中国5G测试——极化码

张碧军 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

陈大庚 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

王光健 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

沈辉 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

王俊 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

中国5G测试
——极化码

张碧军 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

陈大庚 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

王光健 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

沈辉 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

王俊 华为技术有限公司通信技术实验室工程师

针对ITU定义的3种典型应用场景，必须以革命性的基础技术创新来提升网络性能，高效信道编码技术是实现其目标的关键途径之一。本文首先对极化码的基本原理及对应的编解码链路框架进行介绍，接着介绍极化码在中国5G测试背景下，在低频与高频下的测试情况。最后，丰富的测试例及测试结果表明，极化码对ITU定义的3种典型应用场景提供了强有力的技术支撑。由此可见，极化码已为5G关键技术选型做好了充分的准备工作。

极化码；ITU；5G；应用场景

1 引言

国际电信联盟（ITU）定义了5G的3种典型应用场景，分别是增强型移动宽带（eMBB）、低功耗大连接物联网（mMTC）和低时延、超可靠通信（uRLLC）。上述3种典型应用场景对终端上网峰值速率、单位面积终端链接数量、低时延高可靠通信均提出了相应技术指标，以满足增强虚拟现实、视频直播、海量物联网设备接入、远程医疗、自动驾驶等5G时代的典型应用。

中国5G技术研发试验自2016年1月份启动，分为关键技术验证、技术方案验证和系统验证3个阶段。据IMT-2020（5G）推进组介绍，第一阶段关键技术包括大规模天线、新型多址、新型多载波、新型编码调制、高频段通信等7个无线关键技术。目前，相关系统厂商已就上述技术验证了在支持Gbit/s用户体验速率、ms级端到端时延、每平方公里百万连接等多样化5G场景需求的技术可行性。

5G要实现的10～20Gbit/s的峰值速率、千亿的连接、1ms的时延能力，必须以革命性的基础技术创新来提升了网络性能。高效信道编码技术以尽可能小的业务开销增加信息传输的可靠性，信道编码效率的提升将直接反映到频谱效率的改善。构造可达到信道容量或者可逼近信道容量（Shannon限）的信道编码方法，及可实用的线性复杂度的译码算法一直是信道编码技术研究的目标。

2008年，Arıkan在国际信息论ISIT会议上首次提出了信道极化（ChannelPolarization）的概念，并于2009年在《IEEETransactiononInformationTheory》期刊上发表的一篇论文中进行了更详细的阐述，同时基于信道极化给出了一种编码方式，起名为极化码（Polar Codes）。极化码具有确定性的构造方法，并且是第一种、也是已知的唯一一种能够被严格证明“达到”信道容量的信道编码方法。近些年，针对极化码的研究，主要集中在如何提高译码效率同时获得逼近ML的译码性能。由于极化码的构造是基于串行抵消（SC）译码算法优化设计的，因此，对于译码算法的改进也应当是基于SC译码过程的。SC译码算法可以看作是在极化码码树上的一种路径搜索过程，通过改进树搜索算法可大大提高译码性能。一种是基于广度优先搜索的串行抵消列表（SCL）算法首先被提出，通过并行地搜索多条路径降低ML路径丢失的概率，从而达到接近ML译码的性能。在数字通信系统中，循环冗余校验（CRC）码是一种应用极其广泛的纠错编码。从信息论的角度来看，能够通过CRC校验是一个关于待译码序列的先验信息，利用好这一先验信息，理论上就有可能

提高译码性能。在配置了极化码的场景下，这些候选路径中具有最大后验概率的一条会被输出作为译码结果，而如果信息序列中包含有CRC比特，那么就可以直接选择能够通过CRC校验的那一条候选路径。由于CRC校验漏检概率非常低，因此用这种CRC辅助（CA-SCL）的译码方案可大大提高其译码性能。

2 极化码简介

2.1 极化码基本原理

极化码作为目前唯一可理论证明达到香农极限，并且具有可实用的线性复杂度编译码能力的信道编码技术，成为下一代通信系统（5G）中信道编码方案的强力候选者。极化码构造的核心是通过“信道极化”的处理，如下图1所示，在编码侧，采用编码的方法使各个子信道呈现出不同的可靠性，当码长持续增加时，一部分信道将趋向于容量接近于1的完美信道（无误码），另一部分信道趋向于容量接近于0的纯噪声信道，选择在容量接近于1的信道上直接传输信息以逼近信道容量。在译码侧，极化后的信道可用简单的逐次干扰抵消译码的方法，以较低的实现复杂度获得与最大似然译码相近的性能。

图1 极化码原理

2.2 基于极化码的编解码链路框架

基于极化码的编解码链路框架如图2所示。在发射端，采用极化码作为信道编码方案。同LTE系统的Turbo信道编码方案近似，在发射端，同样需要将传输块（TB）分割为多个码块（CB）、码率匹配（RM）等功能模块。在接收端，首先进行解码率匹配（De-RM），然后解码多个码块并级联成独立的传输块。不同于Turbo解码方案，极化码译码采取如SCL算法对每个码块进行译码。SCL译码算法复杂度依赖于搜索宽度。对于搜索宽度为32的SCL译码算法，相比8次迭代的Turbo译码复杂度还要低。对于Turbo编解码框架，可参考3GPP协议规范文档。

3 极化码测试

3.1 极化码在低频中的测试

在中国5G技术研发试验第一阶段关键技术测试中，华为首次针对低频，在实验室与外场环境下，做了极化码与Turbo码的对比性能测试。为充分对比二者性能，设定两种资源块（RB）个数，同时结合不同调制编码级别（MCS）下的组合，分别就长码长与短码长两种情形进行对比测试。同时，考虑减小信道时变对极化码与Turbo的不同影响，将二者配置在上行的两相邻时隙进行同时传输。测试拓扑配置、硬件规格、空口规格以及测试例与对应性能见下文。

3.1.1 测试拓扑配置

在关键技术极化码与Turbo的对比测试中，实验室测试配置与外场测试配置如图3所示。

图3左边由信道模拟仪建模不同信道模型及终端不同接收信噪比，从而可评估不同信道条件、信噪比下二者性能对比。图3右边为外场空口测试配置，测试空口环境下，二者性能对比。

3.1.2 测试硬件规格及空口规格

在对比测试中，硬件规格与空口规格如表1所示。

在一阶段测试中，基于LTE帧结构，下行采用空频编码（SFBC），上行采用单发多收（SIMO）模式进行性能对比测试。

3.1.3 测试例设计及测试结果

图2 极化码编解码链路框架

为充分对比极化码与Turbo性能，设计了如表2所示的测试例。考虑实验室经过信道模拟仪的测试及外

场终端静止与移动下的测试。无论哪种测试例，都测试长码长与短码长下极化码与Turbo的性能。如何配置长码长与短码长，可参考表3。其中，4RBs组合3种MCS对应短码长而100RBs组合3种MCS对应长码长。

图3 极化码在低频测试拓扑配置示意图

表1 极化码在低频硬件规格及空口规格

表2 极化码在低频的测试例

表3 长/短码配置

实验室长码长与短码长对比测试结果如图4所示。其中，信道模拟仪建模信道采用EPA信道模型，对比性能情况总结如下：

●在长码长情况下，极化码相对Turbo在1% BLER时的性能增益为0.5～0.9dB。

●在短码长情况下，极化码相对Turbo在1%BLER时的性能增益为0.45～0.9dB。

外场终端静止长码长与短码长对比测试结果如图5所示。其中，外场终端静止时，通过调整终端发射功率来测试不同MCS条件下的BLER性能，对比性能情况总结如下：

●在长码长情况下，极化码相对Turbo在1%BLER时的性能增益为0.35～0.6dB。

●在短码长情况下，极化码相对Turbo在1% BLER时的性能增益为0.35～0.48dB。

外场终端移动长码长与短码长对比测试结果如图6所示。其中，外场终端低速（约5km/h）移动场景下，同时选择一种MCS=11，测试BLER，情况如下：

●在长码长情况下，极化码相对Turbo可以获得约0.37dB的性能增益。

●在短码长情况下，极化码相对Turbo可以获得约0.34dB的性能增益。

3.2 极化码在高频中的测试

在中国5G技术研发试验第一阶段关键技术测试中，华为首次针对高频，在实验室环境下，

测试了极化码在单用户与多用户MIMO情形下的性能。测试拓扑配置，硬件规格、空口规格以及测试例与对应性能见下面小节依次介绍。

图4 极化码在低频实验室测试性能对比

图5 极化码在低频外场静止测试性能对比

图6 极化码在低频外场移动测试性能对比

3.2.1 测试拓扑配置

在关键技术极化码在高频下的测试，实验室测试配置如图7所示。可见，当测试单用户时，只有一个终

端存在；当测试多用户时，两个终端同时存在。无论是单用户还是多用户场景，都有视距（LOS）与非视距（NLOS）两种情形。

图7 极化码在高频测试拓扑配置示意图

3.2.2 测试硬件规格及空口规格

针对高频环境极化码的测试，硬件规格与空口规格如表4、5所示。

3.2.3 测试例设计

及测试结果

针对高频下极化码测试，在一阶段测试中，设计了单用户与多用户两种场景进行性能测试。实验室环境单用户测试、单用户峰值与平均吞吐率如图8所示。

极化码在单用户时，测试性能总结如下：

●单用户峰值吞吐量可达14.1Gbit/s。

表4 极化码在高频测试的硬件规格

表5 极化码在高频测试的空口规格

●单用户平均吞吐量13.92Gbit/s。

实验室环境多用户测试，小区（多用户）峰值与平均吞吐率如图9所示。

极化码在多用户时，测试性能总结如下：

●小区（多用户）峰值吞吐量可达27.1Gbit/s。

●小区（多用户）平均吞吐量为26.49Gbit/s。

4 极化码支持ITU定义的3大应用场景

针对中国IMT-2020（5G）推进组第一阶段的5G空口关键技术验证测试需求，华为首先在2016年4月份完成了低频下极化码的性能对比测试。静止（实验室环境与外场环境）和移动（外场环境）场景下，选择短包和长包，极化码性能增益都表现稳定。接着，又首次测试了极化码在高频ms波频段下单用户/多用户下的性能。测试结果表明可以实现小区（多用户）高达27Gbit/s的业务速率。测试结果表明，利用极化码这种信道编码技术可以同时满足国际电信联盟ITU定义的高速率、低时延和大连接的5G 3大类应用需求。

图8 极化码在高频实验室单用户测试性能

图9 极化码在高频实验室多用户测试性能

5 结束语

为满足国际电信联盟ITU定义的3大应用场景的性能指标需求，新空口技术是5G区别于传统通信技术最革命性的创新，同时也必须以革命性的基础技术创新来提升网络性能，才能最终满足其性能指标需求。华为通过多种新空口技术（如稀疏码多址、滤波的OFDM、极化码等）的组合，总体可使5G空口提升3倍频谱效率。在中国IMT-2020（5G）推进组第一阶段的5G空口关键技术验证测试中，针对极化码，华为在低频、高频场景下，组合各种配置，做了大量的性能验证测试。测试结果表明，极化码对ITU定义的3种典型应用场景提供了强有力的技术支撑。可见，极化码已为5G关键技术选型做好了充分的准备工作。

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China 5G test-polar codes

ZHANG Bijun,CHEN Dageng,WANG Guangjian,SHEN Hui,WANG Jun

Aiming to three kinds of 5G key application scenarios defined by ITU,revolutionary technologies are needed to improve network performance.Among them,efficient channel coding is one typical candidate to arrive at KPI required by those key application scenarios.In this paper,the basic principle of polar codes and the framework of encoding and decoding of it are firslty introduced.Next,the tests in low frequency band and high frequency band of polar codes are described at the backgroud of China 5G Trial.Finally,it’s shown via those rich test results that polar codes can provide strong technical support for those three kinds of key application scenarios.In a conclusion,polar codes has been ready as a 5G candidate technology.

polar codes;ITU;5Gl;3 kinds of 5G application scenarios

2016-10-25）