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“极化码之父”阿里坎:5G不只是4G的延伸,中国可以抢占先机

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发表于 2019-12-17 12:40:33 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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对中国公众来说,土耳其比尔肯大学是一所十分陌生的高校,可说是全无概念。但是来自这所高校的一位教授,却注定与中国的通信产业乃至公众的日常生活发生难以割舍的联系。
在一定程度上,是他让中国成为了真正意义上的通信基础规则“制定者”;未来,也将有更多中国消费者在使用 5G 服务时受惠于他发明的一项技术。
他就是 5G 极化码(Polar Code)之父——埃尔达尔·阿里坎(Erdal Arikan)。
2018 年 7 月,是阿里坎在中国的一个高光时刻。在华为深圳总部,任正非、梁华、徐直军、郭平、胡厚崑等核心高管悉数到场,迎接阿里坎并为之颁奖。在仪式开始之前,华为管理层们原地站立一二十分钟等待他的到来,这样的规格并不常见。
12 月 14 日,这位对中国 5G 影响深远的学者,登上《麻省理工科技评论》EmTech China 全球新兴科技峰会发表演讲,介绍了 5G 在未来扮演的角色,以及我们面临的各种挑战。

图 | 土耳其比尔肯大学教授埃尔达尔·阿里坎(来源:EmTech China)

阿里坎认为,虽然政府和公众都对 5G 有很高的期待,很多运营商都有雄心,政府也投入了大量补贴,但 5G 部署速度可能会比较慢。他说,“5G 是很好的,但是需要更多公众、政府的支持。”
对于每一个纵深行业来说,都需要以 5G 为基础设施,它的发展规模可能会比现在大十倍、百倍。在阿里坎看来,5G 会像高速公路一样,在经济发展中扮演非常重要的角色。所有数据从业人员、应用开发人员,都是需要依赖 5G 发展的。

因此,光靠电信部门自己力量太小了,在全球经济当中可能只有百分之几是由电信部门贡献。我们想要部署 5G 技术,一定要有政府支持,这样才可以实现尽快部署的目标。
未来 10 年,5G 的部署将会非常忙碌。中国将在其中扮演重要角色,而阿里坎发明的极化码,又对中国的 5G 战略至关重要。

图 | 土耳其比尔肯大学教授埃尔达尔·阿里坎(来源:EmTech China)

这就要从阿里坎的求学和研究经历谈起。
1958 年,阿里坎出生于土耳其首都安卡拉。1981 年,他在加州理工学院获得本科学位,随后赴麻省理工学院学习,并在 1985 年获得电子信息工程专业博士学位;2013 年,阿里坎因其对信息论的贡献,尤其是极化码的提出而获得 IEEE WRG Baker 奖;2017 年 12 月,他获得了 2018 年 Richard W.Hamming 勋章;2018 年获得通信理论领域最高奖“香农奖”。
2016 年 11 月,在 3GPP 会议的 5G 短码方案讨论中,经过两轮激战,在 5G eMBB(增强型移动宽带)场景上,华为等中国企业主推的极化码和美国主推的 LDPC 码二分天下,前者为信令信道编码方案,后者为数据信道编码方案。

极化码历史性地与 LDPC 码一起走进蜂窝移动通信系统。这是中国第一次实现从概念研发到标准、产品全链条参与的通信标准。
LDPC 码由香农的学生罗伯特·加拉格尔(Robert Gallager)在 1962 年提出,此前被选为 5G 数据信道编码方案。而阿里坎在麻省理工学院的博士导师就是加拉格尔。LDPC 码是一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码,几乎适用于所有的信道。而极化码是一种基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方法,在 5G 标准中采用。极化码对 5G 场景的适用性非常高,主要是因为它通过简单的删除以及代码缩短机制,可以提供优异的性能。
由于误码率接近于 0,极化码的可靠性可以达到 99.9%,这对于 5G 的超高可靠性来说是一个必要条件。因为编码简单,解码的复杂度也相对较低,所以极化码也可以降低终端能耗。这非常适合需要超低功耗的物联网应用。对于等效误码率,极化码比其他码具有更低的信噪比要求,因此可提供更高的编码增益和更高的频谱效率。
因此,多路径,灵活性和多功能性(对于多终端场景)等特点能更好地满足 5G 应用场景。要知道,编码和调制是无线通信技术的核心部分,在某种程度上甚至能体现一个国家通信科学基础理论的综合实力。这也就不难理解,为什么极化码入选之后会引起国内外这么大的舆论反响。
中国通信三十年,人们将此间演进概括为,“1G 空白、2G 跟随、3G 突破、4G 并跑、5G 引领”。3G 时代,中国自主研发了 TD-SCDMA 技术,因为背离了国际主流的 CDMA 而以失败告终;4G 时代,中国的 TD-LTE 技术有了一定突破,但其中的核心长码编码 Turbo 码和短码咬尾卷积码,仍旧不是中国原创。
由此观之,极化码取得胜利,让国外各大通信设备生产商在 5G 的通信设备中都会采用“华为的标准”,中国成了真正意义上的通信基础规则“制定者”。
追根溯源,极化码也正是阿里坎与中国缘分的起点。以下为阿里坎在 EmTech China 全球新兴科技峰会上的演讲:
大家好,今天我想给大家介绍的是机器通信挑战,以及它在 5G 时代会出现哪些变化和发展。
从昨天到今天,我一直在听大家的演讲。很多人都提到了人工智能、物联网、机器学习、虚拟现实、增强现实等等,大家介绍的很多新兴技术,还有技术趋同化的发展,这些其实都给我们带来了很多新的应用,这些应用也从概念变成了现实。
当然,这些技术是需要依赖于通信基础设施的,很多人工智能应用的研发人员都在期待 5G 时代的来临。今天我想跟大家介绍一下 5G 是否能满足大家的期待,5G 究竟是什么,以及 5G 将在这些新的应用市场中扮演何种角色。
首先,我们可以关注一下机器通信和它所应用的场景。比如说车与车之间的通信,还有车路协同、车人协同、交通管理、智慧城市、智慧电网、工业自动化、环境监测以及安保、个性化医疗服务等等。这些多样化的条目,覆盖了不同的行业领域,而且也适用于不同的技术,其中也涉及了不同的通信要求。
5G 的从业人员做了很多以任务为导向的开发项目,可以用三角形的框架来给大家展示一下 5G 扮演的角色。三角形的顶端是移动带宽,如果带宽不够,很难去做真正高质量的通信。在左下角是基于不同机器类型的通信,包括物联网的设备,其中一个非常典型的使用场景是智慧城市。而右下角要求就是超低时延以及超高可靠性的通信。

(来源:Erdal Arikan)

在三角形框架内还有一些其它的应用,有一些应用是可以归为同一个集合的,比如说有一些是依赖于无线通信,它可能覆盖不同的应用。对于通信工程来说,如果你没有标准化的工作、没有协议是不可行的。但是我们不可能单为某一个使用案例来打造出一个标准或者是协议,我们必须要把不同的使用案例结合在一起,为这一个合集开发出一个通信协议。
在这个框架中,所有的机器通信协议其实都是在信息物理系统中,在这个系统中,数据是在物理世界中提取出的,然后被输送到了数字世界中,比如说云端。这是一个循环过程,可以使用不同的分析方法,人也在这个循环之中,人在其中会去做一些决策,决策也会被传到现实世界。
那么 5G 在什么位置?实际上,5G 在这张图中就是信息物理系统的一个神经网络,它就像是我们信息世界和物理世界的架构一样。5G 是一个神经系统,它可以传输数据,同时它也可以把决策返回给现实世界。
现在我们还处在 5G 最开始的阶段,包括 eMBB,但这种超高可靠性、超低时延的服务,在目前阶段还没有办法完全实现,我认为还需要经过几个版本的更新之后,才能真正实现所有的 5G 功能。
未来 10 年,5G 还会有更多不一样的地方。很多国家都在打造下一代互联网,很多公司、国家都在部署下一代机器互联策略。
我认为中国也是一个有优势的国家,中国有很多互联网企业,在这个过程中可以抢占先机,利用这个新互联网的架构,打造出新一轮的应用。
现在的互联网是为人所设计的,并不是为机器所设计。未来一些互联网公司规模会比现在变得更大(可能 10 倍以上)。我认为到最后,我们会打造出一个针对机器设计的互联网,到时候会有很多产业部门从新网络架构中获益,包括车联网,以及数据驱动的决策过程。
如果 5G 能给我们提供这样一种网络基础设施,未来肯定会有很多改变、很多突破。5G 并不只是 4G 的延伸版,更是一个机器的网络架构。
新的机器类型的通讯可以为我们带来新的应用场景,从通信的角度来讲,我们也能看到一些 5G 的挑战。

(来源:Erdal Arikan)

首先就是带宽问题,带宽所指的是在数据外圈和核心之间,会有很多的数据流动,尤其是在无线网络,在边缘的无线端,只有有限的带宽资源可以使用,所以这时就会出现带宽瓶颈。我们可以让蜂窝变得更小,这样可以为我们带来更多的带宽,但这种做法也是有限制的。
还有低延迟挑战,很多应用场景都需要超低延迟。工业自动化以及有决策流程的应用场景,都需要非常小的延迟。现在的 4G 网络是没有办法提供低延迟的,5G 在设计中就可以为我们带来低延迟,基本上不到 1 毫秒。

(来源:Erdal Arikan)

还有可靠性挑战,在一些应用场景中,是不允许出现错误的。如果网络出现了问题,导致数据包丢失,最糟的情况可能导致撞车,出现致命事故。所以,对于这种技术的应用,我们一定要确保网络可以提供非常稳定、可靠的通信。
最后,AI 或新的机器通信应用,在开发时很可能面临不可避免的通讯限制,不过,5G 以及未来的通信技术,可以为我们提供非常好的通信基础设施。
5G 如何应对这些挑战?工程人员应当如何提供更好的带宽?我认为,想要提供更好的带宽,首先要更好地利用已有的频谱,也就是香农理论,我们要尽可能去使用还没有被利用的资源,把它们充分利用起来。如果可以在无线频谱中更好地使用已有的频谱,就可以增加已有的带宽。

(来源:Erdal Arikan)

还有多设备访问的问题,到时候会有几十亿物联网设备分布在全世界,它们会同时使用网络,多设备的运行速度可能会非常慢。所以我们需要去寻找一种新的多设备接入网络的计划。NoMa 是 5G 带来的一个新技术,而且 5G 也会带来新的频谱。我们可以重新去设计帧长度,可以把延时缩到更短。对于需要低延时的应用,我们也可以将更短的数据包作为解决方案。另外,我们还可以使用边缘计算,直接在边缘设备上进行数据处理,然后让数据经过核心,把指令发送出去,这样就可以减少延时。
在可靠度方面,我们需要有更好的纠错方法,由于蜂窝的体积更小,也为我们提供了更好的联通性。

(来源:Erdal Arikan)

5G 是否可以解决问题呢?我们面临着很大的挑战,机器通信的用户案例非常多样、非常广泛,所以不存在一刀切的解决方案。5G 是不可能解决所有问题的。
5G 到来之后,我们将会有一些专用的解决方案,产业组织也需要建立起新的标准。所以,在未来肯定会有很多的竞争。
但是,5G 或者其他任何的未来系统,都没有办法为我们提供一个完美的解决方案。我们需要接受这个现实,而且还需要建造一个更加完好的信息物理系统。
在未来,我们很有可能会面临着数据泛滥、不同机器类型数据造成的通信瓶颈、通信限制,以及成本问题,这些问题在我们设计信息物理系统的时候,都是需要予以考虑的。
谢谢大家的聆听,谢谢!

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