3GPP关于5G新空口信道编码方法讨论(基于RAN1 #84bis和#85会议纪要提炼)

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2016年11月18日结束的3GPP RAN1 #87次会议上，Polar码被选作eMBB场景下控制信道的编码方案。此前，在2016年10月18日结束的RAN1 #86bis会议上，LDPC已经决定作为eMBB数据信道编码方案。从2016年4月RAN1 #84bis会议开始，历经RAN1 #85、RAN1 #86、RAN1 #86bis及RAN1 #87，历经半年多的5次3GPP会议讨论和线下邮件讨论过程，eMBB场景的信道编码方式最终明确，预示着5G离大家的步伐越来越近了，可喜可贺。

HUAWEI一直认为，Polar码应该成为eMBB场景下数据信道和控制信道的唯一选择，从最终结果看，虽然不能大获全胜，却仍然能平分天下，因此业界一片欢腾，为国内技术方案入选和HUAWEI的努力而欢庆。但是，成功的背后有着无尽的艰辛，技术的优劣更需要深入分析和讨论。虽然eMBB信道编码方式的选择已有定论，但是透过3GPP历次会议的提案和讨论过程，仍然能够让大家在会场的战火停息之际，重温那些充满硝烟的技术和实力的竞争，领略技术的魅力和会议的精彩之处。

下文以各次会议的3GPP报告为准，借助信道编码部分的描述和相关提案，来捋出eMBB信道编码选择过程中的取舍与纷争。需要说明的是，笔者并没有实际参会，对信道编码研究也有限，因此如有问题和错误，还请大家多多指出和指教。

一、        RAN1 #84bis会议

1.会议总体情况

2016年4月11号到15号在韩国Busan进行的RAN1 #84bis会议是5G新技术SI(Study Item)的起点。对于不同信道编码的总体支撑情况如下：
•HUAWEI认为Polar码适用于各种场景(user cases)，但同时也认为Polar coding是控制信道编码的一个较好选择。
•Ericsson和LGE支撑Turbo coding，并认为Turbo coding在各种场景(user cases)下均适用。
•Samsung、Qualcomm、ZTE、Intel、索尼和Nokia都支撑LDPC，但是具体实现方式上有区别。

会议中一些重要内容如下：
-Samsung联合Nokia、Huawei、ZTE、Intel和Qualcomm等几家企业对Turbo coding进行了评估，认为应该取消Turbo coding。
-Ericsson展示了Turbo编码相对于LDPC的优势，其他企业认为只采用较大的码块来对Turbo编码进行估算导致结果缺乏公平性，但是仍同意将Turbo编码作为5G新空口的候选方案。
-HUAWEI对Polar码和Turbo码进行了比较，其它企业对二者的性能差异有疑问，HUAWEI需要与研发人员确认。
-Qualcomm、ZTE、索尼和Interdigital认为应该研究outer eraser codes。Nokia与其它几家企业认为应该尽快确定模拟仿真的假设条件。

最终会议决议为：
-LDPC、Polar、Turbo以及卷积码为5G新空口的候选方案。
-明确了仿真假设条件，以便启动编码算法的评估工作。
-编码算法评估时也应考虑其他一些方面，比如性能、实施的复杂性、编解码时延、灵活性(如不同编码长度、码率、HARQ等)。

2.关键信息摘录

从3GPP会议报告中提取部分讨论过的提案信息，供大家参考学习。由于篇幅所限，不能涵盖全部讨论内容，具体细节还需要借助报告全文和具体提案来研究。

作为5G新空口的首次讨论会，针对信道编码，各厂家从5G的场景和性能需求出发，分析了采用新的编码方式的必要性、新编码方式的备选方案、新编码方式的评估方法等。

2.1        新编码方式的必要性
参考提案：
-SAMSUNG的R1-162181 Channel coding for 5G new radio interface
-Nokia和上海贝尔的R1-162896 Channel coding requirements for next generation radio access technologies
-CATR的R1-163130：Considerations on channel coding for NR
-Nokia和上海贝尔的R1-163274：Evaluation methodology for 5G New Radio channel coding

空中接口设计中，信道编码尤为重要，因为它可以使得无线通信的容量接近香农极限的理论值。正因为其重要，所以研究力量很大。近几十年来这方面成果有Turbo、LDPC、Polar码等。3GPP的信道编码从R99以来就没有变过，即使UE数据速率从WCDMA的384Kbps达到LTE的450Mbps(Cat9)，Turbo码还一直在沿用。考虑到5G新空口后向兼容性要求低，其性能需求比LTE大很多，因此是机会考虑采用新的信道编码机制了。

为了选择合理的信道编码，就需要了解场景和应用需求，以及它们对信道编码的要求，还有它们对未来设备和终端的性能影响。即使2种编码方式的性能相同，其实现复杂度则可能有天壤之别。尤其对UE来说，解码复杂度对其性能影响一定要加以考虑。

5G新空口信道编码的关键需求

eMBB        m                                                       MTC                                                       URLLC
高吞吐量下具有好的错误(error)性能         低吞吐量下具有好的错误(error)性能        低/中吞吐量下具有非常好的错误(error)性能
能效高                                                易于实施(implementation)                         编解码时延低
芯片效率高        能效高                                非常低的错误平层(error floor)              编解码时延低               

关于硬件复杂性。对于20Gbps吞吐量的解码性能，需要对硬件复杂性提供定量或者定性分析(针对新的信道编码和LTE Turbo码同时进行)。LTE对于5Gbps以上尚无商用产品，而在高达Gbps的802.11ac/ad和10GBASE-T局域网中，LDPC已经广泛商用化。众多研究也表明Turbo码不适于Gbps的部署要求。Turbo码在BLER=10-4时，错误平层(error floor)就开始出现。
       
提议包括：
•新空口中，对于可靠性，应当避免错误平层(error floor)。
•RAN1中，选择信道编码时，硬件复杂性应当是一个关键因素，其细节有待商榷。
•除了精简复杂性，其它因素如编解码时延以及5G KPI相关的极低错误率时的性能也应当加以考虑。
•码块大小和码率的灵活性非常重要，SI阶段RAN1应该考虑。
•控制信道、广播信道和数据信道的编码算法应该独立设计。
LTE中广播和控制信道采用RM和TBCC，数据信道采用Turbo，因为不同信道的有效载荷和需求不同，5G新空口应该与此类似。提议(Proposal) 2：新空口中，高可靠性传送条件下应该避免错误平层(error floor)。
•新空口中，对于可靠性，应当避免错误平层(error floor).
LTE中，数据信道采用Turbo有很多优势，但是，Turbo码也有明显的缺点，其中之一就是解码错误平层(error floor)。新空口中，可靠性的目标是1-10-5，所以Turbo码难以满足新空口可靠性的需求。

2.2        新编码方式的选择
参考提案：
-Nokia和上海贝尔的R1-162896 Channel coding requirements for next generation radio access technologies
-CATR的R1-163130：Considerations on channel coding for NR
-R1-163662：Way Forward on Channel Coding Scheme for 5G New Radio

针对eMBB、mMTC以及URLCC各种场景，可能需要采用不同的编码方式，建议如下：

•RM、TBCC、Polar码可考虑用于广播和控制信道。
•Turbo、LDPC和Ploar可考虑用于数据信道。
在IMT-2020发布的"《5G无线技术架构》白皮书"中，提到了LDPC，它在大带宽和高速率场景下适用。LDPC有2种类型，binary LDPC和Q-ary LDPC，后者在错误监测和校正方面的性能更优，且能更好地与高阶调制相配合，但其解码复杂性也较高。研究结果表明，Polar码对于小包传送具有更好的性能，可以有效去除解码的错误平层(error floor)，另外，其解码复杂度也相当低。

•应当根据5G场景和KPI需求选择编码方式。
•eMBB应当从Turbo、LDPC和Polar中考虑选择一种编码。
•mMTC和URLCC场景应当考虑将eMBB的信道编码算法作为基准(baseline)，如果具有较强的优势，才考虑引入其它编码。
•mMTC和URLCC采用的信道编码算法与eMBB不同，则应该采用简单的信道编码算法。

SAMSUNG、Nokia、Qualcomm、ZTE、Intel以及HUAWEI共同总结的R1-163662文稿中，提到5G新空口所需考虑的信道编码种类有：
•LDPC code
•olar code
•Convolutional code(卷积码)

会议讨论后，添加了Turbo code (LTE and/or enhanced turbo coding)，对于Turbo code，也标注可以使用LTE以及/或者增强Turbo编码，并认为上述各种编码方式之间的组合使用也不排除(not precluded)，Outer erasure code也不排除(not precluded)。

不同场景下的备选编码方案会议决议如下：

场景                         eMBB        mMTC            URLLC
备选方案                LDPC          卷积码           卷积码
                        Turbo        LDPC                   LDPC
                        Polar                Polar                   Polar
                        Turbo        Turbo           Turbo

2.3        新编码方式评估方法

参考提案：
-SAMSUNG的R1-162181 Channel coding for 5G new radio interface
-Nokia和上海贝尔的R1-163274：Evaluation methodology for 5G New Radio channel coding

关于新编码的评估工作，本次会议对仿真过程和方法进行了分析，明确了仿真关键参数，一些建议信息摘录如下。需要说明的是，由于各厂家思路不同，这里也只是将一些想法和加以罗列出来，未加详细整理，所以如有冲突，也还请参考提案原稿分析。

-对于eMBB、URLLC以及mMTC，应当明确评估参数。初始评估可考虑采用AWGN信道下的QPSK调制方式。
-首先评估实现和down-select(采用排除法进行选择)的可行性。
-对灵活性和评估参数进行明确定义。
-评估编码性能和down-selec t(采用排除法进行选择)建议，选择出最恰当的编码方式。
-算法选择中，解码时延、数据存储和功耗应该仔细评估。
Turbo基于序列编码，解码实现和存储时间都相当高。对于新空口，通常情况下，大多数用户的数据速率可能达到1Gbps，因此Turbo码是否能够满足解码时延、数据存储和功耗等性能需求还不太明确。

会议还一致通过了针对eMBB、mMTC和URLLC的编码仿真参数。

2.4        HUAWEI关于Polar码的提案

此次会议上，HUAWEI和海思联合提交了3篇提案，在对LTE现有信道编码算法分析的基础上，提出了5G系统中引入新的信道编码算法的必要性，并提供了新的信道编码算法评估方法。

R1-162149                Considerations on evaluation of new channel coding schemes
R1-162160                Motivation of 5G new FEC
R1-162161                Overview of Polar Codes

关键信息摘录如下。

-eMBB：信道编码算法应当支撑大范围的数据速率，从10~20Gbps的极高速率甚至更高(如毫米波)，到10多比特的极低速率(如即时消息和控制信令)。因此，编码在速率适配和增量冗余方面需要非常灵活，以便对不同的数据块大小以及不同信道条件下的数据速率进行处理。另外，数据和控制面的不同时延要求也应当满足，因此对编解码的复杂性有所限制。
-mMTC：信道编码算法通常需要支撑小包(几十到几百字节)，编解码时的能效要求高，以提高设备的寿命。
-uRLLC：信道编码算法应当保证极低时延下小包的可靠性。

关于LTE Turbo码，HUAWEI认为其在5G系统中的应用存在障碍，而TBCC虽然适用于控制信道等小包传送，但是仍然不够强壮。具体陈述如下：

-对于大包，Turbo码的交织和迭代时延可能存在严重障碍。
-对于小包，Turbo码的BLER性能较差。比如，PDCCH(1A格式)只有29个信息比特，采用Turbo码时这么短的包难以获得足够的性能增益，因此LTE中采用TBCC而不是Turbo处理小包。
-LTE中，Turbo码从母码率1/3中puncture(消减))和重复编码比特以满足目标码率，对于一些码率远高于或者低于1/3的码率，性能就可能较差。
-LTE中，Turbo码因为组成编码器的最小距离，其BLER具有错误平层(error floor)。URLLC要求小包的BLER在10-5到10-6之间，因此错误平层(error floor)问题使得Turbo码不再适用于URLLC。
-关于LTE中的TBCC，对于小包的性能增益较高，且从实施效率看卷积码较为经济。对于5G控制信道需求，如URLLC下的高可靠性以及毫米波下的波束追踪，小包都需要更为强壮的编码算法。

因此，5G系统中，大包需要更高的解码性能，小包需要更好的错误修正性能，且编解码复杂性要求更高，因此需要新的编码方式。

对于Polar码，具有以下特点：
-较高的可靠性：Polar码没有错误平层(error floor)，且几乎没有重传。
-较好的BLER性能：适于需要高可靠性且采用小包传送的URLLC场景。
-大包的解码吞吐量高：可以支撑10Gbps-20Gbps的吞吐量。
-比TBCC的增益更高：对控制信道的可靠性有帮助。
-可以构造任意长度的Polar码：与Turbo码相比，Polar码在速率适配方面更为灵活，对性能有利。

关于如何对不同的编码方式进行评估，HUAWEI提出以下建议：
-提议(Proposal) 1：需要采用链路级仿真来评估信道编码算法，起点为AWGN信道，然后再考虑衰落信道和ETU信道。
-提议(Proposal) 2：应当考虑信道编码的复杂性。
-提议(Proposal) 3：应当对不同场景(eMBB、mMTC和URLCC)进行评估。
-提议(Proposal) 4：对于eMBB和mMTC，对小包、中包和大包都要进行评估，评估标准为SINR-BLER性能。
-提议(Proposal) 5：对eMBB和mMTC，HUAWEI提出了评估参数。
-提议(Proposal) 6：对于URLLC，采用X=[190, 300]字节，根据TR38.913中的定义来评估可靠性。
-提议(Proposal)7：对URLCC，HUAWEI提出了评估参数。

二、        RAN1 #85会议

1.        会议总体情况

许多企业对eMBB的候选编码方式没有改变，但是对于其他场景有些新看法。比如，对于URLLC和控制信道，高通、Interdigital和ZTE等企业从LDPC/TBCC转向Polar码。

Ericsson和LG也认为LDPC适于高吞吐量，但是他们也认为Turbo码值得继续研究，CMCC和Orange也予以支撑。对于mMTC和控制信道，Ericsson和LG支撑TBCC。

HUAWEI仍然是唯一一个建议所有场景下均采用Polar码的企业，因此反对将LDPC作为高吞吐量场景下的编码方式。

大多数企业接受eMBB编码是目前阶段的要务。然而，由于各企业的观点不同，因此编码方式筛选工作有些难度。RAN1 #85会议中，各企业采用不同的策略来缩减eMBB编码算法。讨论中，SAMSUNG、高通和ZTE建议只考虑LDPC和Polar码，而Nokia、Ericsson和LG建议考虑LDPC和Turbo，最终会议未达成决议。

eMBB编码算法：LDPC机会较高。具体情况如下：
        高通、Nokia、Intel、SAMSUNG和ZTE认为LDPC是唯一选择。
        Ericsson、Orange和CATT认为Turbo和LDPC可同时考虑。
        HUAWEI认为Polar是唯一选择。

URLCC编码算法：Polar码支撑度高。
        HUAWEI、高通、ZTE、Interdigital、Mediatek等支撑Polar码。
        Nokia和Ericsson支撑卷积码和LDPC/Turbo。
        SAMSUNG和Intel支撑LDPC。

mMTC编码算法：TBCC的支撑性较好。
        HUAWEI、高通、Interdigital、Mediatek等支撑Polar码。
        Nokia、Ericsson、Intek和SAMSUNG支撑TBCC。

2.        关键信息摘录

2.1        LDPC和Turbo性能对比

参考提案：Intel的R1-165641:Comparison of coding schemes for NR

报告对LDPC和Turbo进行了复杂的对比，结论如下：

-对于非理想(suboptimal)的解码器来说，要想获得同样的性能，相比Turbo解码器(max-log-MAP+ extrinsic scaling)来说，LDPC(minSum+Offset)只需要43%~22%的操作。
-对于非理想(suboptimal)的解码器来说，对于较小的包(如128)，要想获得同样的性能，相比Turbo解码器(max-log-MAP+ extrinsic scaling)来说，polar (minSum + Offset)只需要88%-47%的操作。
-对于非理想(suboptimal)的解码器来说，对于较大的包(如6144)，要想获得同样的性能，相比Turbo解码器(max-log-MAP+ extrinsic scaling)来说，polar (minSum + Offset)需要119%-65%的操作。

由此得出结论，新的LDPC/Polar编码算法比Turbo码的复杂度有所降低。
详细比较结果采用表格显示，请参见提案原稿。

2.2        不同编码方式的仿真结果对比

参考提案：
ZTE的R1-164277：Evaluation on performance and complexity of channel coding for NR

文稿中对不同候选编码算法进行了仿真对比，观察到以下结果：

-对于较短的码块来说，LDPC码、Polar码以及Turbo码的性能曲线非常接近。BLER=0.1时，LDPC与Turbo码的SNR差异不大于0.1~0.2dB。
-对于中等码块来说，LDPC码、Polar码以及Turbo码的性能曲线也非常接近。BLER=0.1时，LDPC-Turbo与Polar-Turbo码的SNR差异在0~±0.2dB范围内。
-对于较大的码块来说，LDPC码、Polar码以及Turbo码的性能曲线也非常接近。
-Turbo解码器的操作量随着acquisition长度增加而提升，意味着码率提高时，Turbo码的复杂度增加。
-Turbo解码器的操作量随着并行数的增加而提升，意味着吞吐率提高时，Turbo码的复杂度增加。
-LDPC解码器的操作量随着码率的增加而降低，意味着LDPC解码器在高码率场景下复杂度相对较低。
-相对于Turbo解码器，并行数对LDPC复杂度的影响较小。意味着LDPC较适合于高的并行处理。进一步来讲，LDPC适用于高吞吐率场景。
-Polar码的计算复杂度随着SC、SCL以及CA-SCL的级数而增加。对于固定长度的TBS，当码率增加时，Polar码的计算复杂度也增加。

基于上述观察结果，得出结论如下：
-通常来讲，在AWGN信道和QPSK调制下，BLER=0.1时，LDPC码、Polar码以及Turbo码的性能差不多。
-LDPC比Turbo和Polar码的复杂度低。

2.3        Polar性能分析

参考提案：
HUAWEI的R1-164377：Performance of channel coding schemes for eMBB scenario       

对Polar码和LCPC以及Turbo进行了各种对比，观察到Polar码比Turbo码的性能增益高1.2dB，比LDPC高1.5dB以及其他多种结论，认为Polar码在eMBB中的应用还有待进一步研究。

2.4        大小包不同方案分析

参考提案：
Nokia的R1-165357erformance of eMBB channel coding candidates
R1-165360: Selection of the eMBB channel coding scheme

R1-164357主要进行小包分析，分析结果认为，对于控制信道和长度较小的数据信道，可采用TBCC或者Turbo码。对于mMTC和URLCC以及下行控制信道，TBCC和Turbo码优选于LDPC和Polar码。

R1-164360主要进行大包分析，分析结果认为，Turbo码适于各种码率以及各种信息块长度。如果证明Turbo无法达到峰值速率，则在高码率+大信息块长度的条件下，可以考虑LDPC。新空口中，Polar码的优先级较低。

2.5        会议报告中的Way forward信息摘录

R1-165657是关于eMBB的。结论：对于eMBB的高码率和高吞吐量场景下，LDPC可以有效支撑。eMBB采用单一编码方式即可。工作假设：支撑LDPC码作为高吞吐量和高码率场景下的编码方式。进一步研究：采用仿真结果说明Turbo和Polar等其他解码算法的详细实施方法。

R1-165637是关于5G新空口的。其结论为：eMBB的所有候选编码算法在大多数情况下性能都可比。高码率时，Turbo码比LDPC所需的解码计算复杂度要搞，且LDCP在时延和高数据吞吐量方面优于Turbo码。对于高数据速率和大的信息块长度(比如>1000比特)，BLER=10-2到10-3时，Turbo码开始产生错误平层(error floor)。对于应用需求较灵活的场景，可以考虑采用LDPC。

R1-165598是关于小长度的包的。评估结果表明，TBCC和Polar码显示了较好的性能(k=20,40)。100<K<1000时，Polar在各种码率和包长下的性能都优于TBCC。建议对于小包长度(如200比特)，考虑TBCC和Polar候选码，后续对性能和复杂度以及时延作进一步考虑。

R1-165726针对小包进行分析。对于短的信息块长度和低码率，TBCC和Turbo码性能优于LDPC和Polar码。建议新空口中对于短的信息块长度(包括下行控制信道和mMTC的下行)采用TBCC。

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