第一屆5G算法創新大賽：Polar Code賽事評述

通信的過程是在接收端準確或近似地恢復在發送端所選擇的信息的過程。信道編碼是保證信息在隨機信道上高效和可靠傳遞的基本手段，也是現代通信系統的主要技術特征之一。通過信道編碼，通信系統能夠可靠地對付信道噪聲等所引起的隨機差錯，同時有效利用功率和頻率資源從而逼近信道容量。信道編碼一直是通信領域的基礎和核心問題，其每一次重大突破，都會引起通信系統的新一輪演進或變革。例如，20世紀90年代發明的Turbo碼，極大地推進了3G、4G無線通信技術的發展；與Turbo碼同期被重新發現的LDPC碼則為WiMAX、DVB以及深空通信技術帶來了全新的傳輸體制。

圖1 PolarCode——一種新型編碼技術

由E. Arikan在近年發明的Polar碼是繼Turbo碼之后編碼領域的又一重大突破。它作為第一種能夠嚴格被證明達到信道容量極限的編碼方案，具有很低的編譯碼復雜度和較好的譯碼性能。通過與循環冗余校驗（CRC）碼結合，能夠獲得超過Turbo碼和LDPC碼的糾錯能力。在譯碼復雜度相當的前提下，相比Turbo碼，Polar碼僅需更低的信噪比即可達到相同的誤碼性能：在無線通信常用的中長碼配置下，能夠獲得大約0.5dB的增益；短碼配置下甚至能夠獲得大于1dB的增益。隨著微電子器件工藝水平的提高、芯片處理能力的增加，通過采用相對更為復雜的譯碼算法，Polar碼還能進一步取得大于1dB的增益；而Turbo碼則由于其譯碼算法收斂特性，即使付出額外復雜度，性能也難以有明顯提升。在硬件實現方面，Polar碼具有規則一致的編譯碼結構，這使得Polar碼能夠以相同的編譯碼器，以1比特為變化步長，支持任意的輸入、輸出序列長度，從而獲得更高的編碼增益。此外，Polar碼還能夠實現超低復雜度的高吞吐率譯碼，已有公開報告表明，Polar碼譯碼器的較高吞吐率可達200Gbps以上！正因為如此，它有望成為5G無線通信系統新型編碼體制的有力競爭方案之一。

圖2：典型編譯碼技術的性能比較

近年來，Polar Codes得到了國內外5G標準化研發機構和學術界的強烈關注。這也是第一屆5G算法創新大賽（http://www.innovateasia.com/5g/）的重點方向之一。我有幸被邀請參與了Polar Codes競賽專題的評審工作。盡管編碼技術的研究和實現門檻較高、難度較大，但此次5G算法創新大賽仍然吸引了境內外大量高水平隊伍參加，包括來自清華大學、香港科技大學、西安電子科技大學、東南大學、北京郵電大學、電子科技大學等幾十所高校，有十余支入圍隊伍均表現出較高的專業水準。從各參賽隊伍提交的材料和答辯的情況看，各參賽隊伍對極化碼的原理和算法都進行了深入的研究和探索，部分還提出了頗具新意的譯碼算法和優化的實現結構，比如通過改進度量計算、存儲和排序以及控制等關鍵單元，獲得較優的時間和空間復雜度以及較好的糾錯性能等等。難能可貴的是，這次有本科生隊伍脫穎而出入圍復賽，表現出其扎實的知識基礎、突出的鉆研精神和較好的培養潛力。這次大賽，反映了青年學子對通信領域新技術的極大熱情和求知欲望，也反映了由興趣驅動、以問題為導向的國家人才培養機制改革探索所取得的顯著成效。這項活動對5G無線通信的技術研究、知識普及和人才培養是一個極大的促進。

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