選擇等問題。

3.2.1 編碼結(jié)構(gòu)

綜合考慮誤塊率（block error rate，BLER）、虛警率（false alarm rate，F(xiàn)AR）及提前終止（early termination，ET）增益等因素，研究人員對Polar碼構(gòu)建方案提出具體建議。參考文獻[31]中，華為技術(shù)有限公司（以下簡稱華為公司）提出基于奇偶校驗CRC CA Polar（parity check-CRC assisted，PC-CA Polar）碼設(shè)計方案，該方案采用3 bit PC比特且CRC比特采用分布式方式以最大化輔助比特增益。提案中也對具有不同CRC長度的PC-CA Polar碼及CA Polar碼的BLER性能進行了分析對比，并建議在NR控制信道中采用PC-CA Polar碼方案，如圖4所示。

圖3 CRC輔助Polar碼編碼和譯碼流程

圖4 不同CRC長度的PC-CA Polar碼及 CA Polar碼的BLER性能

大唐電信科技股份有限公司（以下簡稱大唐公司）在參考文獻[32]中提出兩類Polar碼方案。其中，方案一采用X編碼器，如Hash編碼器或CRC編碼器，對位CRC編碼器輸出的編碼向量進行編碼，并將編碼得到的附加比特向量添加到整個編碼向量末端，將其作為Polar碼編碼器的輸入。方案二首先將位CRC編碼器輸出的編碼向量分段，進而分別輸入分段編碼器（Hash編碼器或CRC編碼器）進行編碼，并將編碼得到的附加比特向量添加至每個分段的編碼向量末端，將其作為Polar碼編碼器的輸入。由于方案一將CRC和附加比特向量添加在編碼向量末端，采用該方案得到的碼字在譯碼時不能獲得ET增益。而方案二將CRC和附加比特向量分散在編碼向量的不同位置，采用該方案得到的碼字在譯碼時可獲得ET增益。上述方案的編碼結(jié)構(gòu)如圖5及圖6所示。

參考文獻[33]中，日電（中國）有限公司（以下簡稱日電公司）研究在譯碼失敗的情況下，支持ET譯碼的輔助比特Polar碼構(gòu)建，其中，輔助比特可采用PC比特、CRC比特和Hash比特，并對分布式CRC（distributed CRC，DCRC）輔助Polar碼和PC-DCRC 輔助Polar碼進行ET性能評估，如圖7所示?；谛阅茉u估結(jié)果，日電公司建議采用PC-DCRC方案作為Polar碼ET基準方案。

圖7 不同ET方案的ET性能評估

3.2.2 CRC比特分布方式

在基于CA-Polar碼構(gòu)建階段，（+'）位比特可采用分布式及非分布式兩種方式分布。其中，分布式指將（+'）位比特以分布式的方式插入信息比特中，譯碼端只譯出一部分比特即可進行一次CRC校驗。非分布式指將（+'）位比特統(tǒng)一放置于信息比特后端，僅當(dāng)譯碼端譯出全部比特才可對該碼字進行CRC校驗。（+'）比特分布方式的選擇也同樣需要考慮BLER和ET增益等因素，研究人員針對（+'）比特分布方式的選擇問題提出相關(guān)方案。

愛立信公司針對DCRC Polar碼設(shè)計方案在參考文獻[34]中給出了兩種變體方法：非迭代DCRC方案和迭代DCRC方案。在非迭代DCRC方案中，DCRC Polar碼的輔助CRC比特采用非遞歸方式生成，即第個輔助CRC比特的計算與第個之前產(chǎn)生的輔助CRC比特?zé)o關(guān)，該方案的編碼器結(jié)構(gòu)如圖8所示。在迭代DCRC方案中，DCRC Polar碼的輔助CRC比特采用遞歸方式生成，該方案編碼器結(jié)構(gòu)在圖6所示的編碼器結(jié)構(gòu)上引入反饋機制，即第個輔助CRC比特的生成需將信息比特和第個之前產(chǎn)生的輔助CRC比特進行組合采樣，繼而送入第個CRC編碼器進行計算提取得到第個輔助CRC比特。

圖8 非迭代DCRC編碼器結(jié)構(gòu)

三星電子公司（以下簡稱三星公司）在參考文獻[35]中對各家公司提出的輔助比特Polar碼構(gòu)建方案進行概括，其中，與ET特性相關(guān)的碼構(gòu)建方案包括DCRC方案、分布式PC方案和多CRC方案；與BLER性能改善相關(guān)的碼構(gòu)建方案包括CA方案和PC-CA方案等，并建議在NR控制信道采用附加輔助比特數(shù)量' = 3的Polar碼。

4 Polar碼序列設(shè)計標準研究進展

4.1 Polar碼序列設(shè)計概述

常見的子信道可靠性度量方法包括巴氏參數(shù)（Bhattacharyya parameter，BP）法[8]、DE法[11]和高斯近似（Gaussian approximation，GA）法[36]等，其中，BP法在BEC下采用遞歸方法計算信道的可靠性并且復(fù)雜度低，但在其他信道下，只能得到近似可靠性度量。DE法通過跟蹤各子信道概率密度函數(shù)（probability density function，PDF），對子信道錯誤傳輸概率進行評估。該方法適用于所有類型的B-DMC，但具有較高計算復(fù)雜度。GA法針對二進制輸入加性高斯白噪聲（additive white Gaussian noise，AWGN）信道，將DE法中的對數(shù)似然比（log-likelihood ratio，LLR）的PDF以高斯分布近似，從而簡化子信道評估的復(fù)雜度，降低計算量。

4.2 Polar碼序列設(shè)計標準提案

對Polar碼進行序列設(shè)計時，需綜合考慮性能、信息粒度、與速率匹配的兼容性、復(fù)雜度及時延等因素，多家公司針對子信道可靠性度量方法開展了相關(guān)研究，并提出了相應(yīng)的Polar碼序列設(shè)計具體方案。

Polar碼中指示信息比特與凍結(jié)比特位置的順序序列具有Polar碼所固有的嵌套碼構(gòu)造特性，而單序列方案正是Polar碼嵌套碼結(jié)構(gòu)特性的自然結(jié)果。華為公司在參考文獻[38]中將單序列方案中的PW序列跟其他單序列在描述復(fù)雜度、前向兼容性、硬件實現(xiàn)復(fù)雜度方面進行比較，結(jié)果表明PW序列在以上3方面都具有優(yōu)異的性能和額外的增益，因此建議在NR控制信道中采用單序列中的PW序列。

現(xiàn)有Polar碼序列設(shè)計大多采用基于高斯均值近似的DE法，美國高通公司（以下簡稱高通公司）提出采用互信息（mutual information，MI）的DE法實現(xiàn)Polar碼序列設(shè)計，即互信息密度進化（mutual information density evolution，MI-DE）法。在對Polar碼的嵌套碼構(gòu)造特性進行深入分析的基礎(chǔ)上，給出了基于MI-DE長序列構(gòu)建方法，并對所提Polar碼構(gòu)建方法及愛立信、華為、樂喜金星（以下簡稱樂金）、臺灣聯(lián)發(fā)科技股份有限公司（以下簡稱聯(lián)發(fā)科）、高通、三星、中興通訊股份有限公司（以下簡稱中興）7家公司所提方法進行性能評估[39-41]。

參考文獻[42]中，三星公司提出基于組合嵌套（combined-and-nested，CN）的Polar碼序列設(shè)計方法，以實現(xiàn)對已有Polar碼短序列的有效擴展。圖9為CN Polar碼序列設(shè)計概念圖，由于母碼長度小于或等于32 bit的Polar碼序列是確定的且遵循偏序規(guī)則，故Polar碼序列設(shè)計從母碼長度大于32 bit開始?？苫谌缦路绞降玫侥复a長度為64 bit的Polar碼序列：首先基于DE構(gòu)建(,)分別為(64,1),(64,2),...,(64,63)的Polar碼，其中，表示Polar碼母碼長度，表示不包括CRC比特的信息比特數(shù)；再將上述(,) Polar碼組合即可得到母碼長度為64 bit的速率兼容Polar碼序列?；谀复a長度為64 bit的Polar碼序列，可采用嵌入方式得到母碼長度為128 bit的Polar碼序列，通過該方式，最終可得到母碼長度為1 024 bit且速率與長度兼容的CN序列。

圖10為華為公司所提PW序列分別與高通公司所提MI-DE序列以及三星公司所提CN序列在不同信息塊長度下的性能比較。

5 Polar碼速率匹配標準研究進展

5.1 Polar碼速率匹配概述

通信系統(tǒng)的速率匹配是指信道編碼后的比特流速率應(yīng)與信道傳輸速率相一致。由于在不同時間間隔內(nèi)，傳輸信道的數(shù)據(jù)量大小是動態(tài)變化的，而所配置的物理信道時頻資源則保持固定不變，因此，需要對輸入比特流進行調(diào)整從而使其符合物理信道的承載能力。

在蘋果樹生長的每個時期，都應(yīng)該對樹枝進行適當(dāng)?shù)男藜?。不同生長時期對蘋果樹修剪的次數(shù)，方法都不相同。其中一種方法是截放修剪法，這種方法應(yīng)用在果樹的擴冠期，種植者可以根據(jù)果樹的生長形勢采用這種方法，從而達到控制果樹的直立枝的生長的目的。另一種是拉枝、扭稍等栽培技術(shù)，這種技術(shù)在蘋果樹生長期的最開始和即將結(jié)束的時候使用，可以有效地促進花芽的生長。但并不是蘋果生長的所有階段都需要修剪，在蘋果樹結(jié)果的初期與盛果階段和果樹休眠的時期，就應(yīng)該減少修剪的次數(shù)，用以達到提升果實的質(zhì)量的目的。同時，在果樹生長期可以使用一些生長激素，比如乙烯利和多效唑，可以有效地促進花芽的萌發(fā)生長。

根據(jù)信道編碼后的輸出比特流與物理信道承載能力的關(guān)系，可采用重復(fù)、打孔和縮短操作來實現(xiàn)速率匹配。若傳輸?shù)木幋a比特數(shù)大于母碼長度，采用重復(fù)編碼，即對某些比特位進行重復(fù)；若傳輸?shù)木幋a比特數(shù)小于母碼長度且碼率小于或等于最優(yōu)碼率閾值，采用打孔編碼，即對某些比特位進行打孔，其相應(yīng)的LLR在接收端設(shè)置為0；若傳輸?shù)木幋a比特數(shù)小于母碼長度且碼率大于最優(yōu)碼率閾值，可采用縮短編碼，即對某些比特位進行刪除，其相應(yīng)的LLR在接收端設(shè)置為較大的值。

Polar碼速率匹配相關(guān)研究涉及速率匹配具體方案的選擇以及執(zhí)行重復(fù)、打孔和縮短操作時循環(huán)緩沖器起始位置選擇等相關(guān)問題。

5.2 Polar碼速率匹配標準提案

綜合考慮需靈活支持Polar碼不同碼長、BLER性能及實施復(fù)雜度等因素，研究人員對Polar碼速率匹配提出相關(guān)方案和建議。參考文獻[43]中，聯(lián)發(fā)科公司提出具有統(tǒng)一模式的循環(huán)緩存器速率匹配方案。在該方案中，Polar碼編碼器輸出的編碼比特被劃分為0、1、2和3共4部分，循環(huán)緩存器由3部分組成，其第一部分為0，第二部分由1和2隔行交織得到，第三部分為3，通過讀取緩沖區(qū)中不同長度的編碼比特從而實現(xiàn)重復(fù)、打孔和縮短。參考文獻[44]中，聯(lián)發(fā)科公司對具有統(tǒng)一模式的循環(huán)緩存器速率匹配方案在時延、實現(xiàn)復(fù)雜度和性能增益方面進行了分析?？紤]到該方案中使用的中間隔行交織操作簡單，易于集成到編碼器的輸出功能和解碼器輸入功能中，且能夠在信道比特交織過程中實現(xiàn)簡單的并行塊交織，從而獲得最低的總體復(fù)雜度和時延，建議NR Polar碼編碼鏈中采用具有統(tǒng)一模式的循環(huán)緩存器速率匹配方案。

參考文獻[45]中，華為公司提出基于分組的速率匹配方案，該方案首先將母碼長度為的編碼比特劃分成32個等長的群組，進而以群組方式完成縮短或打孔操作。該速率匹配方案可實現(xiàn)性能和復(fù)雜度之間較好的平衡。參考文獻[46]中，中興公司提出二維循環(huán)緩沖器速率匹配方案。該方案中，采用與LTE中子塊交織器類似的行列交織器實現(xiàn)二維循環(huán)緩沖器，具體方式為將Polar碼編碼器輸出的編碼比特從上至下逐行寫入交織器，繼而執(zhí)行行交織操作。在執(zhí)行速率匹配時，編碼比特按行被打孔和縮短且以自然順序選擇每行中被打孔或縮短的比特。

高通公司在參考文獻[47]中提出了基于長序列信息比特分配調(diào)整的塊速率匹配設(shè)計方案，該速率匹配方案包括3部分：確定凍結(jié)比特打孔/縮短位置、碼參數(shù)確定及信息比特分配調(diào)整、比特選擇。三星公司在參考文獻[48]中提出基于子塊排序的Polar碼短序列速率匹配方案，該方案首先將編碼器輸出的碼字向量劃分為16個子塊并將這些子塊按特定順序排序，進而將排序后的子塊碼字比特存儲至循環(huán)緩存器，相應(yīng)的速率匹配操作只需按順序從循環(huán)緩存器中提取碼字比特即可實現(xiàn)。圖11為三星公司（SS）、聯(lián)發(fā)科公司（MTK）及中興公司（ZTE）所提速率匹配方案在不同信息塊大小下的性能比較。

圖11 BLER=0.01時不同速率匹配方案所需信噪比與信息塊大小曲線

6 Polar碼信道交織標準研究進展

6.1 Polar碼信道交織概述

信道交織技術(shù)是實際移動通信環(huán)境下改善信號衰落的一種通信技術(shù)。該技術(shù)通過對比特進行分散化處理，可將一條消息中的相鄰比特以非相鄰的方式發(fā)送。在信息傳輸?shù)倪^程中即使發(fā)生成串差錯，在恢復(fù)成相鄰比特串消息時，成串差錯將轉(zhuǎn)換為單個錯誤比特，因此接收端可采用糾正隨機差錯的編碼技術(shù)實現(xiàn)糾錯以恢復(fù)原消息。

根據(jù)進行交織操作的對象為數(shù)據(jù)塊或比特，交織操作分別對應(yīng)子塊交織及比特交織。子塊交織是指將編碼后的碼字分散為多路信息比特流送入速率匹配的子塊交織器中，子塊交織器分別對3路信息比特流進行交織，以打亂信息比特的順序，使噪聲隨機分布，降低出錯概率。比特交織是指將比特流中的比特重新排列，從而使差錯隨機化的過程，也即將比特流進行分組，相繼取出分組中的各比特，組成新的比特分組。

各公司對Polar碼交織問題的相關(guān)研究包括編碼及速率匹配之后信道交織方案選擇以及信道交織器設(shè)計等。

6.2 Polar碼信道交織標準提案

考慮到Polar碼性能對信道質(zhì)量非常敏感，特別是在應(yīng)用高階調(diào)制和衰落信道時，因此需采用信道交織來提高性能。但在考慮信道交織器的類型及信道交織器在編碼鏈中的位置時，需綜合考慮BLER性能、時延及實現(xiàn)復(fù)雜度等因素。鑒于此，多家公司提出了相應(yīng)的信道交織方案。

華為公司在參考文獻[49]中對Polar碼編碼鏈研究表明：在調(diào)制階數(shù)高于正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）的情況下，當(dāng)調(diào)制符號失真時，通常會出現(xiàn)突發(fā)錯誤。為獲得更好的編碼性能，可使用比特交織編碼調(diào)制（bit-interleaved-coded-modulation，BICM）方案使得編碼比特隨機化，將突發(fā)錯誤分散至碼字的離散位置上，從而使解碼盡可能成功。參考文獻[50]給出了華為公司設(shè)計的信道交織器，該信道交織器由比特收集器和行列交織器組成，如圖12所示。比特收集器根據(jù)編碼比特索引集合和信息比特索引集合將比特序列0,1,...,x-1劃分為f和g兩部分，繼而級聯(lián)f和g得到序列。行列交織器則將序列按行寫入，繼而按列讀取得到序列。

多家公司也針對下行鏈路和上行鏈路中的Polar碼信道交織器結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分別進行討論。參考文獻[51]中，愛立信公司針對下行鏈路傳輸提出并行矩形信道交織器方案。該方案首先將長度為的序列劃分為長度為1和2的兩段，進而采用交織深度為5和11的兩個并行矩形交織器分別對1和2進行交織，最后交替輸出兩個并行矩形交織器中的比特以形成最終交織序列。該并行矩形交織器具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)且支持并行存儲訪問，因此較容易實現(xiàn)且處理時延較低。

大唐公司在參考文獻[52]中也提出基于并行矩形信道交織器的交織方案，如圖13所示。該方案由4個步驟組成：串/并轉(zhuǎn)換，將長度為的編碼比特序列轉(zhuǎn)換為長度為的31段子序列，即完成簡單的串/并轉(zhuǎn)換；分組，將31段子序列分為組，用表示組號，表示段號，分組規(guī)則可表示為=mod；并行交織，使用不同交織深度的行列子交織器對不同組中的比特進行隨機化；并/串轉(zhuǎn)換，將行列子交織器的輸出序列進行并/串轉(zhuǎn)換得到最終序列。

圖13 交織器模型

美國交互數(shù)字公司在參考文獻[53]中給出了現(xiàn)有CRC生成多項式和交織器模式的FAR評估結(jié)果。基于評估結(jié)果，美國交互數(shù)字公司給出了現(xiàn)有交織器模式的修改方案以獲得更好的FAR性能。參考文獻[54]中，愛立信公司針對NR物理下行控制信道（physical downlink control channel，PDCCH）中的信道交織器方案進行研究，并分別給出了并行矩形信道交織器、矩形信道交織器及不使用信道交織器3種方案在不同控制信道單元（control channel element，CCE）聚合等級（aggregation level，AL）及資源粒子組（resource element group，REG）下的性能評估結(jié)果。

諾基亞公司提出在下行控制信道編碼鏈中已采用的3個交織器外引入第4個交織器[55]。其中，現(xiàn)有3個交織器分別為：位于編碼階段的交織器，實現(xiàn)將CRC比特以分散的方式插入信息比特中；位于速率匹配階段的子塊交織器，實現(xiàn)將位編碼比特劃分為32個子塊，并對32個子塊重新排序；位于速率匹配階段的比特交織器，對循環(huán)緩存器中的序列進行交織處理得到實際傳輸?shù)木幋a序列。在使用上述3個交織器的基礎(chǔ)上，諾基亞公司提出在下行控制信道編碼鏈中引入比特級信道交織器，作為第4個交織器，從而實現(xiàn)BLER性能提升。在參考文獻[56]中高通公司給出其所提的交織器設(shè)計方案（圖14中Q表示），并對華為公司（圖14中用H表示）所提方案、美國交互數(shù)字公司（圖14中用I表示）所提方案和其所提方案在AWGN信道下進行性能評估，如圖14所示。

針對上行控制信道交織器結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，諾基亞公司在參考文獻[57]中使用最小擴展距離和平均擴展距離作為信道交織器設(shè)計準則，并提出一種具有不同讀/寫方式的三角形交織器。該交織器消除了恒定最小擴展距離的限制，使BLER性能顯著提升，且支持高效的讀寫操作使端到端讀寫時延顯著降低。

7 結(jié)束語

Polar碼雖起步晚，但因其優(yōu)異的理論基礎(chǔ)已被確定為5G eMBB場景的控制信道編碼方案。目前在3GPP RAN1#87次會議及其后續(xù)會議討論和研究的主要內(nèi)容集中在短碼的設(shè)計及實現(xiàn)上，如與Polar碼相關(guān)的碼構(gòu)建、序列設(shè)計、速率匹配以及信道交織等問題。相應(yīng)解決方案已在3GPP RAN1各次會議上達成，其相應(yīng)的性能也能滿足eMBB場景控制信道性能需求，但Polar碼在5G的實際應(yīng)用中仍有待進一步討論和研究。

圖14 不同調(diào)制階數(shù)下各公司所提交織器性能曲線

考慮到當(dāng)前關(guān)于Polar碼的相關(guān)標準主要是針對eMBB場景下的短碼方案，在5G移動通信的新型場景mMTC和uRLLC中，采用何種信道編碼方案（LDPC碼、Polar碼、Turbo碼）還需進一步討論和研究，但可預(yù)見的發(fā)展趨勢是多種信道編碼方案配合使用；另外，即使采用何種編碼方式已經(jīng)確定，但如何根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求靈活選擇適合的編碼方案和編碼參數(shù)以及相應(yīng)的性能及復(fù)雜度評估，也是5G后續(xù)工作面臨的一個重要問題；最后，上述編碼方案在實際通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究，如編譯碼器的設(shè)計、與HARQ和調(diào)制解調(diào)的聯(lián)合設(shè)計、在多天線傳輸方案中的應(yīng)用及硬件實現(xiàn)技術(shù)等，也是5G信道編碼應(yīng)用時的重點研究內(nèi)容。

本文在對Polar碼進行概述的基礎(chǔ)上，對Polar碼原理進行了闡述，進而對3GPP RAN1各次會議中各公司針對Polar碼的標準化工作進行探討，并從Polar碼構(gòu)建、序列設(shè)計、速率匹配以及信道交織等多方面進行總結(jié)，以期為后續(xù)5G NR信道編碼研究工作和理論學(xué)習(xí)提供參考。

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Standardization of 5G new radio technology oriented Polar code

XIE Desheng, CHAI Rong, HUANG Leilei, CHEN Qianbin

Chongqing Key Lab of Mobile Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

A more efficient new channel coding scheme was required for NR by the service features and capability indices of 5G. Due to its excellent performance, Polar code was specified as the control channel coding scheme for 5G enhanced mobile broadband (eMBB) scenario. An overview of Polar code was presented and the main existing research issues of the standardization for new radio(NR) technology oriented Polar code, including code construction, sequence design, rate-matching and channel interleaving, etc, were elaborated. Then some specific analysis and comparisons of the Polar code schemes which were proposed by 3GPP member institutes in RAN1 conferences recently were presented. Finally, a summary of the standardization works of Polar code was given on the basis of the above discussions.

5G, Polar code, code design, sequence design, rate-matching

TN911.22

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018237

謝德勝（1994?），男，重慶郵電大學(xué)移動通信重點實驗室碩士生，主要研究方向為移動通信技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

柴蓉（1974?），女，重慶郵電大學(xué)移動通信重點實驗室教授，主要研究方向為移動通信、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、無線資源管理及移動性管理技術(shù)。

黃蕾蕾（1995?），女，重慶郵電大學(xué)移動通信重點實驗室碩士生，主要研究方向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)、無線資源管理和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

陳前斌（1967?），男，重慶郵電大學(xué)副校長、教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為個人通信、多媒體信息處理與傳輸和下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)等。

2018?03?06；

2018?08?10

面向3GPP標準化的5G無線傳輸技術(shù)研究與評估項目（No.MCM20160105）；5G高速無縫接入技術(shù)方案與試驗系統(tǒng)研發(fā)項目（No.2016ZX03001010-004）

The Joint Scientific Research Fund of Ministry of Education and China Mobile (No.MCM20160105), National Science and Technology Specific Project of China (No.2016ZX03001010-004)