《北京邮电大学教授牛凯:极化码理论新高度 构建人机6G四元空间》
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2019年6月,向电信、移动、联通和广电发放5G商用牌照,标志着中国正式进入5G商用元年.10月31日,三大运营商公布5G商用套餐,并于11月1日正式上线5G.作为首都,北京市的5G网络设施建设已经领跑全国.截至10月底,5G网络信号已覆盖六环内人口密集区域,城市副中心及新晋“网红”大兴国际机场也已完成核心区域信号覆盖.
与以往技术革命不同,中国此次在5G研发及标准制定方面均处于领先地位.一项先进技术从概念诞生到推广应用,离不开科技工作者在基础研究领域的默默耕耘,背后是十年如一日研究枯燥的数字,推导繁复的公式.北京邮电大学牛凯教授就是其中一员.他早在2010年就敏锐发现极化码在信道编码方面的优越之处,并立即着手研究与5G有关的纠错编码,他提出的极化码高性能编译码算法成为5G标准主流方案.
牛凯是北京邮电大学信息与通信工程学院教授,博士生导师,“泛网无线通信”教育部重点实验室副主任,中国电子学会与中国通信学会高级会员,信息论分会副主任委员.
纠错,确保数据万无一失
当下,微信或者支付宝已成为日常支付的常用方式,当你扫码付款时,是否担心出现付款100元而对方只收到80元的情况?事实上,这种出错几率微乎其微,但从理论上分析,仍然有小概率存在的可能.这是由于无线信号在数据传输中会受到各种噪声干扰而导致信息传输错误,因此,必须通过差错控制编码,即信道编码,确保数据可靠传输.
移动通信技术发展40多年来,信道编码技术只经历了两代.在3G和4G时代,差错控制编码主要采用卷积码和Turbo码.前者着重纠正信令与话音错误,后者重点保护业务数据,但两者难以从理论上证明渐近可达信道容量.相比这两种编码,极化码的理论优势是可以严格达到容量极限.由于应用极化码,5G的差错控制编码,有了革命性变化.
1948年,信息论创始人、美国科学家C. E.香农提出了著名的信道编码定理,认为理论上存在一些编码能够达到信道容量的极限,但香农并没有给出具体编码方法.如何构造好的编码以达到容量极限,是70年来许多科学家力图解决的问题.极化码最初由土耳其学者Ar?kan于2009年提出,是第一种达到信道容量的纠错编码,标志着信道编码理论的重大突破.
众所周知,一项理论诞生到真正投入应用,需要许多关键性研究以不断完善.从理论上看,极化码容量可达,但在实际移动通信应用中,码长和时延都是有限的,如何在各种工程条件限制下对原始性能进行有效改进,Ar?kan教授并未给出答案.基于极化码在纠错编码领域可能产生的巨大应用前景,牛凯在2010年着手组织团队开始极化码应用层面的理论研究.
经过四年连续的不懈钻研,通过多次公式推导及实验推演,牛凯及其团队提出了面向5G移动通信系统的高性能极化编译码理论体系.该体系针对5G时代高可靠及短时延信道编码需求,原创性地提出了CRC-Polar级联编码结构,设计了高性能的CRC辅助的SCS/SCL译码算法,一举超越了4G Turbo/LDPC码,被华为等多家公司的5G标准提案广泛引用,推动极化码成为5G差错控制编码标准.同时,为更好满足5G移动通信码长码率灵活变化的需求,牛凯还提出极化码有限码长构造理论,可以针对任意码长进行编码,进一步设计了高效率的极化编码HARQ机制,使得极化码可以应用于链路自适应传输.
这些工作大幅提升了极化码纠错性能,为5G移动通信系统应用极化码提供了高效解决方案.特别是CRC-Polar级联编码方案,具有显著的性能增益,若卷积码或Turbo码出错率为千分之一,那么在相同条件下,采用极化码则能将出错率降低到十万分之一以下,纠错性能提高了2个量级！牛凯及其团队的成果得到了国内外科学家的赞誉：“提出的SCL与SCS译码算法,相比原始的SC与BP译码算法,能够显著提升极化码译码性能”,“提出的SCH算法,是创新的混合译码方案,能够得到复杂度与性能的较好折中”,“提出的QUP凿孔算法,能够反映凿孔极化码的最小汉明距离优势”,“提出的IR-HARQ机制可以逼近仙农信道容量极限”等.
对于自己研究成果的应用前景,牛凯非常乐观,他强调,极化码从发明到应用只不多短短十年时间,只要通信系统追求高可靠性,极化码都有用武之地.未来,不只在移动通信领域,卫星通信、光纤以及水下通信等众多领域都将看到极化码的广泛应用.而伴随着5G网络不断成熟及6G概念的提出,高可靠性仍然是移动通信的关键需求,极化码的应用研究大有可为.
前瞻,构建6G四元空间
与4G相比,5G在峰值速率、用戶体验数据速率、频谱效率、时延及连接密度等多方面实现全方位提升.从移动通信技术整体演进历程分析,满足用户通信需求依旧是每代系统革新的首要目标,而新的通信技术为系统演进提供驱动力量.
5G可以归纳为三大应用场景.第一类为增强移动宽带业务,即在现有移动宽带业务场景基础上,追求人与人之间极致的通信体验;第二类场景为海量机器类通信,即大规模物联网,是人与物之间的海量信息及时交互;第三类场景为高可靠超低时延通信,主要体现物与物之间的通信需求,典型场景是车联网,如自动驾驶,不依赖于人而是车与车之间自动进行信息交互.因此,5G主要涉及人类社会、信息空间、物理世界（人、机、物）这三个核心元素.
牛凯认为,在未来第六代移动通信系统中,网络与用户将被看作一个统一整体,用户的智能需求将被进一步挖掘和实现,并以此为基准进行技术规划与演进布局.人工智能在6G的应用是大势所趋,以人工智能、边缘计算和物联网为基础,实现智能应用与网络的深度融合,实现虚拟现实、虚拟用户以及智能网络等功能.在人工智能、新兴材料和集成天线相关技术驱动下,6G的长期演进将产生新的生产方式及商业模式,甚至构建目前无法想象的新世界.
因此,基于5G人、机、物的基础上,结合现有人工智能技术,展望未来10～20年,牛凯及其团队提出了6G时代的第四个核心元素——灵.灵存在于虚拟世界,基于实时采集的大量数据和高效机器学习技术,不需要人工参与即可实现通信和决策制定.灵可以作为 6G 用户的人工智能助理,提供强大的功能.由于不受智能终端具体物理形态的限制,灵具有个性化、沉浸式、自主真实用户的能力.牛凯举例说,家中有老人生病了需要子女陪伴时,可以派一个虚拟空间,灵完全模拟子女的思维,可以与老人顺畅交流,事情.牛凯预测,未来6G时代,通信对象将十倍百倍乃至千倍地增长,并极大满足人类精神世界需求.
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