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華為的5G技術,源于這種數(shù)學方法

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近日,華為遭美國貿易制裁后,任正非的表態(tài)受到各大媒體關注。任正非對華為的5G技術充滿了信心:“華為的5G是絕對不會受影響,在5G技術方面,別的國家兩三年內肯定追不上華為?!?/div>

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近日,華為遭美國貿易制裁后,任正非的表態(tài)受到各大媒體關注。任正非對華為的5G技術充滿了信心:“華為的5G是絕對不會受影響,在5G技術方面,別的國家兩三年內肯定追不上華為。”

值得注意的是,任正非在接受采訪時提到,華為在5G的成就,離不開一位土耳其的科學家的貢獻:“5G標準是源于十多年前土耳其的阿勒坎教授的一篇數(shù)學論文……”、“十年時間,我們就把土耳其教授數(shù)學論文變成技術和標準。”

那么,這位土耳其科學家做了什么工作?這與華為的5G技術又有怎樣的聯(lián)系?

 

5G基礎:極化碼

 

1958年,埃達爾·阿勒坎(Erdal Arikan)出生在土耳其首都安卡拉,但他的求學生涯多在美國度過。1981年,阿勒坎在位于加州理工學院獲得本科學位,隨后他去了美國的另一所名校——麻省理工學院,于1985年得到電子信息工程專業(yè)的博士學位。值得一提的是,阿勒坎的博士生導師是美國人羅伯特·加拉格(Robert Gallager)教授。而加拉格的導師,也就是阿勒坎的師祖,則是大名鼎鼎的信息論鼻祖香農。

從這個意義上來說,阿勒坎在學術上可謂師出名門。而在博士畢業(yè)、回到故鄉(xiāng)土耳其的畢爾肯大學后,阿勒坎研究出了開創(chuàng)性的技術。

在畢爾肯大學這所并不算著名的大學,阿勒坎十年磨一劍,終于在2008年大功告成,發(fā)表了主要用于5G通信編碼的極化碼技術方案。

當年他發(fā)表的論文在2008年的IEEE期刊上,文章一共23頁,但作者只有他一個人。

這篇文章發(fā)表后,就被華為注意到了。

華為有很多科學家,研究能力***,他們評估了阿勒坎的論文,意識到這篇論文至關重要,因為其中的技術可以用于5G編碼。

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任正非向阿勒坎頒獎,以致敬其為人類通信事業(yè)發(fā)展所作出的突出貢獻。

于是,華為與阿勒坎取得了聯(lián)系,在這項技術的基礎上申請了一批專利,并且以阿勒坎的極化碼為基礎封鎖了一批專利。科技企業(yè)的國際競爭,是專利之爭,也是利益之爭,必須先下手為強。

而極化碼的數(shù)學原理是什么呢?大家可以看下圖這篇文章,大概需要有一些通信與編碼的基礎知識才可以看明白。當然如果具備線性代數(shù)或者群論的知識,那么只需要花下時間,肯定可以看懂極化碼的原理。

其實,極化碼看起來很復雜,但本質上還是一些矩陣的乘法,比如,如果要對4個比特的[u1 u2 u3 u4]用極化碼編碼,那會得到另外一個4比特的信號(碼字)[x1 x2 x3 x4]

,這等價于以下的矩陣乘法:

 

5G標準:師徒之爭

 

華為在極化碼的基礎上開發(fā)出5G通信技術后,迎來了至關重要的5G標準投票——若能取勝,就能掌握5G通信網絡的話語權。

在去年的5G標準投票中,華為推崇的極化碼,受到了美國高通公司的阻擊,高通推崇的是低密度奇偶校驗(LDPC)碼。

而LDPC碼的提出者,正是阿勒坎的導師加拉格。

所以,在這場5G通信標準之爭的背后,是一對師徒的技術之爭。當然,表面上是技術之爭,背后也有國家利益之爭。

以美國的高通為代表的通信業(yè)巨頭自然傾向于用美國人提出的編碼方法,但華為為代表的通信業(yè)新秀也希望在這個國際標準的制定中占據先發(fā)優(yōu)勢。在5G標準的制定中,經過復雜的博弈,最終形成了一個折衷方案:

LDPC碼成為數(shù)據信道的編碼方案;極化碼成為控制信道的編碼方案。

所以,這是一種現(xiàn)實的結果,華為雖然沒有完勝,但也沒有完敗。高通也一樣,***的結果就是大家一起發(fā)展5G,誰也別把誰踢走。

從技術層面來說,LDPC在1963就發(fā)明了,但受限于當時的硬件條件,同時因為缺乏可行的譯碼算法,所以此后30多年間基本被人們忽視。但隨著技術的進步,尤其是1993年貝魯?shù)热税l(fā)現(xiàn)了Turbo碼并用于3G與4G通信后,受Turbo碼啟發(fā),人們對LDPC碼進行了改進。結果發(fā)現(xiàn),LDPC碼的性能比Turbo碼更好。

所以,LDPC碼被認為一種比較成熟的老牌編碼方案,效果確實是不錯的。但極化碼的優(yōu)勢是計算量小,用小規(guī)模的芯片就可以實現(xiàn),比較適應于5G的小基站,而且采用這種編碼方法的硬件商業(yè)化后設備成本低,因此也***競爭力。

 

控制信道

 

上文提到,華為主推的極化碼主要用于5G的控制信道編碼,這是什么意思呢?

控制信道是用來傳輸指令和同步數(shù)據的,這就好像我們打開電腦時,電腦需要讀取硬盤上的信息,這就需要給硬盤通電,這個通電過程就是由控制信號來傳遞的。

所以,簡單地說,華為的5G極化碼方案爭取到了“給電腦硬盤通電的管制權”,而不是“傳輸硬盤上的電影數(shù)據的權力”。

從數(shù)據量來說,控制信道的數(shù)據量要小很多,碼塊長度一般在20-300比特之間——這就好像你不是要傳輸高清的電影數(shù)據,只是要把電腦打開,不需要那么多數(shù)據量來完成開機這個事情。而5G數(shù)據信道的碼塊長度要長得多,典型的數(shù)據量在3000~8000比特之間,而且碼塊非常多,其所傳輸?shù)臄?shù)據量比控制信道要高幾個數(shù)量級。

所以,從數(shù)據量大小來說,LDPC碼取得的勝利更大一些,但這也不表示極化碼失敗了。畢竟,極化碼是一個新秀,還沒有在實踐上經過千錘百煉,所以只能等5G大規(guī)模商用以后,我們再來評估極化碼的優(yōu)越性到底是不是真的好。

對于極化碼來說,長度為N的數(shù)據塊,其編碼的復雜度是O(N log N)。而根據祖師爺香農的判據,這已經到達了5G編碼的***極限。

所以,華為看好極化碼的未來,因為它極富理論優(yōu)勢。而且華為已經在5G產業(yè)化上走得很遠了。因此,我們不難理解華為的底氣:因為掌握了技術,即使遭遇貿易戰(zhàn),華為也有勝利的信心。

責任編輯:張燕妮 來源: 環(huán)球科學
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