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揭秘中兴通讯5G创新黑科技:传输信道的爱情密码

2019-09-20  来源:中国信息产业网  作者:
相传古代,河东岸的刘秀才要给河西岸的陈佳人送十根藤条来做油纸伞。这些藤条价值不菲,且搬运中极易弯折磨损,怎么办?刘秀才想到多年前曾教过陈佳人一种只有他们两个人知道的特殊编织方法,迅速编织好藤条,装上了船,经过编织的藤条坚韧结实。隔天河西的佳人收到编织后的藤条,立刻领悟,麻利地解开,取出完好无损的藤条。 信道编码就是无线通信的爱情密码!     这个故事里,刘秀才就好比基站(gNB),陈佳人就好比用户设备(UE),十根藤条就是基站要传输给用户设备的信息(TBS),这些信息都是0和1组成的序列,而大河就是信道,面对复杂的通信环境,这些数字信息显得极为脆弱,稍不注意就会出差错,比如基站发送的是10(二进制为‘1010’),用户设备收到的有可能是9(二进制为‘1001’)。但有了信道编码技术,它会把这些数字信息按照一定的关系叠加,并且附带上一些冗余校验位,即使传输中有些信息受干扰发生了变化,也照样可以通过传输信息之间的关系,译码得到正确的信息。信道编码技术,让发送方与接受方心有灵犀,准确无误传递信息。 作为数字通信最基础和最关键的技术,在3GPP的5G新空口标准制定过程中,信道编码是其中最具影响力、争论最激烈、创新性最强、理论难度最大、贡献最大的课题。在前几代蜂窝通信系统中,信道编码基本上为欧洲和美国公司垄断。如2G中卷积码是美国MIT教授发明,标准中方案主要来自美国公司;3G和4G中Turbo码是法国研究人员发明,标准中方案主要来自欧洲和美国公司。但这种局面在5G得到了彻底改观,对于5G最重要的编码LDPC码,中国厂商起到了巨大作用。在相应的关键技术点和会议提案方面,中国厂商的贡献非常可观,撑起半边天。 其中,LDPC(LowDensityParityCheckCodes,低密度奇偶校验码)以其逼近香农极限的特性,大数据吞吐量条件下更为显著的复杂度和性能优势,使3GPP在5G时代抛弃Turbo码,选择LDPC作为5GNR标准的数据信道编码方案,应用于上下行数据的传输。这是众多通讯业内主要玩家长期努力的结晶,其中就包括中兴通讯,其为5GLDPC信道编码贡献出多项创新性技术方案,可谓是LDPC领域标准制定中的主要贡献者之一。 中兴在LDPC领域的关键技术创新 作为国家 “IMT-2020(5G)新型调制编码专题组”的牵头单位,中兴在5G研究之初就提出将LDPC码作为5G的4大标签技术之一,尤其适合长码。而且,在5G LDPC标准制定过程中,中兴扮演了一个非常重要的角色,即在3GPP RAN1的第86 bis会议上牵头30多家公司完成一个Way Forward,支持长码使用LDPC码。 在该次会议上这一点被采纳,为LDPC码进入5G标准迈下了极其关键的一步。最终,中兴在编码矩阵设计、速率匹配、传输块大小、交织器、码块分段、码块组反馈的确定等方面提出多项创新性技术方案,并最终被3GPP采纳。 在编码矩阵方面,5G LDPC的编码矩阵,是LDPC码方案中最核心的元素。中兴牵头提出了compact矩阵设计的基本思想,即把基本图的结构设计得相对紧凑(compact),可以找到性能和复杂度的最佳结合点,经过多次会议的激烈讨论被5G NR标准采纳;5G LDPC一共有16个系数矩阵,其中的两个矩阵就是由中兴贡献的。5G LDPC码的奇偶校验矩阵是由大量的小分块方阵构成,分块阵的大小就是提升值,它犹如一个扩张收缩器,让矩阵可大可小,从而支持各种码长,中兴提出的并行优化的提升值设计模型也被标准采纳,显著降低了译码器复杂度。 在速率匹配方面,通信要尽可能利用最少的时频域资源传输更多的数据,这就要求我们不能将所有编码得到的数据都发送出去,必须删除一部分不太重要的比特数据,这个删除的过程就是速率匹配。另一方面,数据在第一次传输后,可能接收端并不能正确译码,这就需要发射端再传一次,我们称之为重传。那么重传时,到底发送哪一部分数据才能达到最好的译码性能呢?中兴LDPC科研团队经过不断的尝试和仿真验证,最终定义出四个冗余版本RV0~3,每个冗余版本的起始位置都是提升值的倍数,其中RV0和RV3是可以自行解码的,即接收端可以通过译码得到完整的传输块。 再说到比特交织器,这项技术最早可以追溯到2007年,当时中兴在LTE标准化时就曾经提出过这项技术,经过10多年的发展,终于在5G标准中落地生根。比特交织就是把数据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,不仅可以提升首传性能,也能明显提升重传性能。 最后说说传输块大小TBS确定,如何确定TBS,在标准组织中讨论了很久,最初有公司提出采用公式计算来确定TBS,但是中兴通过研究发现,当TBS较小时,用公式计算得到的实际码率与目标码率相差甚远,对性能的影响较大。因此,中兴提出当TBS小等于3824比特时采用表格结合公式的方法来确定TBS,最终这一方法被5G标准采纳,中兴设计的TBS表格也被写进标准。 一切创新都源自优秀的人才,在中兴多项关键技术背后,是一支“来之能战,战之能胜”的超能战队。十余年来,中兴科研团队持续在LDPC技术领域深耕细作,不仅单兵作战能力强,更能团队协作打攻坚战,堪称“LDPC标准领域的尖兵”。 早在2003年,中兴科研团队就已开始着手研究LDPC码,期间牵头承担了多个国家级项目的编码课题;2004年,结构化LDPC码(即准循环LDPC码)首次在著名的WiMAX国际标准中得到应用,中兴建议的2个高码率矩阵均被标准采纳;2006年,以中国中兴等为代表的绝大部分亚洲和美洲公司建议在4G LTE中使用QC LDPC码代替Turbo码,虽未被LTE标准采纳,但期间中兴率先提出支持任何码长码率和递增冗余HARQ功能的适合3GPP的LDPC码完整方案;2014年,中兴的LDPC码方案成为IEEE802.aj标准的唯一信道编码方案。十几年如一日的持续钻研,团队成员的协作互助,为5GNRLDPC的成功制定奠定了基础。 5G标准领域无疑是全球技术竞争高地,这里聚集了来自全球的顶尖人才,技术碰撞、思维博弈每天都在发生。对中兴来说,伟大就是无数次平凡、单调、枯燥地做同一件事。中兴的标准领域专家们有一个共同目标,那就是建成全球统一的5G生态系统,他们的创新之旅仍在继续,他们攀登技术高山的脚步从不停歇,因为,山,就在那里!
关键词:中兴 5G LDPC 信道编码