揭秘中興通訊5G創(chuàng)新黑科技:傳輸信道的愛(ài)情密碼

相傳古代,河?xùn)|岸的劉秀才要給河西岸的陳佳人送十根藤條來(lái)做油紙傘。這些藤條價(jià)值不菲,且搬運(yùn)中極易彎折磨損,怎么辦?劉秀才想到多年前曾教過(guò)陳佳人一種只有他們兩個(gè)人知道的特殊編織方法,迅速編織好藤條,裝上了船,經(jīng)過(guò)編織的藤條堅(jiān)韌結(jié)實(shí)。隔天河西的佳人收到編織后的藤條,立刻領(lǐng)悟,麻利地解開,取出完好無(wú)損的藤條。

信道編碼就是無(wú)線通信的愛(ài)情密碼!

這個(gè)故事里,劉秀才就好比基站(gNB),陳佳人就好比用戶設(shè)備(UE),十根藤條就是基站要傳輸給用戶設(shè)備的信息(TBS),這些信息都是0和1組成的序列,而大河就是信道,面對(duì)復(fù)雜的通信環(huán)境,這些數(shù)字信息顯得極為脆弱,稍不注意就會(huì)出差錯(cuò),比如基站發(fā)送的是10(二進(jìn)制為‘1010’),用戶設(shè)備收到的有可能是9(二進(jìn)制為‘1001’)。但有了信道編碼技術(shù),它會(huì)把這些數(shù)字信息按照一定的關(guān)系疊加,并且附帶上一些冗余校驗(yàn)位,即使傳輸中有些信息受干擾發(fā)生了變化,也照樣可以通過(guò)傳輸信息之間的關(guān)系,譯碼得到正確的信息。信道編碼技術(shù),讓發(fā)送方與接受方心有靈犀,準(zhǔn)確無(wú)誤傳遞信息。

作為數(shù)字通信最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的技術(shù),在3GPP的5G新空口標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中,信道編碼是其中最具影響力、爭(zhēng)論最激烈、創(chuàng)新性最強(qiáng)、理論難度最大、貢獻(xiàn)最大的課題。在前幾代蜂窩通信系統(tǒng)中,信道編碼基本上為歐洲和美國(guó)公司壟斷。如2G中卷積碼是美國(guó)MIT教授發(fā)明,標(biāo)準(zhǔn)中方案主要來(lái)自美國(guó)公司;3G和4G中Turbo碼是法國(guó)研究人員發(fā)明,標(biāo)準(zhǔn)中方案主要來(lái)自歐洲和美國(guó)公司。但這種局面在5G得到了徹底改觀,對(duì)于5G最重要的編碼LDPC碼,中國(guó)廠商起到了巨大作用。在相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和會(huì)議提案方面,中國(guó)廠商的貢獻(xiàn)非�?捎^,撐起半邊天。

其中,LDPC(LowDensityParityCheckCodes,低密度奇偶校驗(yàn)碼)以其逼近香農(nóng)極限的特性,大數(shù)據(jù)吞吐量條件下更為顯著的復(fù)雜度和性能優(yōu)勢(shì),使3GPP在5G時(shí)代拋棄Turbo碼,選擇LDPC作為5GNR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信道編碼方案,應(yīng)用于上下行數(shù)據(jù)的傳輸。這是眾多通訊業(yè)內(nèi)主要玩家長(zhǎng)期努力的結(jié)晶,其中就包括中興通訊,其為5GLDPC信道編碼貢獻(xiàn)出多項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)方案,可謂是LDPC領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定中的主要貢獻(xiàn)者之一。

中興在LDPC領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

作為國(guó)家 “IMT-2020(5G)新型調(diào)制編碼專題組”的牽頭單位,中興在5G研究之初就提出將LDPC碼作為5G的4大標(biāo)簽技術(shù)之一,尤其適合長(zhǎng)碼。而且,在5G LDPC標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中,中興扮演了一個(gè)非常重要的角色,即在3GPP RAN1的第86 bis會(huì)議上牽頭30多家公司完成一個(gè)Way Forward,支持長(zhǎng)碼使用LDPC碼。

在該次會(huì)議上這一點(diǎn)被采納,為L(zhǎng)DPC碼進(jìn)入5G標(biāo)準(zhǔn)邁下了極其關(guān)鍵的一步。最終,中興在編碼矩陣設(shè)計(jì)、速率匹配、傳輸塊大小、交織器、碼塊分段、碼塊組反饋的確定等方面提出多項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)方案,并最終被3GPP采納。

在編碼矩陣方面,5G LDPC的編碼矩陣,是LDPC碼方案中最核心的元素。中興牽頭提出了compact矩陣設(shè)計(jì)的基本思想,即把基本圖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得相對(duì)緊湊(compact),可以找到性能和復(fù)雜度的最佳結(jié)合點(diǎn),經(jīng)過(guò)多次會(huì)議的激烈討論被5G NR標(biāo)準(zhǔn)采納;5G LDPC一共有16個(gè)系數(shù)矩陣,其中的兩個(gè)矩陣就是由中興貢獻(xiàn)的。5G LDPC碼的奇偶校驗(yàn)矩陣是由大量的小分塊方陣構(gòu)成,分塊陣的大小就是提升值,它猶如一個(gè)擴(kuò)張收縮器,讓矩陣可大可小,從而支持各種碼長(zhǎng),中興提出的并行優(yōu)化的提升值設(shè)計(jì)模型也被標(biāo)準(zhǔn)采納,顯著降低了譯碼器復(fù)雜度。

在速率匹配方面,通信要盡可能利用最少的時(shí)頻域資源傳輸更多的數(shù)據(jù),這就要求我們不能將所有編碼得到的數(shù)據(jù)都發(fā)送出去,必須刪除一部分不太重要的比特?cái)?shù)據(jù),這個(gè)刪除的過(guò)程就是速率匹配。另一方面,數(shù)據(jù)在第一次傳輸后,可能接收端并不能正確譯碼,這就需要發(fā)射端再傳一次,我們稱之為重傳。那么重傳時(shí),到底發(fā)送哪一部分?jǐn)?shù)據(jù)才能達(dá)到最好的譯碼性能呢?中興LDPC科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)不斷的嘗試和仿真驗(yàn)證,最終定義出四個(gè)冗余版本RV0~3,每個(gè)冗余版本的起始位置都是提升值的倍數(shù),其中RV0和RV3是可以自行解碼的,即接收端可以通過(guò)譯碼得到完整的傳輸塊。

再說(shuō)到比特交織器,這項(xiàng)技術(shù)最早可以追溯到2007年,當(dāng)時(shí)中興在LTE標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)就曾經(jīng)提出過(guò)這項(xiàng)技術(shù),經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,終于在5G標(biāo)準(zhǔn)中落地生根。比特交織就是把數(shù)據(jù)包的高位比特放到可靠性高的位置上,把低位比特放到可靠性低的位置上,不僅可以提升首傳性能,也能明顯提升重傳性能。

最后說(shuō)說(shuō)傳輸塊大小TBS確定,如何確定TBS,在標(biāo)準(zhǔn)組織中討論了很久,最初有公司提出采用公式計(jì)算來(lái)確定TBS,但是中興通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)TBS較小時(shí),用公式計(jì)算得到的實(shí)際碼率與目標(biāo)碼率相差甚遠(yuǎn),對(duì)性能的影響較大。因此,中興提出當(dāng)TBS小等于3824比特時(shí)采用表格結(jié)合公式的方法來(lái)確定TBS,最終這一方法被5G標(biāo)準(zhǔn)采納,中興設(shè)計(jì)的TBS表格也被寫進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。

一切創(chuàng)新都源自優(yōu)秀的人才,在中興多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)背后,是一支“來(lái)之能戰(zhàn),戰(zhàn)之能勝”的超能戰(zhàn)隊(duì)。十余年來(lái),中興科研團(tuán)隊(duì)持續(xù)在LDPC技術(shù)領(lǐng)域深耕細(xì)作,不僅單兵作戰(zhàn)能力強(qiáng),更能團(tuán)隊(duì)協(xié)作打攻堅(jiān)戰(zhàn),堪稱“LDPC標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的尖兵”。

早在2003年,中興科研團(tuán)隊(duì)就已開始著手研究LDPC碼,期間牽頭承擔(dān)了多個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的編碼課題;2004年,結(jié)構(gòu)化LDPC碼(即準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼)首次在著名的WiMAX國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用,中興建議的2個(gè)高碼率矩陣均被標(biāo)準(zhǔn)采納;2006年,以中國(guó)中興等為代表的絕大部分亞洲和美洲公司建議在4G LTE中使用QC LDPC碼代替Turbo碼,雖未被LTE標(biāo)準(zhǔn)采納,但期間中興率先提出支持任何碼長(zhǎng)碼率和遞增冗余HARQ功能的適合3GPP的LDPC碼完整方案;2014年,中興的LDPC碼方案成為IEEE802.aj標(biāo)準(zhǔn)的唯一信道編碼方案。十幾年如一日的持續(xù)鉆研,團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作互助,為5GNRLDPC的成功制定奠定了基礎(chǔ)。

5G標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域無(wú)疑是全球技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)高地,這里聚集了來(lái)自全球的頂尖人才,技術(shù)碰撞、思維博弈每天都在發(fā)生。對(duì)中興來(lái)說(shuō),偉大就是無(wú)數(shù)次平凡、單調(diào)、枯燥地做同一件事。中興的標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)<覀冇幸粋€(gè)共同目標(biāo),那就是建成全球統(tǒng)一的5G生態(tài)系統(tǒng),他們的創(chuàng)新之旅仍在繼續(xù),他們攀登技術(shù)高山的腳步從不停歇,因?yàn)�,山,就在那里�?/p>

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