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科技丨华为的5G技术，源于这种数学方法
原题
华为的5G技术，
源于这种数学方法
作者：张华
摘选自微信公众号环球科学
近日，华为遭美国贸易制裁后，任正非的表态受到各大媒体关注。任正非对华为的5G技术充满了信心：“华为的5G是绝对不会受影响，在5G技术方面，别的国家两三年内肯定追不上华为。”
值得注意的是，任正非在接受采访时提到，华为在5G的成就，离不开一位土耳其的科学家的贡献：“5G标准是源于十多年前土耳其的阿勒坎教授的一篇数学论文……”“十年时间，我们就把土耳其教授数学论文变成技术和标准。”
那么，这位土耳其科学家做了什么工作？这与华为的5G技术又有怎样的联系？
埃达尔·阿勒坎教授
5G基础：极化码
1958年，埃达尔·阿勒坎（Erdal Arikan）出生在土耳其首都安卡拉，但他的求学生涯多在美国度过。1981年，阿勒坎在位于加州理工学院获得本科学位，随后他去了美国的另一所名校——麻省理工学院，于1985年得到电子信息工程专业的博士学位。值得一提的是，阿勒坎的博士生导师是美国人罗伯特·加拉格（Robert Gallager）教授。而加拉格的导师，也就是阿勒坎的师祖，则是大名鼎鼎的信息论鼻祖香农。
从这个意义上来说，阿勒坎在学术上可谓师出名门。而在博士毕业、回到故乡土耳其的毕尔肯大学后，阿勒坎研究出了开创性的技术。
在毕尔肯大学这所并不算著名的大学，阿勒坎十年磨一剑，终于在2008年大功告成，发表了主要用于5G通信编码的极化码技术方案。
当年他发表的论文在2008年的IEEE期刊上，文章一共23页，但作者只有他一个人。
这篇文章发表后，就被华为注意到了。
华为有很多科学家，研究能力一流，他们评估了阿勒坎的论文，意识到这篇论文至关重要，因为其中的技术可以用于5G编码。
任正非向阿勒坎颁奖，以致敬其为人类通信事业发展所作出的突出贡献
于是，华为与阿勒坎取得了联系，在这项技术的基础上申请了一批专利，并且以阿勒坎的极化码为基础封锁了一批专利。科技企业的国际竞争，是专利之争，也是利益之争，必须先下手为强。
5G标准：师徒之争
华为在极化码的基础上开发出5G通信技术后，迎来了至关重要的5G标准投票——若能取胜，就能掌握5G通信网络的话语权。
在去年的5G标准投票中，华为推崇的极化码，受到了美国高通公司的阻击，高通推崇的是低密度奇偶校验（LDPC）码。
而LDPC码的提出者，正是阿勒坎的导师加拉格。
所以，在这场5G通信标准之争的背后，是一对师徒的技术之争。当然，表面上是技术之争，背后也有国家利益之争。
以美国的高通为代表的通信业巨头自然倾向于用美国人提出的编码方法，但华为为代表的通信业新秀也希望在这个国际标准的制定中占据先发优势。在5G标准的制定中，经过复杂的博弈，最终形成了一个折衷方案：
LDPC码成为数据信道的编码方案；极化码成为控制信道的编码方案。
所以，这是一种现实的结果，华为虽然没有完胜，但也没有完败。高通也一样，最后的结果就是大家一起发展5G，谁也别把谁踢走。
从技术层面来说，LDPC在1963就发明了，但受限于当时的硬件条件，同时因为缺乏可行的译码算法，所以此后30多年间基本被人们忽视。但随着技术的进步，尤其是1993年贝鲁等人发现了Turbo码并用于3G与4G通信后，受Turbo码启发，人们对LDPC码进行了改进。结果发现，LDPC码的性能比Turbo码更好。
所以，LDPC码被认为一种比较成熟的老牌编码方案，效果确实是不错的。但极化码的优势是计算量小，用小规模的芯片就可以实现，比较适应于5G的小基站，而且采用这种编码方法的硬件商业化后设备成本低，因此也极具竞争力。
控制信道
上文提到，华为主推的极化码主要用于5G的控制信道编码，这是什么意思呢？
控制信道是用来传输指令和同步数据的，这就好像我们打开电脑时，电脑需要读取硬盘上的信息，这就需要给硬盘通电，这个通电过程就是由控制信号来传递的。
所以，简单地说，华为的5G极化码方案争取到了“给电脑硬盘通电的管制权”，而不是“传输硬盘上的电影数据的权力”。
从数据量来说，控制信道的数据量要小很多，码块长度一般在20-300比特之间——这就好像你不是要传输高清的电影数据，只是要把电脑打开，不需要那么多数据量来完成开机这个事情。而5G数据信道的码块长度要长得多，典型的数据量在3000~8000比特之间，而且码块非常多，其所传输的数据量比控制信道要高几个数量级。
所以，从数据量大小来说，LDPC码取得的胜利更大一些，但这也不表示极化码失败了。毕竟，极化码是一个新秀，还没有在实践上经过千锤百炼，所以只能等5G大规模商用以后，我们再来评估极化码的优越性到底是不是真的好。
对于极化码来说，长度为N的数据块，其编码的复杂度是O(N log N)。而根据祖师爷香农的判据，这已经到达了5G编码的最优极限。
所以，华为看好极化码的未来，因为它极富理论优势。而且华为已经在5G产业化上走得很远了。因此，我们不难理解华为的底气：因为掌握了技术，即使遭遇贸易战，华为也有胜利的信心。
数学与工业，相向而行
延伸阅读
时代呼唤数学家
作者：火柴Q
摘选自微信公号 甲子光年
任正非的质问
“用物理方法来解决问题已趋近饱和，要重视数学方法的突起。”
——任正非《中国没有创新土壤，
不开放就是死亡》
从很多迹象看，中国确实越来越重视基础科学了，尤其重视向来被认为是科学皇后的数学。
令人耳目一新的是，这一次，发出支持声的最强音来自工业界。
相信很多人都已读完了任正非于5月21日接受媒体采访的2万字实录。74岁的任正非在回答中27次提及了“数学”，例举了诸多数学对于华为的重要性：
华为5G标准是源于十多年前土耳其Arikan教授的一篇数学论文；P30手机的照相功能依赖数学把微弱的信号还原；如今华为终端每三个月换一代，主要是数学家的贡献。
他掷地有声地质问：
我们国家修桥、修路、修房子……已经习惯了只要砸钱就行。但是芯片砸钱不行，得砸数学家、物理学家、化学家……但是我们有几个人在认真读书？博士论文真知灼见有多少呢？
他甚至表示，等自己退休了要找一个好大学，学数学。
这不是任正非第一次提及数学的重要性。
2012年，在任正非与内部专家的一次座谈《中国没有创新土壤，不开放就是死亡》中，他提到：“我认为用物理方法来解决问题已趋近饱和，要重视数学方法的突起。”
2006年以来，华为在俄罗斯和法国这两个传统数学强国建立了数学研究所。今年初，在接受采访时任正非说：这30年，其实我们真正的突破是数学，手机、系统设备是以数学为中心。
按任正非披露的信息，华为现在已有700多名数学家、800多名物理学家、120多名化学家、六七千名基础研究专家。
无独有偶，连向来被视为“拿来主义”大佬的马化腾在上周二被问及贸易争端时也说：“中国已经走到发展前沿，拿来主义的空间越来越少。如果我们不继续在基础研究和关键技术上下苦功，我们的数字经济就是在沙堆上起高楼，难以为继。”
今年两会前，马化腾还曾发表口头预告：腾讯未来要拿出10亿元建立基金，启动“科学探索奖”，支持数学、物理等基础科学的研究。
更早前的2016年，包括马化腾、李彦宏、丁磊、徐小平在内的中国互联网工业界“大佬”组团捐赠了“未来科学大奖”，单项奖金100万美元，承诺连续捐10年。
当被问起捐款原由时，马化腾说：“这么好的事情怎么能没有我？”他希望让数学、生命科学等基础科学领域成为新的时尚。
在不久前举行的2019年未来论坛·深圳峰会上，深圳市副市长王立新从城市产业发展的角度提到：
大家从最近的形势也看到基础研究对深圳、对中国是非常非常的重要！我们过去讲80年代上大学的时候说：“学好数理化，走遍天下都不怕”。今天我们有必要重提那句口号，就是：“学好数理化，打遍天下都不怕”。
延伸阅读
中国5G发展到什么阶段了？
选自微信公号中关村在线
“2019年将成为5G元年”已经成为很多业内人士的共识，5G离我们还有多远？咱们国内为5G备战走到哪一步了？相信关心科技领域的人都会相当在意。
笔者有幸最近参加了“MWC19·上海”的媒体沟通会，这是一场干货满满的论坛活动，尤其是中国联通运维部总经理马红兵的分享，更是解答了大量的疑惑。
注意了，下面这些都是干货，可能一些概念还比较难懂，真正想学点东西的网友们请系牢安全带，我们马上发车。
一、平台成熟但问题也不少
目前，5G设备厂商的设备平台基本都已经成熟了，但从测试来看，软件、功能、网管、端到端的问题还非常多，终端的IoDT测试，包括芯片测试，也还不断有问题出现。
也就是说以目前的状态，离完全商用还有一段距离，联通称之为“友好用户的体验阶段”。我们会发现运营商现在正在逐步推出用户试用项目，通过大范围的使用来进行测试，在实际应用的过程中发现问题、解决问题。
二、具体设备实施层面仍然面临新问题
在很多人看来，5G设备技术问题解决了就可以上马工作了，但事实上这种需要切实落地的项目，面临的不仅有核心技术问题，还有实施和操作层面的具体问题。
和现有的4G设备相比较，5G设备耗电量更大，体积更大，重量也更重，对于机房、电源、铁塔等等具体工程方面来说，都是需要客服的实际问题。
三、终端尚未到普及水平
从了解到的情况来看，目前支持5G的终端价格还比较贵，基本在8000到10000元，马红兵认为如果不能把价格降到5000或者3000元以内，对于5G的发展将是一个阻碍。
而且还有更深层次，那就是5G应用场景的“三角形”需要融入到生活的方方面面，既有个人的手机、有家庭，还要融入到产业互联网、工业互联网，包括VR头盔、自动驾驶模组等，这些没有发展起来，就不算真正发挥了5G的作用。
四、中国的5G在全球位置如何？
马红兵认为，目前中国的5G水平和全球是同步的，略微落后于韩国，从毫米波上落后于美国，但后劲比较大。更重要的是，从SA的角度来说，中国会继续引领全球。
目前中国5G处于非常规的阶段，标准虽然已经定格在去年12月31日的版本上，但从芯片、标准、终端、系统设备、管理、平台、业务、端到端来看，还有不断提升的地方，标准也有要不断补充的地方。
五、中国的技术选择与全球的背离
这应该是这篇文章最核心的部分，也是很有看点的一块。前面我们提到了两个名词，一个“三角形”，一个“SA”，这部分我们就会讲到。
首先，全球目前的5G技术基本都选择了NSA，即非独立组网，在4G网络的基础上进行升级支持5G。但中国的专家认为NSA无法满足5G的“三角形”构成，即eMBB、超大连接和高可靠低时延三大核心特性。也就是说，现在全球都在搞的并不是一个理想上的5G。
因此，中国要做的是真正的5G，即SA（独立组网），是要真正为5G的未来应用打下基础，而不是纯粹为了商业目的弄个“假5G”去赚快钱。值得一提的是，在SA方面我们国家是绝对领先于全球的。
但这必然也会付出相应的代价，因为SA在难度上要比从4G升级上去的NSA要高很多，因此在国外运营商都已经在推出商用的时候，中国无法快速跟上。这也是我国搭台滞后的一个重要原因，我们希望能够等一等，把基础打好。
可能会有人有疑问，为什么不考虑先用NSA把5G业务开展起来，然后等SA成熟再跟进呢？马红兵表示，这会给初期的NSA试水和后续的SA造成冲突，因为这两种技术并不相同，对用户的终端业务会有一定的影响，如果用户前期尝试的是NSA，后期SA技术如何接入这都会有问题，所以需要重点权衡考虑。
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