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揭秘中興通訊5G創新黑科技:傳輸信道的愛情密碼

2019-09-20  來源:中國信息產業網  作者:

相傳古代,河東岸的劉秀才要給河西岸的陳佳人送十根藤條來做油紙傘。這些藤條價值不菲,且搬運中極易彎折磨損,怎么辦?劉秀才想到多年前曾教過陳佳人一種只有他們兩個人知道的特殊編織方法,迅速編織好藤條,裝上了船,經過編織的藤條堅韌結實。隔天河西的佳人收到編織后的藤條,立刻領悟,麻利地解開,取出完好無損的藤條。

信道編碼就是無線通信的愛情密碼!????

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

作為數字通信最基礎和最關鍵的技術,在3GPP的5G新空口標準制定過程中,信道編碼是其中最具影響力、爭論最激烈、創新性最強、理論難度最大、貢獻最大的課題。在前幾代蜂窩通信系統中,信道編碼基本上為歐洲和美國公司壟斷。如2G中卷積碼是美國MIT教授發明,標準中方案主要來自美國公司;3G和4G中Turbo碼是法國研究人員發明,標準中方案主要來自歐洲和美國公司。但這種局面在5G得到了徹底改觀,對于5G最重要的編碼LDPC碼,中國廠商起到了巨大作用。在相應的關鍵技術點和會議提案方面,中國廠商的貢獻非常可觀,撐起半邊天。

其中,LDPC(LowDensityParityCheckCodes,低密度奇偶校驗碼)以其逼近香農極限的特性,大數據吞吐量條件下更為顯著的復雜度和性能優勢,使3GPP在5G時代拋棄Turbo碼,選擇LDPC作為5GNR標準的數據信道編碼方案,應用于上下行數據的傳輸。這是眾多通訊業內主要玩家長期努力的結晶,其中就包括中興通訊,其為5GLDPC信道編碼貢獻出多項創新性技術方案,可謂是LDPC領域標準制定中的主要貢獻者之一。

中興在LDPC領域的關鍵技術創新

作為國家 “IMT-2020(5G)新型調制編碼專題組”的牽頭單位,中興在5G研究之初就提出將LDPC碼作為5G的4大標簽技術之一,尤其適合長碼。而且,在5G LDPC標準制定過程中,中興扮演了一個非常重要的角色,即在3GPP RAN1的第86 bis會議上牽頭30多家公司完成一個Way Forward,支持長碼使用LDPC碼。

在該次會議上這一點被采納,為LDPC碼進入5G標準邁下了極其關鍵的一步。最終,中興在編碼矩陣設計、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創新性技術方案,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矩陣設計的基本思想,即把基本圖的結構設計得相對緊湊(compact),可以找到性能和復雜度的最佳結合點,經過多次會議的激烈討論被5G NR標準采納;5G LDPC一共有16個系數矩陣,其中的兩個矩陣就是由中興貢獻的。5G LDPC碼的奇偶校驗矩陣是由大量的小分塊方陣構成,分塊陣的大小就是提升值,它猶如一個擴張收縮器,讓矩陣可大可小,從而支持各種碼長,中興提出的并行優化的提升值設計模型也被標準采納,顯著降低了譯碼器復雜度。

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

再說到比特交織器,這項技術最早可以追溯到2007年,當時中興在LTE標準化時就曾經提出過這項技術,經過10多年的發展,終于在5G標準中落地生根。比特交織就是把數據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。

最后說說傳輸塊大小TBS確定,如何確定TBS,在標準組織中討論了很久,最初有公司提出采用公式計算來確定TBS,但是中興通過研究發現,當TBS較小時,用公式計算得到的實際碼率與目標碼率相差甚遠,對性能的影響較大。因此,中興提出當TBS小等于3824比特時采用表格結合公式的方法來確定TBS,最終這一方法被5G標準采納,中興設計的TBS表格也被寫進標準。

一切創新都源自優秀的人才,在中興多項關鍵技術背后,是一支“來之能戰,戰之能勝”的超能戰隊。十余年來,中興科研團隊持續在LDPC技術領域深耕細作,不僅單兵作戰能力強,更能團隊協作打攻堅戰,堪稱“LDPC標準領域的尖兵”。

早在2003年,中興科研團隊就已開始著手研究LDPC碼,期間牽頭承擔了多個國家級項目的編碼課題;2004年,結構化LDPC碼(即準循環LDPC碼)首次在著名的WiMAX國際標準中得到應用,中興建議的2個高碼率矩陣均被標準采納;2006年,以中國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標準采納,但期間中興率先提出支持任何碼長碼率和遞增冗余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標準的唯一信道編碼方案。十幾年如一日的持續鉆研,團隊成員的協作互助,為5GNRLDPC的成功制定奠定了基礎。

5G標準領域無疑是全球技術競爭高地,這里聚集了來自全球的頂尖人才,技術碰撞、思維博弈每天都在發生。對中興來說,偉大就是無數次平凡、單調、枯燥地做同一件事。中興的標準領域專家們有一個共同目標,那就是建成全球統一的5G生態系統,他們的創新之旅仍在繼續,他們攀登技術高山的腳步從不停歇,因為,山,就在那里!

關鍵詞:中興 5G LDPC 信道編碼

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